PRZYKŁADY WYKORZYSTANIA PROGRAMU KOMPUTEROWEGO FACTSAGE W PRACACH BADAWCZYCH Z OBSZARU METALURGII ŻELAZA I STALI

Transkrypt

1 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 przemysłowych (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.

2 32 Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko Prace IMŻ 3 (2011) 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. 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, generowanie 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 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 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 była temperatura (w zakresie do 1200 o 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.

3 Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage 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: Fe 3 O 4 +2C " 3Fe +2CO 2 czemu odpowiada przypadek zilustrowany na rys. 1a (1 mol Fe 3 O mole C), niemożliwe jest uzyskanie pełnej redukcji tlenków do metalicznego żelaza. Zwiększając udział reduktora węglowego, udział fazy FeO w temperaturach powyżej 700 o C systematycznie maleje. Po przekroczeniu udziału 2,85 mola węgla przypadającego na jeden mol Fe 3 O 4 pojawia się samodzielna faza żelaza metalicznego w temperaturze powyżej 700 o C. Wraz z dalszym wzrostem udziału węgla przedział temperaturowy występowania całkowitej redukcji do Fe metalicznego rozszerza się. Dla przykładu, w przypadku proporcji Fe 3 O 4 do C jak 1 mol: 3 moli całkowita redukcja żelaza występuje w przedziale temperatur od 700 do ~830 o C (rys. 1b). Dopiero, przy proporcji udziału masowego magnetytu do węgla jak 1:0,17 (1 mol Fe 3 O 4 + 3,25 mola C) w zakresie temperatur od 700 o C do 1200 o C żelazo występuje jako jedyna faza stała (rys. 1c). Po przekroczeniu 3,91 mola udziału węgla w reakcji z jednym molem Fe 3 O 4 w temperaturze około 885 o 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 CO 2 (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 do ~480 o C i wynoszący około 3% masy związany jest a) b) c) d) Rys. 1. Redukcja magnetytu węglem w temperaturze od 400 do 1200 C. a) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,1 (1 mol Fe 3 O mole C), b) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,2 (1 mol Fe 3 O 4 + 3,25 mola C), c) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:0,21 (1 mol Fe 3 O mole C), d) Mieszanka sporządzona w stosunku wagowym 1:1 (1 mol Fe 3 O ,3 mola C) Fig. 1. Reduction of magnetite with carbon at 400 to 1200 C

4 34 Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko Prace IMŻ 3 (2011) Rys. 2. Analiza termiczna mieszaniny rudy magnetytowej (koncentrat) z koksikiem prowadzonej w atmosferze CO 2 Fig. 2. Thermal analysis of the mixture of magnetite ore (concentrate) and quick coke conducted in CO 2 atmosphere z usuwaniem wody związanej, o czym świadczy pik na krzywej dla amu 18 (H 2 O) analizy QMS, trzeci z pikiem endotermicznego efektu na krzywej DTA w temperaturze 784 o C i czwarty zanotowany w temperaturze powyżej 1000 C, związane są z procesem redukcji Fe 3 O 4 co potwierdza przebieg krzywej dla amu 44 (CO 2 ) 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 471,7 o C i 784,4 o C. Redukcja rudy hematytowej za pomocą reduktora węglowego w postaci koksiku, w obecności CO 2, oraz zgorzeliny za pomocą reduktora węglowego w atmosferze CO 2 Obliczenia wykonano przyjmując uproszczony skład rudy (Fe 2 O 3 +FeO+Fe) i koksiku, uwzględniając w nim udział węgla, dla dwóch przypadków procesu redukcji różniących się udziałem CO 2 (rys. 3). Mieszankę rudy i koksiku zestawiono w stosunku wagowym jak 1:1. Obliczenia wykonano dla różnych ilości CO 2 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 900 o C. Analiza termiczna TG/DTA+QMS w dużym stopniu potwierdza wynik obliczeń. Po usunięciu wody związanej i niezwiązanej (w temperaturze do około 322,5 o C), odnotowano spadek masy z różną szybkością, przy czym szczególnie szybki spadek masy występuje powyżej temperatury około 950 o C. Spadki masy powyżej temperatury 600 o C 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% Fe 2 O 3 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 820 o C z przyspieszeniem w temperaturze od około 1050 o C. 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 700 o C a niższych od 900 o C, 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 CO 2 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 CO 2, 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.

5 Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage a) c) b) Rys. 3. Symulacja redukcji rudy hematytowej reduktorem węglowym w postaci koksiku, w obecności CO 2 (a i c) oraz analiza termiczna rudy hematytowej w mieszaninie z koksikiem w atmosferze CO 2 (b) Fig. 3. Simulation of the reduction of hematite ore with carbon regulator (quick coke), in presence of CO 2 (a and c), and thermal analysis of hematite ore in mixture with quick ore in CO 2 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 zmienności Zakres dodatku CaSi35%, w % masy od 0 do 0,0286 Temperatura, o C 1600 Ciśnienie, atm 1

6 36 Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko Prace IMŻ 3 (2011) 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 składzie chemicznym w temperaturze 1600 o C, fazy stałego siarczku wapnia oraz zmian masy siarki w fazie żużlowej w funkcji dodatku CaSi (35% Ca) przedstawiono na rys. 5. 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 1600 o C, 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 1600 o C, pressure 1 atm. 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. 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 = 1600 o C, p = 1 atm, przy użyciu CaSi i żużla (w ilości 2% masy metalu): 1) żużel 44,4% CaO, 44,4% Al 2 O 3, 11,25% SiO 2, 2) żużel 47,5% CaO, 47,5% Al 2 O 3, 5% SiO 2 Fig. 6. Secondary treatment of liquid steel containing: 0.2% C, 0.8% Mn, 0.23% Si, 0.02% Al, 0.015% S, % O; T = 1600 o C, p = 1 atm, with use of CaSi and slag (in the amount of 2% of metal weight): 1) slag 44.4% CaO, 44.4% Al 2 O 3, 11.25% SiO 2, 2) slag 47.5% CaO, 47.5% Al 2 O 3, 5% SiO 2 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 1553 o C. 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 Zawartość pierwiastka, w % masowych C Mn Si S P * Al C O C 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 Zakres zmienności Tlen całkowity, % masy od 0 do 0,008 Wapń, % masy od 0 do 0,006 Glin całkowity, % masy od 0 do 0,06 Temperatura, o C od 1400 do 1600 Zakres przeprowadzonych obliczeń objął przebieg procesów wydzielania faz niemetalicznych w funkcji zawartości O C, Al C (rys. 7a), Ca (rys. 7b) i temperatury ciekłej stali.

7 Przykłady wykorzystania programu komputerowego FactSage a) b) c) d) e) Rys. 7. Przebieg procesów wydzielania faz niemetalicznych w kąpieli stalowej o składzie chemicznym: 0,07% C, 0,4% Mn, 0,05% Si, 0,015% S, 015% P, 0,005% Al, 0,002% O, (reszta Fe), w temperaturze 1553 o 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 = Al 2 O 3 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 1553 o C Przy zastosowaniu programu można także określić udział poszczególnych pierwiastków w ciekłej fazie żużlowej, a na tej podstawie skład wtrąceń, jakie ją tworzą ANALIZA PROCESU SPALANIA PALIW WĘGLOWYCH Wykonano obliczenia symulacyjne procesu spalania koksiku w atmosferze powietrza. Do obliczeń przyjęto

8 38 Piotr Różański, Mariusz Borecki, Janusz Stecko Prace IMŻ 3 (2011) 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 25 o C. Zostało one zdefiniowane w module Mixture i użyte jako wielkość zmienna w obliczeniach. Pozostałe parametry uwzględnione w obliczeniach zebrano w tablicy 6. Tablica 5. Skład chemiczny koksiku, % Table 5. Chemical composition of quick coke, % C S CH 4 FeO SiO 2 CaO Al 2 O 3 85,5 0,6 1, ,5 3,1 Tablica 6. Parametry uwzględnione w obliczeniach Table 6. Parameters considered in calculations Parametr Wielkość Masa koksiku, g 100 Zakres dodatku powietrza, g od 0 do 1200 Temperatura koksiku, o C 500 Ciśnienie, atm 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), 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. 4. PODSUMOWANIE 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) Rys. 8. Spalanie koksiku w atmosferze powietrza. Temperatura początkowa koksiku 500 o C: 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 500 o C

9 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 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 Stecko J., Różański P., Borecki M., Szypuła I., Niesler M.: Wdrożenie analizy termicznej i programu do obliczeń termochemicznych w IMŻ, Sprawozdanie IMŻ, nr S0-0749, 2010, niepublikowane. 3. Yastreboff M., Ostrovski O., Ganguly S.: ISIJ International, t. 43, nr 2, 2003, s