نقد و بررسی محاسبات ترمودینامیکی در فولادسازی

[Peyman 16150]

فرایند فولادسازی به معنای ساده یعنی تصفیه مذاب آهن و اضافه کردن عناصر آلیاژی برای ایجاد خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مناسب در فولاد

 

یه مجتمع فولادسازی یکپارچه بخش های مختلفی رو داره که واحدهای اصلی رو به این ترتیب می تونیم نام ببریم :

 

1) واحد تولید مواد اولیه (سینترینگ، گُندله سازی، کک سازی) در این واحدها عملا مواد اولیه برای تزریق به کوره های آهن سازی، آماده سازی و یا تولید می شوند.

 

2) آهن سازی : روش های مختلفی برای تولید آهن وجود داره که به سه دسته کلی روش سنتی (کوره بلند)، روش احیای مستقیم و روش احیا/ذوب تقسیم می شن.

این روش ها چه تفاوتی با هم دارن؟

خیلی ساده تفاوتشون رو می تونیم بر اساس نوع ماده احیا کننده و شکل اونها طبقه بندی کنیم.

شارژ اصلی کوره های آهن سازی می دونیم که سنگ آهن هست.

سنگ آهن مشابه بسیاری از سنگ های معدنی حاوی اکسیدهای عناصر مختلف هست

به طبع سنگ آهن در وهله اول حاوی غلظت بالایی از اکسیدهای آهن با ظرفیت های مختلف هست یعنی هماتیت، مگنتیت و ووستیت

به علاوه اکسید عناصر دیگر هم به همراه اکسیدهای آهن وجود دارن

این اکسیدها تا غلظت معینی در مرحله آهن سازی باید حذف بشن، به عبارتی تصفیه بشن

این تصفیه کردن همون عملیات اکسیداسیون و احیاست

در واقع کاری که در کوره های آهن سازی انجام می شه واکنش های احیایی حاصل از گازهای احیا کننده با اکسیدهای موجود در سنگ آهن هست.

 

اگر برگردیم به تقسیم بندی روش های آهن سازی، گفته شد که یکی از مهمترین پارامترهای متغییر در این روش ها، تغییر در ماده احیا کننده است.

یعنی در روش کوره بلند از کک برای تولید گاز احیا کننده CO استفاده می شه و در روش احیای مستقیم از گاز طبیعی

 

این موضوع رو تا اینجا داشته باشیم، بریم سراغ بخش فولادسازی

 

3) فولادسازی: چرا اساسا باید مذاب آهن رو به فولاد تبدیل کنیم؟

مهمترین دلیلش حضور درصد بالایی از کربن تو مذاب آهن هست.

با افزایش درصد کربن، چقرمگی فولاد می ره بالا، یعنی انعطاف پذیریش کم می شه

این کاهش انعطاف پذیری باعث می شه تا گاهی اوقات حتی فولاد با یک ضربه بشکنه !

پس تو مرحله فولادسازی، درصد کربن در کوره تنظیم می شه، همچنین درصد سایر عناصر

در واقع با تزریق کربن و اکسیژن به کوره و واکنش های احیا و اکسیداسیون، درصد این عناصر مطابق با فولاد درخواستی با ترکیب شیمیایی معلوم در هنگام بارریزی تنظیم می شه.

 

تو مرحله بعد آلیاژ سازی فولاد رو داریم

 

4) متالورژی یا فولادسازی ثانویه

کاری که تو این مرحله انجام می شه اضافه کردن یه سری عناصر آلیاژیه

چرا این عناصر رو تو همون مرحله قبل اضافه نمی کنن؟ چون در هنگام تزریق اکسیژن و کربن، این عناصر واکنش می دن و عملا از فاز مذاب فولاد خارج می شن

چرا می گن فولادسازی ثانویه ؟ چون یه مرحله فولادسازی پیش از این انجام شده

در عمل در این مرحله کاری که انجام می شه، رسوندن فولاد به ترکیب مورد نظر برای گرفتن خواص مکانیکی، فیزیکی و شیمیایی مورد نظر هست.

 

5) ریخته گری

تو این مرحله مذاب از پاتیل های نگهدارنده در مرحله متالورژی ثانویه، مستقیما قالب ریزی می شن و یا به مرحله ریخته گری پیوسته فرستاده می شن.

 

 

خب !

این آشنایی خیلی مختصر از جریان فولادسازی بود و به این دلیل بیان شد که فرایند اصلی رو بشناسیم.

قطعا توضیحات بیشتر رو در مورد فولادسازی در فاصله همین تاپیک می دم.

 

اما هدف از این تاپیک

ترمودینامیک یکی از دروس مشترک بین تمامی رشته هاست و البته یکی از دروس پایه

 

بسیاری از ما می دونیم، آنتالپی و آنتروپی و انرژی آزاد چیه.

می دونیم اکتیویته و پتانسیل شیمیایی یعنی چی.

می دونیم نمودار ریچاردسون به چه دردی می خوره.

محلول ها رو می شناسیم و روابطشون رو می دونیم و بعضا مثل آب خوردن می تونیم انرژی آزاد mix رو حساب کنیم.

 

اما زمانی که ارتباط این موارد مطرحه، بعضا به مشکل می خوریم.

 

هدف از این تاپیک بررسی کاربردی علم ترمودینامیک هست، البته در سطح همون تعاریف و پارامترهایی که می دونیم.

 

این کار رو می تونیم تو زمینه فولادسازی انجام بدیم

برای اینکه نتیجه عملی این کار رو داشته باشیم.

 

تمام اطلاعات اولیه شامل واکنش ها و انرژی آزاد، نمودارهای دو فازی و سه فازی و ... در مورد فولاد سازی رو هر جا لازم شد، من میذارم.

 

بعضا در جاهای مورد نیاز مقادیر محاسبه شده توسط نرم افزار FactSage رو هم قرار می دم.

در مورد FactSage هم در صورت نیاز توضیحات بیشتر رو می ذارم، اما همگی می دونیم که نرم افزار محاسبات ترمودینامیک هست.

 

 

سوال رو اینطور مطرح کنیم که :

مواد اولیه با ترکیب شیمیایی مشخص و وزن معلوم داریم

فولاد ایکس با ترکیب شیمیایی معلوم رو می خوایم

 

برای راحتی کار کوره رو از نوع قوس الکتریکی انتخاب می کنیم و شارژ کوره رو قراضه فولاد.

 

تو پست بعدی در مورد ترکیب شیمیایی دقیق مواد اولیه و فولاد مورد نظر به همراه واکنش ها فولاد سازی توضیح می دم.

همچنین یه مختصری از کوره قوس الکتریکی و روش کارش.

 

ممنون می شم اگر شما هم از هر رشته ای که با ترمودینامیک آشنا هستید، در این تاپیک حاضر بشید و اطلاعاتتون رو در اختیار دیگران قرار بدید و کمک کنید به پیشبرد محاسبات

 

 

 

 

[rahele_s 6472]

مرسی از توضیحات بسیار خوب و واضحی که دادی پیمان جان:rose:

من یه سوال داشتم این نمودار ریچاردسون فقط تو فرآیند فولاد سازی کاربرد داره ؟

(آخه به ما فقط نمودار الینگهام یاد دادن)

[Peyman 16150]

منظورت باید نمودار زیر باشه راحله جان که در اینصورت فرقی ندارن.

این نمودار رو هم الینگهام ریچاردسون می گن و هم نمودار Richardson Jeffes

 

 

 

از همین نمودار شروع کنیم، چرا که یکی از مهمترین نمودارهای فولادسازی است.

این نمودار در واقع چند جور اطلاعات به ما میده

داده هایی مثل انرژی آزاد یا آنتالپی آزاد و فشار اکسیژن و ....

 

دو تا واکنش رو خیلی ساده بررسی کنیم:

 

اولین واکنش :

3/2[Fe]+ O2= 1/2(Fe3O4)

 

دومین واکنش :

4/3[Cr]+ O2= 2/3(Cr2O3)

 

رابطه انرژی آزاد رو می دونیم که متناسب هست با مقدار لگاریتم ثابت تعادل واکنش های بالا.

اگر فرض کنیم که محلول حالت ایده آل داره، در اینصورت مقدار انرژی آزاد متناسب با لگاریتم عکس فشار اکسیژن خواهد بود.

در عمل با تغییر فشار اکسیژن، مقدار ثابت تعادل واکنش هم تغییر خواهد کرد

فشار اکسیژن یعنی چی ؟

اگر محلول رو ایده آل فرض کنیم، در اینصورت ضریب اکتیویته اکسیژن برابر یک خواهد بود و در نتیجه مقدار اکتیویته اکسیژن برابر با فشار اکسیژن خواهد بود.

اکتیویته اکسیژن یعنی چی ؟

یعنی فعالیت شیمیایی اکسیژن در مذاب، به عبارت ساده تر، هر چی مقدار اکسیژن بیشتری در مذاب داشته باشیم، یعنی فعالیت شیمیایی اکسیژن بیشتر خواهد بود.

 

برگردیم سراغ دو واکنش و یک مقایسه خیلی ابتدایی از روی نمودار.

منحنی هر دو واکنش رو از روی نمودار پیدا کنید.

سپس یه خط مستقیم و عمودی رسم کنید طوری که از دمای 1600 درجه سانتیگراد  (محور ایکس) عبور کند و دو منحنی مد نظر رو قطع کند

سپس از نقاط تقاطع با هر منحنی، یک خط افقی رسم کنید، طوری که محور دلتا G را قطع کند.

 

به عنوان یک قانون کلی می دونیم که هر چه مقدار انرژی آزاد منفی تر باشد، یعنی واکنش انجام پذیرتر است.

ملاحظه می شود که مقدار انرژی آزاد واکنش دوم منفی تر از واکنش اول است.

پس این واکنش زودتر انجام می شود.

در عمل میل ترکیبی اکسیژن با کروم و اکسایش آن بیشتر از اکسایش آهن است.

این پدیده بسیار حائز اهمیت است، چرا که به هنگام تولید فولادهای زنگ نزن و فولادهای حاوی کروم بالا،

چنانچه این واکنش کنترل نشود، در اینصورت بخش عمده ای از کروم اکسید شده و وارد فاز سرباره می شود و عملا دو مشکل پدید خواهد آمد:

1. خروج کروم و کاهش درصد آن در مذاب
   
2. مشکل سرباره حاوی اکسید کروم با غلظت بالا برای تشکیل سرباره فومی
   

 

در پست های بعد در مورد نمودار ریچاردسون و همچنین تعاریف ترمودینامیکی اکتیویته و انرژی آزاد و محلول ها و ... بیشتر توضیح داده می شود.

 

 

 

[سیندخت 18786]

ممنون از توضیح کامل و در عین حال روانی که دادید به خصوص پست اول

منتظر ادامه بحث هستیم.....

 

 

فقط توی پرانتز در مورد مثال نمودار بالا و نحوه پیدا کردن دلتا G من واکنش اول رو اصلا در نمودار نمی بینم. دو تا واکنش دیگه از آهن رو می بینم

 

البته فکر نمی کنم فعلا اهمیتی داشه باشه! با مطرح کردن دقیق مسئله و ادامه بحث احتمالا روشن خواهد شد.

[Peyman 16150]

ممنون از توضیح کامل و در عین حال روانی که دادید به خصوص پست اول

منتظر ادامه بحث هستیم.....

 

 

فقط توی پرانتز در مورد مثال نمودار بالا و نحوه پیدا کردن دلتا G من واکنش اول رو اصلا در نمودار نمی بینم. دو تا واکنش دیگه از آهن رو می بینم

 

البته فکر نمی کنم فعلا اهمیتی داشه باشه! با مطرح کردن دقیق مسئله و ادامه بحث احتمالا روشن خواهد شد.

 

بله دقیقا حق با شماست

تو این شکل برای Fe3O4 رسم شده که پست قبل رو تصحیح کردم.

 

واکنش تشکیل ووستیت (FeO) یکی از واکنش های بسیار مهم سرباره در کوره های قوس الکتریکی است، در عمل به ناخودآگاه این دو واکنش رو بدون توجه به شکل نوشتم.

 

ممنون از دقت نظرتون.

[Peyman 16150]

بریم رو اکتیویته، یکی از مفاهیم مهم تو ترمودینامیک

اکتیویته یعنی فعالیت، فعالیت عنصر آزاد و یا کامپوننت در سیستم

سیستم یعنی یه محیط، یه ترکیب، مثلا مذاب یه سیستمه متشکل از عناصر محلول در آهن و یا سرباره یه سیستمه متشکل از فازهای مختلف مثل اکسید عناصر مختلف مانند MnO, SiO2, CaO, MgO

 

برای بررسی اکتیویته یه عنصر و یا یک ترکیب در مذاب آهن و یا سرباره، باید اول محلول ها رو بشناسیم و بدونیم فرضا حلالیت منگنز، سیلسیم، فسفر، اکسیژن و ... در آهن چه طوریه، یعنی لازمه که ترمودینامیک محلول ها رو بدونبم

ساده ترین نوع محلول ها، دسته ای هستند که از خودشون رفتار رائولتی نشون می دن، تو این قسمت یه کم رو محلول های رائولت تمرکز می کنیم. به محلول های هنری تو قسمت های بعد می رسیم.

 

تو محلول های رائولتی، تغییرات اکتیویته متناسب با تغییر درصد وزنی عنصر محلول هستند. یعنی چی ؟

این رابطه نسبت اکتیویته به درصد وزنی رو نشون می ده : کسر وزنی × ضریب اکتیویته = اکتیویته

 

تو محلول های رائولتی ضریب اکتیویته برابر یک هست و در نتیجه اکتیویته عنصر i برابر خواهد بود با کسر وزنی عنصر i در محلول.

اگر یه سیستم دو تایی A-B داشته باشیم طوری که در شکل زیر A روی محور سمت چپ و B رو محور سمت راست قرار داشته باشه.

در اینصورت در راستای خط آبی، جاییکه ترکیب محلول برابر A-50%B مقدار اکتیویته A برابر 0.5 و مقدار اکتیویته B نیز برابر 0.5 خواهد بود.

و یا در حالتی دیگر جاییکه ترکیب محلول برابر A-70%B مقدار اکتیویته A برابر 0.3 و مقدار اکتیویته B برابر 0.7 خواهد بود.

 

 

در ادامه به بررسی کاربردی تر مفهوم اکتیویته می پردازیم و با توجه به اینکه اغلب محلول ها در سیستم مذاب و سرباره رفتار غیر ایده آل دارن و از قانون رائولت پیروی نمی کنن، به موضوع ضریب اکتیویته نیز اشاره می شه.