Controle inteligente de processos com base na termodinâmica computacional Desenvolvimento de Sistema PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul 2007 Adalgiso Nogueira de Castro Filho Eng Mec, MSc, PhD

Introdução A base científica O método CALPHAD Concepção formal A ferramenta CALPHAD Uma aplicação Conclusões Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Sumário

Introdução

A base científica

O método CALPHAD

Concepção formal

A ferramenta CALPHAD

Uma aplicação

Conclusões

Autor: Adalgiso Nogueira de Castro F PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia Laboratório de Metalurgia Física Autor: Adalgiso Nogueira de Castro F PPGEM - Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul Introdução Núcleo de Termodinâmica Computacional para a Metalurgia Tratamentos de Superfície de Metais Termoquímicos Simulação e Controle de Processos Ferramentas CALPHAD Engenharia e Ciência dos Materiais Cálculo Numérico Termoquímica Programação e Computação de Dados Lógica de Processos de Tratamentos Termoquímicos Sistemas para Controle de Processos Introdução Fonte: http://www.nitrex.com/english/equipment_turnkey.htm Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM

Ferramentas CALPHAD

Engenharia e Ciência dos Materiais

Cálculo Numérico

Termoquímica

Programação e Computação de Dados

Lógica de Processos de Tratamentos Termoquímicos

Sistemas para Controle de Processos

dU =  Q – dW 1ª Lei dS sis + dS viz  0 2ª Lei d(U + PV – TS) T,P  0 (dG) T,P  0 Leis da Termodinâmica: A base científica Variação da energia de Gibbs Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM

Leis da Termodinâmica:

Energia de Gibbs: A base científica Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM

Energia de Gibbs:

Fonte: www.elsevier.com/locate/pmatsci Método CALPHAD O formalismo Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Experimental and “first principles” total energy information (thermochemical and phase equilibrium data) Select thermodynamic models for each phase Optimize model parameters Obtain Gibbs energy functions for each phase in the system (Thermodynamic description) Select the experimental diagrams of the lower order systems, normally binaries and ternaries (Describe known diagrams) More importantly – extrapolate the Gibbs energies of lower order alloy phases to those of higher order alloy phases (Predict unknown higher order multicomponent diagrams)

Método CALPHAD

O modelo: Aplicação do método CALPHAD Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Fórmula

O modelo:

.................................. O esquema de solução: Aplicação do método CALPHAD Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM , ,

O esquema de solução:

.......................................................................................................................................... solução numérica: Aplicação do método CALPHAD Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM

solução numérica:

Desenvolvimento Digital: Num. de Componentes, Fases, Constituintes, Fases estequiométricas Nome e massa de componentes Nome da fase Nome dos constituintes Matriz elementar do constituinte Intervalo de temperatura de validade dos dados Coeficientes e parâmetros de energia Seqüência de procedimentos de leitura: 6 6 11 6 6 3 2 2 1 N H C O Ar Fe 14.007 1.0079 12.011 15.9994 39.948 55.847 Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Aplicação do método CALPHAD

Desenvolvimento Digital:

Num. de Componentes, Fases, Constituintes, Fases estequiométricas

Nome e massa de componentes

Nome da fase

Nome dos constituintes

Matriz elementar do constituinte

Intervalo de temperatura de validade dos dados

Coeficientes e parâmetros de energia

Leitura das condições iniciais Procedimentos auxiliares Procedimentos de controle Cálculo de propriedades Dimensionamento das matrizes Cálculo dos elementos das matrizes Procedimentos iterativos Visualização de resultados Procedimentos e funções: Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Aplicação do método CALPHAD Desenvolvimento Digital:

Leitura das condições iniciais

Procedimentos auxiliares

Procedimentos de controle

Cálculo de propriedades

Dimensionamento das matrizes

Cálculo dos elementos das matrizes

Procedimentos iterativos

Visualização de resultados

Desenvolvimento Digital:

Aplicação da ferramenta CALPHAD A lógica de controle : Conservação da matéria Cálculo de propriedades Análise comparativa Controle Inteligente Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM

A lógica de controle :

, , A lógica de controle: Conservação da matéria Cálculo de propriedades Análise comparativa Controle Inteligente Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Aplicação da ferramenta CALPHAD

A lógica de controle:

Se Composição_Atual <= Composição_Referência - X Então Número_Verificações = Número_Verificações - Y Calcular_Intervalo_Tempo Senão Se Composição_Atual >= Composição_Referência + X Então Número_Verificações = Número_Verificações + Y Calcular_Intervalo_Tempo Fim Se A lógica de controle: Conservação da matéria Cálculo de propriedades Análise comparativa Controle Inteligente Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Aplicação da ferramenta CALPHAD

A lógica de controle:

A lógica de controle: Conservação da matéria Cálculo de propriedades Análise comparativa Controle Inteligente Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Aplicação da ferramenta CALPHAD

A lógica de controle:

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM A ferramenta CALPHAD Cálculo do equilíbrio de fases: Fases presentes no arquivo; Composição (massa elementar dos componentes); Condições de temperatura e pressão e respectivas unidades; Unidades de massa, volume e energia; Visualização de resultados dos cálculos; Comandos e funcionalidades da ferramenta desenvolvida.

Cálculo do equilíbrio de fases:

Fases presentes no arquivo;

Composição (massa elementar dos componentes);

Condições de temperatura e pressão e respectivas unidades;

Unidades de massa, volume e energia;

Visualização de resultados dos cálculos;

Comandos e funcionalidades da ferramenta desenvolvida.

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM A aplicação da ferramenta CALPHAD Controle de processos de nitretação gasosa Parâmetros operacionais (relações entre os constituintes da fase gasosa); Dados de referência para a composição da fase gasosa; Dados de composição atual; Composição inicial do substrato; Constante de equilíbrio da reação de dissociação; Teor de umidade da fase gasosa; Temperatura e pressão dos cálculos e tempo do processo; Funcionalidades.

Controle de processos de nitretação gasosa

Parâmetros operacionais (relações entre os constituintes da fase gasosa);

Dados de referência para a composição da fase gasosa;

Dados de composição atual;

Composição inicial do substrato;

Constante de equilíbrio da reação de dissociação;

Teor de umidade da fase gasosa;

Temperatura e pressão dos cálculos e tempo do processo;

Funcionalidades.

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM A aplicação da ferramenta CALPHAD Controle de processos de nitretação gasosa Temperaturas de referência, ambiente e temperatura atual do processo; Número de verificações de composição atual do sistema em cada etapa do processo; Número da verificação atual e número total de verificações; Unidade de tempo entre as verificações , tempo atual e tempo previsto para a reintrodução da composição de referência; Área de visualização do desenvolvimento do processo temoquímico.

Controle de processos de nitretação gasosa

Temperaturas de referência, ambiente e temperatura atual do processo;

Número de verificações de composição atual do sistema em cada etapa do processo;

Número da verificação atual e número total de verificações;

Unidade de tempo entre as verificações , tempo atual e tempo previsto para a reintrodução da composição de referência;

Área de visualização do desenvolvimento do processo temoquímico.

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM A aplicação da ferramenta CALPHAD Controle de processos de nitretação gasosa Áreas de visualização de dados de composição atual da atmosfera do processo; Dados de referência utilizados no controle.

Controle de processos de nitretação gasosa

Áreas de visualização de dados de composição atual da atmosfera do processo;

Dados de referência utilizados no controle.

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Em preliminar, cabe referir, aparentemente o estudo desenvolvido preenche uma lacuna, na área da engenharia e ciência dos materiais no nosso país, em decorrência da inexistência ou ausência de notícias sobre a existência de ferramentas similares com desenvolvimento conduzido por pesquisadores nacionais. Conclusões :

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM 1. Considerando-se os resultados produzidos nos diversos cálculos realizados com a ferramenta desenvolvida neste estudo, pode-se concluir: a) Com base em um conjunto consistente de dados termoquímicos e um modelo desenvolvido neste estudo foi possível descrever adequadamente as propriedades de estado de todas as fases (fase gasosa, compostos condensados estequiométricos e fases soluções sólidas) normalmente presentes nos sistemas Fe-C e Fe-N; b) Foi desenvolvida uma ferramenta CALPHAD, para cálculos de equilíbrio de sistemas multifásicos, com os recursos e funcionalidades compatíveis com o atual estágio de desenvolvimento da ferramenta; Conclusões :

Universidade Federal do Estado do Rio Grande do Sul PPGEMM Conclusões : c) Inexiste qualquer impedimento para que a ferramenta desenvolvida possa incorporar outros modelos ou para que sejam desenvolvidas funcionalidades de pós-processamento de resultados adicionais; d) Pode-se concluir que o sistema de controle dos processos termoquímicos desenvolvido no estudo, se aplicada na indústria, certamente terá reflexos positivos na competitividade da produção industrial, em função das vantagens inerentes à automação de processos inteligentes.

FIM