FactSage软件在有色冶金中的应用

中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙热力学软件FactSage在有色冶金中的应用曹战民谢伟乔芝郁北京科技大学冶金与生态工程学院有色金属冶金系中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙1ReactionPredomE-pHEquilibPhaseDiagramOptiSageViscosityFactOptimalFactSage软件的热力学数据库主要内容FactSage软件在有色冶金中的应用FactSage软件的基本计算功能FactPS铜冶金镍冶金铅冶金锌冶金镁冶金其它金属FToxidFTsaltFTmiscFThallFThelgFTpulpFTOxCNFTfrtz中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙21.FactSage软件的基本计算功能中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙•Reaction（化学反应）：计算一个计量化学反应的热力学广延量(H,G,V,S,Cp,A)的变化。•Predom（优势区图）：计算某一温度时不同气氛下体系（1到3种金属元素）中各相的稳定范围。•E-pH（电位-pH）：计算某一温度时水溶液体系（1到3种金属元素）的E-pH图。•Equilib（多元多相平衡计算）：基于吉布斯自由能最小法原理，为软件核心模块。最基本应用是给出某些元素的数量后，计算某温度与压力条件下，体系达到平衡时稳定存在的各相组成及数量。•PhaseDiagram（相图计算）：计算并画出单元、二元、三元以及多元系的等温截面图及液相投影面图。坐标轴可以为温度，压力，组成，活度，化学位、焓等的组合。•OptiSage（相图和热力学的优化与评估）：可以从相图和热化学等实验数据通过CALPHAD技术获得一套自洽的热力学数据。•Viscosity（氧化物熔体的粘度计算）：计算不同组成与温度的氧化熔体（炉渣、煤灰等）的粘度。•FactOptimal（工艺优化计算）：可以进行约束条件下（价格、成分范围等）工艺条件的最优化，优化目标可以为温度、比热、密度、粘度、焓、熵等，这些优化目标也可以作为约束条件。3中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙2.FactSage软件的热力学数据库4数据库主要内容应用领域纯物质FactPS4776种纯物质的热化学数据（焓、熵、热容）以及部分物质的磁性参数、膨胀系数及压缩系数氧化物FToxid超过20种元素的氧化物体系，其中Al2O3、CaO、FeO、Fe2O3、MgO、SiO2等主要组元组成的相关体系已经进行全部浓度范围内的优化与评估冶金、煤燃烧、陶瓷、化工、地质等领域和有色金属火法冶金过程的炉渣、耐火材料等相关体系熔盐FTsalt29种阳离子（Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、NH4、Mn、Al、Fe(II)、Fe(III)、Co、Ni、Pb、La、Ce、Nd、U(III)、U(IV)、Pu(III)、Pu(IV)、Cr(II)、Cr(III)、Mo(V)）和8种阴离子（F、Cl、Br、I、NO3、OH、CO3、SO4）活泼金属的高温熔盐电解过程的电解质体系等电解铝FThall电解铝生产相关熔盐电解质的氟氧化物体系（Al-Mg-Na-Li-Ca-F-O）Al2O3为主的氧化物-电解质-液体铝之间的计算，用于电解铝过程中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙5数据库主要内容应用领域综合FTmisc熔锍体系（S-Cu-Fe-Ni-Co-Pb-Zn-As等）硫化矿的火法熔炼、吹炼等过程Pb液（Pb,Ag,As,Au,Bi,Cu,Fe,Na,O,S,Sb,Sn,Zn）铅的火法熔炼、精炼等过程Cu液（Cu,Pb,Zn,As,Fe,Ni,Au,S,O）铜的吹炼、火法精炼等过程Sn液（Sn,Al,Ca,Ce,Co,Cr,Cu,Fe,H,Mg,Mo,Na,Ni,O,P,S,Se,Si,Ti）锡的火法精炼过程水溶液FThelg超过1400种无限稀溶液的水溶液粒子，使用范围为350oC到165大气压有色金属湿法冶金过程以及金属腐蚀等纸浆和造纸FTpulpNa-K-S-C-O-Cl-H体系用于黑泥和纸浆的回收锅炉中黑液燃烧过程中的相关碱金属盐类的固体及熔体高温碳氧氮FTOxCN极高温度下的Al-(Si-Ca-Mg-Fe)-C-O-N体系铝热还原等过程化肥FTfrtzNH4NO3-NH4H2PO4-NH4Cl-(NH4)2SO4及相对应的钾盐体系含氮肥料制造过程计算，也可用于肥料产物及一些爆炸物的计算中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙63.FactSage软件在有色冶金中的应用世界范围内主要使用FactSage软件的国家（超过1000家大学、研究所和企业）：FactSage软件的主要应用领域：火法冶金材料学湿法冶金电冶金腐蚀行业燃烧陶瓷中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙73.1.铜冶金3.1.1.艾萨法铜熔炼过程的热力学模拟[1][1]张智鑫等人.ISA法铜熔炼过程的一种机理模型[D].北京科技大学，2013.图1.艾萨法工艺流程图2.艾萨炉熔池有效反应区划分研究背景：为了理论分析操作参数对产出的影响，从而获得最佳工艺参数。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙8图3.艾萨炉熔池反应物质流中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙9上述模拟的熔炼过程通过Equilib模块的宏程序编程以及平衡计算来实现，计算结果如下：表1.计算值与生产值的比较中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙10图4.熔体及烟气温度随加入焦炭量的变化图5.熔体及烟气质量随加入焦炭量的变化图6.熔体及烟气温度随加入石英石量的变化图7.熔体及烟气质量随加入石英石量的变化中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙图9.熔体及烟气质量随富氧浓度的变化图8.熔体及烟气温度随富氧浓度的变化小结：通过对艾萨炉熔池有效反应区的划分，确定了各个反应区的物质流，进而利用Equilib模块的宏程序和平衡计算对熔炼过程进行了热力学模拟。计算的熔体和烟气温度、冰铜和渣组分与生产值基本相同，但烟气组分和渣中铜、铁含量有所差别，说明建立的模型基本可行但需进一步完善；理论分析了焦炭、石英石加入量和富氧浓度对熔体及烟气温度和质量的影响。11中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙123.1.2.铜渣液相线温度的计算[2][2]H.M.Henao,etal.MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,2010,41(6):1183-1193.图10.计算的铜渣液相线温度与实验值的比较在铜饱和，MgO、Al2O3含量及氧分压一定的条件下，利用PhaseDiagram模块计算该体系液相面投影图，再将实验值叠加比较可知：•磷石英（Tridymite）初晶区：计算的液相线温度与实验值基本一致。•尖晶石（Spinel）初晶区：计算的液相线温度比实验值低~10oC。研究背景：铜渣化学性质的控制对于生产工艺的稳定性很重要；要改善铜冶炼工艺，还需知道CaO、MgO、Al2O3的加入对渣性质的影响。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙13图11.计算的铜渣液相线温度随Fe/SiO2的变化利用PhaseDiagram模块分别计算了不含CaO、MgO、Al2O3（点线）和目标组成（虚线）下Fe/SiO2对液相线温度的影响：•随着Fe/SiO2增加，磷石英（Tridymite）液相线温度显著降低，而尖晶石（Spinel）液相线温度缓慢升高，与实验值基本一致。•当Fe/SiO2比一定时，加入CaO、MgO、Al2O3使磷石英液相线温度急剧降低，而尖晶石液相线温度大约升高20oC。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙14图12.计算的渣中铜含量随温度的变化利用Equilib模块计算了CaO、MgO、Al2O3含量和氧分压一定时，渣中铜含量随温度的变化关系：•随着温度的升高，渣中铜含量逐渐降低，计算值比实验值约低0.3-0.4wt.%。小结：用PhaseDiagram模块计算了铜渣的液相线温度和CaO、MgO、Al2O3含量及Fe/SiO2对液相线温度的影响，用Equilib模块计算了渣中铜含量随温度的变化关系，计算值和实验值吻合较好。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙153.2.镍冶金3.2.1.镍冶炼新渣型成分范围选择[3][3]张振强等人.中国有色冶金，2013,(1):70-73.研究背景：为解决高硅酸铁废渣利用中还原提铁困难的问题，需对渣型进行改型研究，从而控制在低熔点(1200oC)区域。着色区：熔点在1100-1200oC间的炉渣组成着色区内空白：熔点在1100oC下的炉渣组成图13.不同MgO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图利用PhaseDiagram模块进行计算，低熔点区域随MgO含量并无显著变化，铁硅比范围为1.3-1.8。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙16图14.不同CaO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图低熔点区随CaO含量增加而扩大，铁硅比范围为1.2-2.0。小结：利用PhaseDiagram模块计算渣系的液相面投影图，初步确定了既满足镍冶炼工艺的要求，又利于降低后期镍渣提铁难度的炉渣成分范围：7%-9%MgO，10%-15%CaO，铁硅比1.3-1.8。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙173.2.2.含铜镍渣湿法浸出工艺提取铜和镍[4]研究背景：为了有效回收含铜镍渣中的有价金属，理论分析了含铜镍渣酸浸出过程的热力学条件。图15.Cu-H2O体系100oCE-pH图[4]H.M.Henao,etal.MetallurgicalandMaterialsTransactionsB,2010,41(6):1183-1193.利用E-pH模块计算了Cu-H2O体系100oC的E-pH图：•Cu(OH)2(s)在一定pH和电位条件下，可转换为Cu2+或Cu+进入溶液。•Cu2O(s)在一定pH和电位条件下，可转换为Cu+进入溶液。•从热力学上来看，铜在酸性条件下可以被溶解进入溶液中。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙18图16.Ni-H2O体系100oCE-pH图利用E-pH模块计算了Ni-H2O体系100oC的E-pH图：•NiO(s)在电位大于-0.4，pH为-2至7.8范围内以Ni2+形式存在于溶液中。•当pH大于9时以HNiO2-形式存在于溶液中。•从热力学上来看，镍在酸性或碱性条件下都可以被溶解进入溶液中。小结：用E-pH模块计算了100oC时Cu-H2O、Ni-H2O系E-pH图，确定了此温度下Cu、Ni的存在类型及各物质的稳定区域，从理论上分析了含铜镍渣酸浸出过程的热力学条件。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙193.3.铅冶金3.3.1.高炉炼铅过程热力学模拟[5]研究背景：为了解高炉炼铅过程中的物理化学行为以及操作参数对产出的影响，从而获得最佳工艺参数。[5]P.F.Tan.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2005,15(1):160-164.表2.计算值与生产值的比较输入实际的生产数据后，利用Equilib模块计算得到渣、粗铅和铅锍的组成和含量。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙20图17.焦炭加入量对熔炼温度的影响图18.焦炭加入量对铅分布的影响•随着加入焦炭量的增加，熔炼温度不断降低。•随着加入焦炭量的增加，Pb在气相和渣中的含量逐渐减少，而在粗铅中的含量逐渐增加。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙21图19.鼓风量对熔炼温度的影响图20.鼓风量对渣中铅含量的影响•随着鼓风量的增加，熔炼温度不断升高，对于不同的焦炭量，温度最后趋于一定值。•随着鼓风量的增加，Pb在渣中的含量逐渐增加。小结：用Equilib模块对高炉炼铅过程进行热力学模拟，得到的渣和粗铅成分和生产值基本一致，但铅锍的组分含量和生产值有所差别；分析了焦炭和鼓风量对熔炼温度和铅的影响。中国有色金属冶金第一届学术会议湖南·长沙223.4.锌冶金3.4.1.渣中锌回收率的计算[6]研究背景：为了有