Виды моделирования металлургических процессов
ТД моделирование приобретает все бóльшее практическое значение, так как технология промышленных процессов усложняется, путь от постановки задачи до ее решения становится все длиннее, и именно ТД методы призваны в значительной степени сократить затраты технологов и исследователей.
Область применения методов ТД моделирования весьма обширна. Это фазовые и химические равновесия в растворах, равновесия в геохимических процессах, при переработке нефти, угля, процессы переработки газообразного сырья и получения конденсированных материалов, разделение веществ и рафинирование различных металлов и материалов, осаждение пленок из газовой фазы, металлургические процессы. Термодинамику можно использовать в качестве основы при проведении исследований для анализа и установления связей между составом находящихся в равновесии фаз, электрохимическими параметрами, изменением энтальпии, обусловленным химическими процессами и фазовыми превращениями, давлением в системе, удельной теплоемкостью, температурой фазовых переходов, плотностью, коэффициентами сжимаемости, расширением и другими свойствами.
При ТД анализе преследуется цель произвести согласование отдельных, связанных между собой измерений и получить наиболее полную картину поведения данной системы в различных условиях.
С помощью основных ТД соотношений можно не только представить исходные данные в компактном виде, но также обнаружить и устранить несоответствия между ними или предсказать свойства системы, которые невозможно наблюдать экспериментально. Фазовые равновесия в сложных химических системах (а к таким и можно отнести карботермическое восстановление кремнезема в электродуговых печах) можно моделировать на основе анализа данных, полученных для более простых подсистем. Если эти данные рассматривать совместно, то можно делать предсказания относительно фазового равновесия и ТД свойств очень больших систем. Возможность получения надежных расчетных данных для таких больших систем весьма ценна, так как при использовании материалов, состоящих из многих компонентов, возникают большие проблемы. Экспериментальные исследования данных систем не позволяют надеяться, что в ближайшее время удастся удовлетворительно исследовать их в интересующих температурных и концентрационных интервалах и при необходимых давлениях за короткий (оптимальный) промежуток времени при минимальных капиталовложениях. В таких случаях ТД анализ и последующие расчеты могут либо полностью разрешить проблему, либо указать пути и области, в которых необходимо провести дополнительные экспериментальные исследования.
Большое распространение получили методы, основанные на вариационных принципах термодинамики. В качестве примера можно привести принцип минимизации энергии Гиббса, что является основой программного комплекса (ПК) «Селектор», используемого в наших исследованиях; минимизации потенциала ; методы, основанные на поиске максимума энтропии и соответствующие равновесному состоянию системы. Данные подходы обладают высокой универсальностью и могут быть применены для нахождения равновесия многокомпонентных и многофазных систем.
Несмотря на многочисленные исследования, вопрос о химическом механизме процессов окисления, в том числе и высокотемпературного, все еще остается спорным. Наличие нескольких, во многом противоречивых представлений, обусловлено сложностью самого процесса и затруднениями при его экспериментальном изучении. В таких условиях модельный эксперимент дает возможность с высокой точностью рассчитать ТД равновесия в мультисистеме, качественно и количественно исследовать процесс со всем многообразием протекающих при этом реакций. Определение равновесного фазового и компонентного состава осуществляется в процессе минимизации свободной энергии (энергии Гиббса) всей мультисистемы. Под мулътисистемой понимают систему, в которой число фаз превышает число независимых компонентов в исходных условиях. Независимые компоненты – это химические элементы, оксиды или более сложные соединения, из которых путем линейной комбинации с положительными коэффициентами могут быть получены зависимые компоненты, составляющие мультисистему (ионы, газы, жидкости, минералы, интерметаллиды, химические соединения).
Целесообразность такого ТД анализа (с применением методов минимизации свободной энергии Гиббса) определяется наличием достаточно надежных, основных ТД свойств веществ, опираясь на которые можно сделать обоснованные предположения о продуктах реакции. По мере накопления соответствующих данных применение ТД анализа в современных исследованиях (в том числе при получении технического кремния) получает все более широкое распространение.
В настоящее время можно выделить три основных ПК, основанных на принципе минимизации свободной энергии (по Д. Гиббсу) и отвечающих задачам моделирования физико-химических процессов в металлургии. Первым в 1973 г был разработан ПК «Селектор», позволяющий использовать мультисистемы с любым набором фаз, превышающим реальное их число, применять критерии равновесия при расчете фаз. Данный ПК предназначался для физико-химического моделирования процессов минералообразования. ПК «Гиббс» предполагает использование различных наборов ограниченного числа фаз, определение равновесного состава путем последовательного перебора фаз (год создания – 1976). Определение равновесного состава путем расчета в системе максимума энтропии, ограничения на использование «фаз – растворов» электролитов, является основной особенностью алгоритма минимизации и расчета равновесных составов ПК «Астра», разработанного в 1982 г.
ПК «Селектор» по сравнению с другими («Гиббс», «Астра») хорошо адаптирован к моделированию металлургических процессов. Особенностью данной программы было то, что она позволяла осуществить минимизацию свободной энергии в ТД системе, включающей впервые (наряду с газообразными и твердыми фазами) водный раствор электролита. На сегодняшний день данный ПК является благодаря глубоким теоретическим разработкам в течение более 30 лет наиболее универсальным и методически обоснованным программным продуктом, получившим большую известность у нас в стране и за рубежом.
ТД расчеты, выполненные с помощью ПК «Селектор», показывают возможность каких-либо самопроизвольных процессов, позволяют установить их направление и конечный результат в задаваемых технологических условиях. Основные особенности ПК – эволюционность, рациональная универсальность, модульность, сервисность.
