ANÁLISE TERMODINÂMICA COMPUTACIONAL DA
PRODUÇÃO DE AÇO INOXIDÁVEL –
FUNDAMENTOS
Nestor C.Heck, Antônio C.F.Vilela
NTCm Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia / UFRGS
LASID Laboratório de Siderurgia / UFRGS
60o Congresso Anual da ABM
25-28 de julho de 2005, Belo Horizonte - BH
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Objetivos
Curto prazo: estudar os fundamentos associados ao
processo de produção de aços inoxidáveis; simular aspectos básicos e verificar a validade do software e dados
empregados. Longo prazo:
reproduzir em laboratório pontos críticos; sugerir ações visando otimizar o processo.
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Metodologia
Simulação: uso do aplicativo FactSage 5.2 e seus bancos
de dados (termodinâmica computacional); sistemas simples (1a fase: sem vinculação com
etapas do processo industrial). Validação:
resultados versus literatura;
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Termodinâmica
Usada para o cálculo do equilíbrio estado final de qualquer sistema; alcançado se não houver qualquer
impedimento de ordem cinética. Sistema em equilíbrio:
propriedades são constantes no tempo; não há gradientes de nenhuma espécie;
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O que constitui um sistema?
Componentes: Fe-Cr-Ni-C...
Fases: ‘banho’, ‘escória’, atmosfera...
Propriedades importantes: Temperatura (constante) Pressão (constante)
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Sistema Fe-O
Dois componentes: Fe, O Três fases: Fe(l), atm. (O2), FeO (l) Regra das Fases F + V = C + 2
Se temperatura: 1600°C Pressão = 5,58 x 10-9 [atm] Teor O = 0,225%
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Sistema Fe-O
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Sistema Fe-O-Cr
Três componentes: Fe, Cr, O Regra das Fases
Temperatura: 1600°C Pressão: valor constante [atm] F = C + 2 - V
Três fases: óxido(?), atm.(O2), banho
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Sistema Fe-O-Cr
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Sistema Fe-O-Cr
Teor de O
0.030
0.035
0.040
0.045
0.050
-11.5 -11.0 -10.5 -10.0 -9.5
Logaritmo da pressão de O2 (real) [log(p)]
Teor
de
O [%
, mas
sa]
Cr2O3
FeCr2O4
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Sistema Fe-O-Cr
Teores de O e Cr
0.01
0.10
1.00
0.10 1.00 10.00 100.00
Teor de Cr [%, massa]
Teor
de
O [%
, mas
sa]
Cr2O3
FeCr2O4
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Sistema Fe-O-Cr (Literatura, apud ITOH)
Teores de O e Cr
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Sistema Fe-O-Cr (Validação)
Fases sólidas: concorda Valores de O=f(Cr):
10%Cr 20%Cr 30%Cr
ITOH <0,025 <0,04 0,05
este trab. 0,034 0,046 0,06
SJPC <0,04 0,05 0,08
Limite Cr2O3 / FeO.Cr2O3; (%Cr):SJPC 3% / este trab. ~3,7% / ITOH 7%
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Sistema Fe-O-Cr-C
Competição pelo oxigênio:4 C + Cr2O3(s) + CO2(g) = 2 Cr + 5 CO(g)
Constante de equilíbrio (rearranjada):
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Sistema Fe-O-Cr-C-Ni
C e Cr em função de P e CO2/CO
1600°C
~8% Ni
0.001
0.010
0.100
1.000
12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Teor de Cr [%, massa]
Teo
r de
C [%
, mas
sa]
p = 1
p =0,1
p = 0,01
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Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si
Cr [kg/t] em função da massa de O Condições:
Sem adição + 15 [kg] Si + 15 [kg] Si + 30 [kg] CaO
Sistema: Temperatura: 1600 [°C] Pressão: 1 [atm]
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Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si
150
155
160
165
170
175
180
185
0 5 10 15 20 25
Massa de oxigênio no sistema [kg]
Mas
sa d
e C
r [k
g]
+15kg Si +30kg CaO
+15kg Si
Sem adição
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Sistema Fe-O-Cr-C-Ni-Ca-Si
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
10 15 20 25
Massa de oxigênio no sistema [kg]
Mas
sa d
e m
iner
al e
de
'esc
ória
líqu
ida'
[kg]
Ca2SiO4_alpha(s3)
Escória líquida
Cr2O3(s)
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Conclusões
A simulação reproduz as fases e o comportamento geral conhecido e descrito na literatura do sistema e subsistemas Fe-O-Cr-C-Ni;
Mostra o potencial da ferramenta Termodinâmica Computacional para a simulação de processos e fenômenos típicos produção de aço inoxidável.
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