przykłady wykorzystania programu komputerowego factsage w

przykłady wykorzystania programu komputerowego factsage w

Prace IMŻ 3 (2011)
31
Piotr RÓŻAŃSKI, Mariusz BORECKI, Janusz STECKO
Instytut Metalurgii Żelaza
PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA
PROGRAMU KOMPUTEROWEGO FACTSAGE
W PRACACH BADAWCZYCH
Z OBSZARU METALURGII ŻELAZA I STALI
Komercyjne obliczeniowe programy komputerowe stały się szeroko wykorzystywanym narzędziem do realizacji prac
badawczych. Ich wykorzystanie w wielu przypadkach jest niezbędne ze względu na złożoność wymaganych obliczeń,
czego przykładem jest równowaga termochemiczna w układach wielofazowych. Jednym z najwyżej cenionych programów termochemicznych wykorzystywanych między innymi w metalurgii jest FactSage. W artykule przedstawiono
przykładowe obliczenia termochemiczne wykonane za jego pomocą, obejmujące proces redukcji węglotermicznej w stanie stałym rud żelaza i odpadowych materiałów żelazonośnych, rafinacji stali i modyfikacji wtrąceń niemetalicznych
oraz spalania paliw stałych.
Słowa kluczowe: obliczenia termochemiczne, redukcja węglotermiczna materiałów żelazonośnych, pozapiecowa
obróbka ciekłej stali, spalanie paliw
EXAMPLES OF USE OF COMPUTER PROGRAM FACTSAGE
IN RESEARCH WORK IN THE AREA OF IRON AND STEEL
METALLURGY
The commercial computing software has become a widely used tool to conduct research work. In many cases its use
is necessary because of complexity of the required calculations, such as thermomechanical equilibrium in polyphase
systems. One of the highest valued thermochemical programs used in, but not limited to, iron and steel metallurgy
is FactSage. This article presents the examples of thermochemical calculations performed with this software, which
include carbothermal reduction of solid iron ores and iron-bearing waste materials, refining of steel and modification
of non-metallic inclusions, and combustion of solid fuels.
Key words: thermochemical calculations, carbothermal reduction of iron-bearing materials, secondary treatment of
liquid steel, combustion of fuels
1. WSTĘP
Obecnie do realizacji badań procesów przemysłowych
wykorzystuje się specjalistyczne komercyjne komputerowe systemy obliczeniowe, składające się z programów obliczeniowych zintegrowanych z odpowiednimi
bazami danych i programów do prezentacji uzyskanych wyników w formie tabelarycznej lub graficznej.
Współczesne zintegrowane systemy komputerowe realizują obliczenia, pozyskując w sposób automatyczny
niezbędne dane z jednej lub wielu baz. Opracowywane
modele matematyczne procesów są coraz lepsze, a bazy
danych są systematycznie uzupełniane.
Jednym z elementów modelowania są obliczenia termochemiczne, pozwalające na określenie, jakie reakcje
będą zachodziły w zadanych warunkach, jakie będą ich
produkty i jakie będą ich efekty cieplne wyrażone parametrami termodynamicznymi.
Także metalurgia żelaza i stali coraz szerzej wykorzystuje programy komputerowe do symulacji poszczególnych zjawisk występujących w procesach przemy-
słowych (np. redukcji materiałów żelazonośnych, odtleniania i odsiarczania stali, optymalizacji składu żużla
itp. przy użyciu programów termochemicznych, jak
np.: FactSage, Thermo-Calc, MTDATA, Pandat i HSC
Chemistry), a także do modelowania całych procesów.
Realizacja zaawansowanych symulacji wymaga użycia,
oprócz programów z zakresu termochemii, także programów służących do modelowania procesów wymiany
masy i ciepła, takich jak: FLUENT, FIDAP, FLOW3D,
ANSYS CFX [1].
Ocena procesów metalurgicznych z zastosowaniem
termodynamiki wymaga wykonania złożonych obliczeń
stanów równowagi chemicznej układów heterofazowych, przy użyciu znacznej ilości danych zależnych od
składu chemicznego poszczególnych faz, temperatury i ciśnienia. Ich wykonanie umożliwiają i ułatwiają
programy komputerowe, skracając proces obliczeń,
a w efekcie końcowym przyczyniają się do ograniczenia ilości eksperymentów i różnego rodzaju pomiarów
i analiz, umożliwiając oszczędności materiałów, energii
i czasu.
32
Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko
Należy pamiętać, że przy modelowaniu skomplikowanych zagadnień konieczne jest stosowanie mniej lub
dalej idących uproszczeń, a stany równowagi termodynamicznej nie są w pełni osiągalne w warunkach rzeczywistych. Dlatego wyniki symulacji matematycznych
muszą być traktowane jako orientacyjne i konieczna
jest ich weryfikacja na drodze eksperymentów w skali laboratoryjnej i przemysłowej. Formułowanie zadań
obliczeniowych wymaga znajomości zjawisk i wzajemnych oddziaływań zachodzących w czasie procesu.
Jednym z najwyżej cenionych programów termochemicznych wykorzystywanych między innymi w metalurgii jest FactSage. Program ten został zakupiony dla
Zespołu Procesów Surowcowych Instytutu Metalurgii
Żelaza (BS) w celu wykorzystywania w pracach badawczych nad opracowaniem nowych, jak i optymalizacją
istniejących technologii otrzymywania żelaza i stali
oraz utylizacji odpadów, w tym:
– procesów redukcji materiałów metalonośnych,
– procesów rafinacji stali (odtleniania i odsiarczania),
– inżynierii wtrąceń,
– komponowania składu żużli,
– przewidywania składu gazów poreakcyjnych, itd.
W artykule przedstawiono przykładowe obliczenia
wykonane z jego wykorzystaniem.
Prace IMŻ 3 (2011)
nie wartości energii swobodnej Gibbsa przy użyciu
zbiorów danych eksperymentalnych (interpolacja,
ekstrapolacja, aproksymacja).
Moduły do obsługi wyników i programu to:
• Results: umożliwia przetwarzanie końcowe wyników obliczeń uzyskanych przy użyciu modułu
Equilib i generowanie różnych wykresów z pojedynczych zbiorów stabelaryzowanych danych,
• Mixture: służy do edycji grup składników lub list
danych wcześniej obliczonych w module Equiolib
do wprowadzania ich do modułu Equilib, jako reagentów. Do Equilib można importować do 48 różnych grup do wykonania danego obliczenia. Grupa
lub lista może zawierać do 48 reagentów i 32 różnych pierwiastków,
• Figure: program do sporządzania wykresów,
umożliwiający przedstawianie, edytowanie i obróbkę wykresów i układów fazowych wytworzonych
przez moduły obliczeniowe systemu FactSage,
• Fact-XML: przeznaczony do zarządzania danymi,
umożliwiający łatwą wymianę dokumentów pomiędzy różnymi systemami operacyjnymi.
3. ZAKRES WYKONANYCH SYMULACJI
2. STRUKTURA PROGRAMU
Program FactSage pracuje w środowisku Microsoft Windows i ma budowę modułową. Moduły wchodzące w jego skład zgrupowane są w czterech kategoriach:
1. Info: moduły informacyjne, obejmujące szczegółowe
pokazy slajdów (w Microsoft Power Point) większości
modułów programu i podstawowe informacje z najczęściej zadawanymi pytaniami na temat FactSage
i baz danych
2. Databases: bazy danych – moduły umożliwiające
użytkownikowi przeglądanie, manipulowanie i edycję danych dotyczących czystych substancji i roztworów rzeczywistych
3. Calculate: moduły obliczeniowe, umożliwiające obliczanie układów fazowych i termochemicznej równowagi w różnej formie z bezpośrednim dostępem do
baz danych
4. Manipulate: moduły obróbki wyników do ich graficznego i tabelarycznego przedstawiania.
Program oferuje sześć modułów obliczeniowych:
• Reaction – analiza termodynamiczna pojedynczych reakcji chemicznych,
• Predom – obliczanie i sporządzanie jedno- dwui trójskładnikowych układów równowagi, przy użyciu bazy danych substancji czystych,
• EpH - obliczanie i sporządzanie izotermicznych
układów równowagi elektrochemicznej Eh[V]=f(Ph)
rozcieńczonych roztworów wodnych,
• Eqilib – obliczanie równowagi w układach heterogenicznych przy użyciu kryterium minimum energii swobodnej Gibbsa, wykorzystując bazy danych
czystych substancji i roztworów,
• Phase Diagram – obliczanie i wykreślanie układów fazowych przy użyciu baz danych związków
i roztworów,
• OptiSage – optymalizacja danych termodynamicznych i wykresów równowag fazowych, generowa-
Głównym celem wykonanych dotychczas obliczeń
z użyciem programu FactSage było opanowanie jego
obsługi. Część z obliczeń znalazła się w trzech niepublikowanych sprawozdaniach z prac Instytutu Metalurgii
Żelaza. Przytoczone niżej przykłady pochodzą z jednego z nich [2].
Wykonane obliczenia termochemiczne dotyczyły:
– procesu redukcji węglotermicznej rud żelaza i odpadowych materiałów żelazonośnych,
– rafinacji stali, w tym odsiarczania kąpieli stalowej
przy użyciu CaSi,
– modyfikacji wtrąceń niemetalicznych przy użyciu
wapnia w stali niskowęglowej bezkrzemowej,
– procesu spalania paliw.
3.1. OBLICZENIA TERMOCHEMICZNE
I ANALIZY TERMICZNE Z ZAKRESU
REDUKCJI WĘGLOTERMICZNEJ
MATERIAŁÓW ŻELAZONOŚNYCH
W STANIE STAŁYM
Procesy redukcji materiałów żelazonośnych to jedno
z podstawowych zagadnień, jakimi zajmuje się zespół
BS. Wyniki symulacji z wykorzystaniem obliczeń termochemicznych skonfrontowano z symulacją fizyczną
tego procesu przeprowadzoną z wykorzystaniem analizatora termicznego.
Obliczenia wykonano przy wykorzystaniu modułu
Equilib programu FactSage 6.1, przy założeniu stałego ciśnienia równego 1 atm. Parametrami zmiennymi
o
była temperatura (w zakresie do 1200 C), ilość reduktora oraz (w części przypadków) atmosfera gazowa.
Symultaniczne analizy termiczne TG-DTA z udziałem analizy składu gazów wykonano na analizatorze
STA 449 F3 Jupiter sprzężonym z analizatorem QMS
403 Aëolos firmy Netzsch.
Obliczenia posłużyły do określenia zakresu temperatury procesu i wymaganej ilości reduktora.
Prace IMŻ 3 (2011)
Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage...
33
czemu odpowiada przypadek zilustrowany na rys.
1a (1 mol Fe3O4+ 2 mole C), niemożliwe jest uzyskanie pełnej redukcji tlenków do metalicznego żelaza.
Zwiększając udział reduktora węglowego, udział fazy
FeO w temperaturach powyżej 700oC systematycznie
maleje. Po przekroczeniu udziału 2,85 mola węgla
przypadającego na jeden mol Fe3O4 pojawia się samo-
dzielna faza żelaza metalicznego w temperaturze poo
wyżej 700 C. Wraz z dalszym wzrostem udziału węgla
przedział temperaturowy występowania całkowitej redukcji do Fe metalicznego rozszerza się. Dla przykładu,
w przypadku proporcji Fe3O4 do C jak 1 mol: 3 moli całkowita redukcja żelaza występuje w przedziale tempeo
ratur od 700 do ~830 C (rys. 1b). Dopiero, przy proporcji udziału masowego magnetytu do węgla jak 1:0,17
(1 mol Fe3O4 + 3,25 mola C) w zakresie temperatur od
o
o
700 C do 1200 C żelazo występuje jako jedyna faza stała (rys. 1c). Po przekroczeniu 3,91 mola udziału węgla
w reakcji z jednym molem Fe3O4 w temperaturze okoo
ło 885 C pojawia się faza węglika żelaza, której udział
wzrasta ze wzrostem udziału węgla w ogrzewanej mieszaninie (rys. 1d).
Na rys. 2 przedstawiono wyniki analizy termicznej
rudy magnetytowej w mieszaninie z koksikiem w atmosferze CO2 (b), przy czym rudę z koksikiem zmieszano w stosunku masowym jak 1:1.
Na krzywej TG/TGA można wyróżnić 4 etapy spadku
masy o różnej wielkości i zachodzących z różną szybkością:
– pierwszy w temperaturze do około 100°C odpowiada
odparowaniu wody niezwiązanej (wilgoci),
– drugi, występujący w przedziale temperatur od ~420
o
do ~480 C i wynoszący około 3% masy związany jest
a)
b)
c)
d)
Zakres obliczeń objął symulację procesu redukcji
w stanie stałym rudy magnetytowej, hematytowej
i zgorzeliny z użyciem reduktora węglowego.
Redukcja magnetytu za pomocą węgla
Obliczenia wykonano dla mieszanki złożonej z magnetytu i węgla w różnym stosunku masowym, od 1:0,1
do 1:1 (rys. 1a-d). Dla ostatniego przypadku (dla proporcji rudy do reduktora węglowego, jak 1:1) wykonano
analizę termiczną TG/DTA + QMS (rys. 2).
Uzyskane wyniki symulacji świadczą o tym, że program dobrze odwzorowuje uznany model przebiegu
redukcji tlenków żelaza. Do uzyskania całkowitej redukcji tlenków do żelaza metalicznego konieczny jest
nadmiar reduktora.
Przy użyciu węgla w ilości odpowiadającej reakcji
stechiometrycznej:
Fe3O4 +2C " 3Fe +2CO2
Rys. 1. Redukcja magnetytu węglem w temperaturze od 400 do 1200°C. a) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,1
(1 mol Fe3O4 + 2 mole C), b) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,2 (1 mol Fe3O4 + 3,25 mola C), c) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,21 (1 mol Fe3O4 + 4 mole C), d) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:1 (1 mol
Fe3O4 + 19,3 mola C)
Fig. 1. Reduction of magnetite with carbon at 400 to 1200°C
34
Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko
Prace IMŻ 3 (2011)
Rys. 2. Analiza termiczna mieszaniny rudy magnetytowej (koncentrat) z koksikiem prowadzonej w atmosferze CO2
Fig. 2. Thermal analysis of the mixture of magnetite ore (concentrate) and quick coke conducted in CO2 atmosphere
z usuwaniem wody związanej, o czym świadczy pik
na krzywej dla amu 18 (H2O) analizy QMS,
– trzeci z pikiem endotermicznego efektu na krzywej
DTA w temperaturze 784oC i czwarty zanotowany
w temperaturze powyżej 1000°C, związane są z procesem redukcji Fe3O4 co potwierdza przebieg krzywej
dla amu 44 (CO2) z przyrostami w tych temperaturach.
Proces związany ze spadkiem masy nie jest zakończony w temperaturze końca analizy. Czas analizy lub
prędkość nagrzewania dla danej masy próbki, czy też
dla danego jej uziarnienia były nieodpowiednie, aby
doprowadzić proces redukcji do końca. Wyraźne efekty cieplne, odpowiadające przemianom zanotowano
w temperaturach 471,7oC i 784,4 oC.
Redukcja rudy hematytowej za pomocą
reduktora węglowego w postaci koksiku,
w obecności CO2, oraz zgorzeliny za pomocą
reduktora węglowego w atmosferze CO2
Obliczenia wykonano przyjmując uproszczony skład
rudy (Fe2O3+FeO+Fe) i koksiku, uwzględniając w nim
udział węgla, dla dwóch przypadków procesu redukcji
różniących się udziałem CO2 (rys. 3). Mieszankę rudy
i koksiku zestawiono w stosunku wagowym jak 1:1.
Obliczenia wykonano dla różnych ilości CO2 nad redukowaną mieszanką (rys. 3 a i c).
Uzyskane wyniki symulacji potwierdzają wnioski
z poprzednich obliczeń. W tym konkretnym przypadku
nadmiar reduktora węglowego jest przyczyną powstania węglika żelaza w temperaturze zbliżonej do 900oC.
Analiza termiczna TG/DTA+QMS w dużym stopniu
potwierdza wynik obliczeń. Po usunięciu wody związanej i niezwiązanej (w temperaturze do około 322,5oC),
odnotowano spadek masy z różną szybkością, przy czym
szczególnie szybki spadek masy występuje powyżej
temperatury około 950oC. Spadki masy powyżej temperatury 600oC związane są z procesem redukcji tlenków
żelaza, co potwierdza przyrost CO (rys. 3a i b).
Skład gazów wywiera silny wpływ na przebieg procesu redukcji, co jest zgodne z wynikami innych badań
[3].
W przypadku obliczeń z udziałem mieszanki zgorzeliny i koksiku sporządzonej w stosunku wagowym jak
1:1, przyjęto uproszczony skład zgorzeliny (52% Fe2O3
i 48% FeO).
Zarówno obliczenia, jak i analiza termiczna, w tym
przypadku potwierdziły spostrzeżenia z badań redukcji poprzednich materiałów żelazonośnych. Analiza termiczna ujawniła bardzo szybki spadek masy począwszy od około 820oC z przyspieszeniem w temperaturze
od około 1050oC.
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń z zakresu
redukcji tlenkowych materiałów żelazonośnych ustalono między innymi, że w warunkach równowagowych,
przy zastosowanych warunkach brzegowych ciśnienia
równego 1 atm:
– redukcja węglotermiczna rud żelaza powinna być
prowadzona w przedziale temperatur wyższych od
700oC a niższych od 900oC, w którym uzyskuje się
żelazo metaliczne,
– nadmiar reduktora musi być kontrolowany (gdy jest
zbyt mały, to stopień redukcji będzie ograniczony,
a gdy będzie nadmierny powstanie faza węglika żelaza),
– skład gazów wywiera silny wpływ na przebieg procesu redukcji; nadmiar CO2 opóźnia redukcję tlenków
żelaza.
Należy zaznaczyć, że obliczenia termochemiczne
przedstawiają sytuacje wyidealizowane niespotykane
w rzeczywistości. Do obliczeń przyjmujemy uproszczony skład chemiczny materiału redukowanego. Przyjęte
w obliczeniach ilości materiału redukowanego, reduktora, jak i gazu towarzyszącego, w tym przypadku CO2,
oddziałują między sobą w całości. Z kolei w przypadku
analizy termicznej mamy do czynienia z warunkami
rzeczywistymi układu zastosowanymi w analizatorze
termicznym. Mimo to korelacja wyników uzyskanych
obiema metodami jest znaczna.
Prace IMŻ 3 (2011)
Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage...
a)
35
c)
b)
Rys. 3. Symulacja redukcji rudy hematytowej reduktorem węglowym w postaci koksiku, w obecności CO2 (a i c) oraz analiza
termiczna rudy hematytowej w mieszaninie z koksikiem w atmosferze CO2 (b)
Fig. 3. Simulation of the reduction of hematite ore with carbon regulator (quick coke), in presence of CO2 (a and c), and thermal analysis of hematite ore in mixture with quick ore in CO2 atmosphere (b)
3.2. OBLICZENIA TERMOCHEMICZNE
Z ZAKRESU RAFINACJI STALI I
MODYFIKACJI WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYCH
Wytwarzanie stali o wysokich własnościach technologicznych i użytkowych wymaga kontroli morfologii
wtrąceń niemetalicznych (WN): ich składu, wielkości
i rozłożenia. WN powstają na różnych etapach wytwarzania stali i nie da się ich całkowicie wyeliminować.
W zależności od gatunku stali (jej składu chemicznego) i przeznaczenia, sposób modyfikacji wtrąceń niemetalicznych jest różny. Inne są wymagane warunki
brzegowe procesu: początkowa zawartość tlenu, glinu,
krzemu lub siarki, jak też inne są wymagane ilości
wprowadzanego modyfikatora. Skład WN jest silnie zależny nawet od niewielkich ilości niektórych pierwiastków rozpuszczonych w stali.
Głębokie odsiarczanie ciekłej stali w kadzi
Obliczenia dla niskowęglowej stali manganowej
o składzie chemicznym podanym w tablicy 1, wykonano przy wykorzystaniu modułu Equilib. Parametrem
zmiennym była zawartość czynnika odsiarczającego
w postaci stopu CaSi z 35% udziałem wapnia. Zakres
wielkości dodatku CaSi i pozostałe parametry uwzględnione w obliczeniach podano w tablicy 2. Skład czynnika odsiarczającego wygenerowano przy użyciu modułu
Phase Diagram (rys. 4) i Equilib, a następnie zdefiniowano w module Mixture, co pozwoli wykorzystywać
go w wielu kolejnych obliczeniach z jego udziałem.
Tablica 1. Skład stali
Table 1. Composition of steel
Zawartość pierwiastka, % masowych
C
Mn
Si
Al
S
O
Fe
0,2
0,8
0,23
0,02
0,015
0,0025
reszta
Tablica 2. Parametry uwzględnione w obliczeniach
Table 2. Parameters considered in calculations
Parametr
Zakres dodatku CaSi35%, w % masy
o
Temperatura, C
Ciśnienie, atm
Zakres zmienności
od 0 do 0,0286
1600
1
36
Prace IMŻ 3 (2011)
Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko
Rys. 4. Układ równowagi Ca-Si wygenerowany przy użyciu
modułu Phase Diagram programu FactSage
Fig. 4. Ca-Si equilibrium system generated with FactSage’s
Phase Diagram module
Uzyskany w wyniku obliczeń wykres zmiany masy
siarki w kąpieli metalowej o podanym nad wykresem
o
składzie chemicznym w temperaturze 1600 C, fazy stałego siarczku wapnia oraz zmian masy siarki w fazie
żużlowej w funkcji dodatku CaSi (35% Ca) przedstawiono na rys. 5.
Rys. 6. Proces obróbki pozapiecowej ciekłej stali o składzie: 0,2% C, 0,8% Mn, 0,23% Si, 0,02% Al, 0,015% S, 0,0025%
O; T = 1600oC, p = 1 atm, przy użyciu CaSi i żużla (w ilości
2% masy metalu): 1) żużel 44,4% CaO, 44,4% Al2O3, 11,25%
SiO2, 2) żużel 47,5% CaO, 47,5% Al2O3, 5% SiO2
Fig. 6. Secondary treatment of liquid steel containing:
0.2% C, 0.8% Mn, 0.23% Si, 0.02% Al, 0.015% S, 0.0025% O;
T = 1600oC, p = 1 atm, with use of CaSi and slag (in the
amount of 2% of metal weight): 1) slag 44.4% CaO, 44.4%
Al2O3, 11.25% SiO2, 2) slag 47.5% CaO, 47.5% Al2O3, 5% SiO2
Obliczenia termochemiczne z zakresu
modyfikacji wtrąceń niemetalicznych
Celem przeprowadzonych obliczeń było uzyskanie
wstępnej informacji na temat przebiegu procesu wydzielania WN w stali bezkrzemowej, przeznaczonej
do przeróbki plastycznej z dużą redukcją przekrojów
w procesie ciągnienia w zależności od zawartości pierwiastków odtleniających i temperatury.
Obliczenia wykonano dla niskowęglowej, manganowej stali SAE 1008, przy stałym ciśnieniu 1 atm
i w temperaturze 1553oC.
Skład chemiczny stali wykorzystany w obliczeniach
podano w tablicy 3, a zakresy zmiennych wielkości zastosowanych w obliczeniach podano w tablicy 4.
Tablica 3. Skład chemiczny stali w gatunku SAE 1008 użyty
do obliczeń
Table 3. Chemical composition of SAE 1008 steel used for
calculations
Rys. 5. Rys. 5. Przebieg głębokiego odsiarczania stali niskowęglowej manganowej – zmiana masy siarki w kąpieli
metalowej [S] i stałego siarczku wapnia CaS(s) oraz siarki w żużlu (S) w funkcji dodatku CaSi35%; temperatura
1600oC, ciśnienie 1 atm.
Fig. 5. Course of deep desulphurisation of low-carbon manganese steel – change in sulphur weight in metal bath [S],
solid calcium sulphide CaS(s) and sulphur in slag (S) as
a function of CaSi35% additive; temperature 1600oC, pressure 1 atm.
Zawartość pierwiastka, w % masowych
C
Mn
Si
S
P
AlC*
OC
Ca
0,07
0,40
0,05
0,015
0,015
0,005
0,002
0,002
* w zależności od przeznaczenia stal wykonywana jest z różną zawartością glinu.
Tablica 4. Parametry uwzględnione w obliczeniach
Table 4. Parameters considered in calculations
Parametr
Znając początkowy poziom zawartości siarki i tlenu
w kąpieli, na podstawie przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych można wstępnie oszacować ilość niezbędnego dodatku czynnika odsiarczającego (aby uzyskać
wymagany poziom odsiarczenia kąpieli metalowej).
Wynik symulacji obróbki odsiarczającej ciekłą stal
przy użyciu CaSi i żużla przedstawiono na rys. 6. Symulacja pozwala przewidywać optymalny skład żużla
rafinacyjnego.
Zakres zmienności
Tlen całkowity, % masy
od 0 do 0,008
Wapń, % masy
od 0 do 0,006
Glin całkowity, % masy
Temperatura, oC
od 0 do 0,06
od 1400 do 1600
Zakres przeprowadzonych obliczeń objął przebieg
procesów wydzielania faz niemetalicznych w funkcji
zawartości OC, AlC (rys. 7a), Ca (rys. 7b) i temperatury
ciekłej stali.
Prace IMŻ 3 (2011)
Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage...
a)
b)
c)
d)
37
e)
Rys. 7. Przebieg procesów wydzielania faz niemetalicznych w kąpieli stalowej o składzie chemicznym: 0,07% C, 0,4% Mn, 0,05%
o
Si, 0,015% S, 015% P, 0,005% Al, 0,002% O, (reszta – Fe), w temperaturze 1553 C; a) w funkcji zawartości wapnia, b) w funkcji
zawartości glinu całkowitego, przy zawartości 0,002% Ca. Wpływ temperatury kąpieli stalowej o składzie chemicznym: 0,07%
C, 0,4% Mn, 0,05% Si, 0,015% S, 015% P, 0,005% Al, 0,002% Ca, na wydzielanie w niej faz niemetalicznych (c) oraz na skład chemiczny ciekłej fazy niemetalicznej (d i e). C = CaO, A = Al2O3
Fig. 7. Course of non-metallic phase release processes in steel bath containing: 0.07% C, 0.4% Mn, 0.05% Si, 0.015% S, 015% P,
0.005% Al, 0.002% O, (the rest – Fe), at 1553oC
Przy zastosowaniu programu można także określić
udział poszczególnych pierwiastków w ciekłej fazie
żużlowej, a na tej podstawie skład wtrąceń, jakie ją
tworzą.
3.3. ANALIZA PROCESU SPALANIA PALIW
WĘGLOWYCH
Wykonano obliczenia symulacyjne procesu spalania
koksiku w atmosferze powietrza. Do obliczeń przyjęto
Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko
38
uproszczony, uśredniony skład chemiczny koksiku (tablica 5) w przeliczeniu na suchą masę. W symulacjach
wykorzystano powietrze syntetyczne złożone z tlenu
i azotu w proporcji 21:79 o temperaturze 25oC. Zostało one zdefiniowane w module Mixture i użyte jako
wielkość zmienna w obliczeniach. Pozostałe parametry
uwzględnione w obliczeniach zebrano w tablicy 6.
Prace IMŻ 3 (2011)
– składu gazów poreakcyjnych (dla składników występujących w mniejszych ilościach) (rys. 8c i d),
w funkcji dostarczonego powietrza.
Na podstawie przeprowadzonych obliczeń można
określić możliwą do uzyskania temperaturę procesu
spalania, wymaganą ilość powietrza do spalenia paliwa, a także skład powstających spalin.
Tablica 5. Skład chemiczny koksiku, %
Table 5. Chemical composition of quick coke, %
4. PODSUMOWANIE
C
S
CH4
FeO
SiO2
CaO
Al2O3
85,5
0,6
1,8
2.5
5
1,5
3,1
Na kolejnych rysunkach przedstawiono wyniki symulacji w postaci wykresów zmian:
– temperatury (rys. 8a),
– zawartości węgla i składu gazów poreakcyjnych (dla
głównych składników) (rys. 8b),
Wykonane obliczenia symulacyjne miały głównie na
celu opanowanie obsługi nowo zakupionego programu
FactSage do obliczeń termochemicznych. Zaprezentowano wyniki przykładowych obliczeń związanych
z procesem otrzymywania żelaza i stali:
– redukcji węglotermicznej rud żelaza i odpadowych
materiałów żelazonośnych,
– rafinacji stali, w tym odsiarczania kąpieli stalowej
przy użyciu CaSi,
– modyfikacji wtrąceń niemetalicznych przy użyciu
wapnia,
– spalania paliw węglowych.
Wyniki symulacji komputerowych potwierdziły przydatność programu we wszystkich analizowanych zakresach tematycznych. Program umożliwia optymalizację parametrów poszczególnych procesów, jak rodzaj
a)
b)
c)
d)
Tablica 6. Parametry uwzględnione w obliczeniach
Table 6. Parameters considered in calculations
Parametr
Masa koksiku, g
Zakres dodatku powietrza, g
Temperatura koksiku, oC
Ciśnienie, atm
Wielkość
100
od 0 do 1200
500
1
Rys. 8. Spalanie koksiku w atmosferze powietrza. Temperatura początkowa koksiku 500oC: a) przyrost temperatury w funkcji dostarczonego powietrza, oraz skład gazów i zawartość węgla w funkcji dostarczonego powietrza, b) główne składniki,
c) składniki występujące w mniejszych ilościach, d) składniki występujące w mniejszych ilościach
Fig. 8. Combustion of quick coke in the furnace atmosphere. Initial temperature of quick coke – 500oC
Prace IMŻ 3 (2011)
Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage...
i ilość reduktora lub czynnika rafinującego, warunków
początkowych, jak też efektów poszczególnych procesów (jak: temperatura końcowa i skład spalin) i wielu
innych.
W praktyce przemysłowej warunki równowagi termodynamicznej nie są w pełni osiągalne, dlatego wyniki symulacji matematycznych muszą być traktowane
jako orientacyjne i konieczna jest ich weryfikacja na
drodze analiz i eksperymentów w skali laboratoryjnej
i przemysłowej. Jedną z takich metod badawczych jest
analiza termiczna, którą wykorzystano do symulacji
fizycznej procesów redukcji bezpośredniej tlenkowych
39
materiałów żelazonośnych. Uwzględniając różnice pomiędzy układem równowagi termodynamicznej a warunkami rzeczywistymi w analizatorze termicznym,
uzyskano znaczną zgodność wyników.
Należy zaznaczyć, że w ramach dotychczasowych
prac udało się wykorzystać tylko niewielki fragment
możliwości programu, tak w zakresie zastosowań, jak
i wariantów obliczeń. Proces poznawania i wykorzystywania możliwości programu należy traktować jako
ciągły, który będzie postępował wraz z kolejnymi jego
aplikacjami w dalszych pracach.
LITERATURA
1. Jowsa J.: Inżynieria procesów kadziowych w metalurgii stali,
Politechnika Częstochowska, 2008 ISBN 9788371933936.
2. Stecko J., Różański P., Borecki M., Szypuła I., Niesler M.:
Wdrożenie analizy termicznej i programu do obliczeń termoche-
micznych w IMŻ, Sprawozdanie IMŻ, nr S0-0749, 2010, niepublikowane.
3. Yastreboff M., Ostrovski O., Ganguly S.: ISIJ International,
t. 43, nr 2, 2003, s. 161-165.