FACTSage在冶金中的应用

1FACTSage软件在冶金工程中的应用吕学伟重庆大学材料科学与工程学院重庆大学冶金专业重庆大学冶金工程学科创建于1935年，是国内最早设立的冶金学科之一。魏寿昆、蒋道江等一大批著名的冶金学家曾在重庆大学任教。1982年钢铁冶金专业成为全国首批硕士授权点，1990年取得钢铁冶金专业博士点，2000年取得冶金工程一级学科博士点。2007年钢铁冶金被评为国家重点（培育）学科。国家级“钢铁冶金”双语教学示范基地。现有教师31人，其中教授10人，副教授12人。每年招收本科生90人，研究生50人。2内容简介•FACTSage软件介绍•热力学基础及计算原理•计算数据后处理方法•计算案例分析3内容简介•FACTSage软件介绍•热力学基础及计算原理•计算数据后处理方法•计算案例分析4FACTSage软件介绍化学热力学领域中世界上完全集成数据库最大的计算系统之一，创立于2001年，是FACT-Win和ChemSage两个热化学软件包的结合。5FactSage6.2wasreleasedinNovember2010.FactSage6.3wasreleasedinMay2012.其他数据库有：Thermo-CalcPandatHSCMaterialsStudioFACTSage6.3新功能6界面更人性化扩充数据库丰富了文档粘度模块：增加了PbO的计算模型FACTSage能干什么？计算化学反应是否进行Reaction计算复杂反应体系的平衡时状态Equilibrium计算多元体系的相图Phasediagram+Predom7查询热力学数据计算热力学问题整理计算结果元素在渣/金间的平衡分配多元炉渣体系的平衡相金属氧化和还原的热力学条件内容简介•FACTSage软件介绍•热力学基础及计算原理•计算数据后处理方法•计算案例分析8热力学计算的基本原理如何计算一个化学反应的自由能和平衡常数？Forexample:Fe2O3+3C=2Fe+3CO9ΔGº=ΔHº-TΔSº=-RTlnKeqoHoS通过查找热力学数据表获，分别查找反应物和生成物的。最后通过计算，得倒自由能的数据；可以考察温度对自由能的影响和对平衡常数的影响。通过查找热力学数据表获，分别查找反应物和生成物的。只要确定了化学反应、压力、温度区间、甚至活度，软件可以自动计算结果！反应体系平衡的热力学计算•回顾最简单的算例：C-O体系的平衡计算10C+O2=CO22C+O2=2CO不考虑化学平衡质量守恒质量守恒！计算过程满足的条件：化学反应可以发生整个体系的化学反应自由能最小原理！所有可能的化学反应进行组合，使体系自由能最小！数学上的最优化理论（线性规划、遗传算法、蒙特卡罗算法等）反应体系平衡的热力学计算1.给出反应体的所有物质2.列出所有可能的生成物3.寻找可能发生的化学反应4.体系自由能最小化原理11冶金体系广泛存在：溶液、熔渣、熔锍！物质的活度理论！必须要选定Solution！相图计算理论•更加复杂体系的平衡体系，同时考虑物相和温度的关系。使用抽象投影的方法显示结果！12多组Equlib计算相率杠杆原理等等投影方式多元体系选择化合物选择数据库给出温度压力能够快速收敛！计算相图经常出现的问题•和经典的相图比较差异大（找出差异的区域）•计算时间长（繁余数据过多）•没有结果(缺物质、不能形成相)考虑物质选择和数据库选择的问题！13内容简介•FACTSage软件介绍•热力学基础及计算原理•计算数据后处理方法•计算案例分析14等值线图的画法1.选定等值线的区域（液相区域+等活度线）2.在选定区域内计算各点的目标值3.对目标值进行整理、划定目标值的水平4.分步将复合目标值的点群汇出15用到Excel或Matlab软件的配合！0.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.20.30.40.50.60.70.80.9CaOAl2O3SiO2molefractionSiO2的等活度曲线0.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.20.30.40.50.60.70.80.9CaOAl2O3SiO2molefraction内容简介•FACTSage软件介绍•热力学基础及计算原理•计算数据后处理方法•计算案例分析17计算案例分析•铁矿粉烧结过程热力学计算•液相量•液相成分•物相•粘度18烧结工艺的热力学计算19液相量液相粘度凝固相EquilibriumModuleViscosity液相生成能力计算20液相生成随温度梯度的改变21烧结过程热效应（绝热计算）22Calculation：140~160kJ/100gMeasurements：80~200kJ/100g烧结过程的相平衡23氧势对烧结液相区域的影响24弱氧化气氛有利于FeO含量的增多，有利于扩大液相区域！Al2O3-MgO对液相区域的影响25MgO增多，有利于扩大液相区域并向高硅区域移动！Al2O3增多，有利于向高钙区域移动1300℃，1.8x10-3Al2O3-MgO对液相区域的影响26MgO增多，有利于扩大液相区域并向高硅区域移动！Al2O3增多，有利于向高钙区域移动1300℃，0.18Pa1300℃，2.1x102SiO2-CaO-Fe2O3-MgO-Al2O3体系液相区间27CaO-SiO2-Fe2O3CaO-SiO2-Fe2O3-4%Al2O3CaO-SiO2-Fe2O3-2%MgO-4%Al2O3CaO-SiO2-Fe2O3-8%MgO-6%Al2O3CaO-Fe2O3-Al2O3的液相区间在液相中，随着CaO的增多，Al2O3溶解度增加！在CF中，Al2O3溶解度可达到30%。28102030405060708090102030405060708090102030405060708090Fe2O3CaOAl2O3massfraction1250127513001325135013751400ToCFe2O3-CaO-Al2O3-O2Projection(ASlag-liq),p(O2)=0.21atmMgO对CaO-Fe2O3-Al2O3的液相影响29102030405060708090102030405060708090102030405060708090Fe2O3CaOAl2O3massfractions/(Fe2O3+CaO+Al2O3)Fe2O3CaOAl2O3massfractions/(Fe2O3+CaO+Al2O3)Fe2O3CaOAl2O3massfractions/(Fe2O3+CaO+Al2O3)Fe2O3CaOAl2O3massfractions/(Fe2O3+CaO+Al2O3)+2%MgO+4%MgO+6%MgOFe2O3-CaO-Al2O3-O2-MgO1400oC,p(O2)=0.21atm,MgO/(Fe2O3+CaO+Al2O3)(g/g)=0.02加入MgO后，液相区间缩小，Al2O3的溶解度略有减少！1400℃SiO2-CaO-Fe2O3-MgO-Al2O3体系的粘度5/27/202030各化学成分对粘度的影响3132计算案例分析•红土矿冶炼镍铁新工艺•还原剂•还原温度•熔剂加入量33红土矿还原热力学34以转底炉为主体设备，物料半熔融状态下实现渣和铁的分离，形成珠铁，被认为是最有发展潜力炼铁新工艺。转底炉起源于环形加热炉ITMK3—新一代的炼铁工艺龙蟒：钛精矿处理工艺，马钢：高炉除尘灰脱锌处理工艺莱钢：转底炉生产珠铁工艺……高炉转底炉VS高产高效低耗规模小热制度可控操作灵活能耗高依赖于精料！低品位特殊矿！“温度-气氛-还原剂”调控配碳量温度M1还原开始熔化易流动性完全熔化M2还原合金熔点CM-1(Ni)CM-2(Fe)NiFe质量固相还原EAF工艺转底炉工艺金属-炉渣高温物理化学计算36强化铁合金渗碳程度，使合金熔点降低；一定量的硅铁加入可以增加渗碳；确定Fe-Ni-C熔点控制CaO加入量，调控熔化温度和粘度；计算案例分析•钒钛磁铁矿高炉冶炼•温度•氧势•压力•炉渣成分3738高钛型高炉渣状态图Legend:FeL=Iron_liquid,Sp=Spine,SL=Slag_liquid#1,SL2=Slag_liquid#2,Pero=Perovskite,Clin=Clinopyroxene,C=Carbon,Meli=Melilite,Mo=Monoxide,TiSp=Titania_Spinel,G=Gas_ideal.Ti(C,N)的相界线氧分压Ti(C,N)只在DEF所围成的区域形成1260℃渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学提高压力高炉富氧390.30.30.40.50.60.70.7TiO2SiO2CaOSlag+Ti(CN)5101520250.20.40.60.8Slag+PerovskiteSlag+Perovskite+Ti(CN)Slag+MonoxideSlag+Spinel+Ti(CN)TiO2+SiO2+CaO=1001450oC,P=3atm,p(N2)=1.959atm,Al2O3=14%,MgO=8%渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学等Ti(C,N)含量图液相区Ti(C,N)区液相+Ti(C,N)+尖晶石+钙钛矿等固体颗粒区液相+Ti(C,N)+钙钛矿等固体颗粒区液相+Ti(C,N)区纯液相区40温度对Ti(C,N)生成的影响TiO2+2C+1/2N2=TiN+2CO(1)TiO2+3C=TiC+2CO(2)反应(1)和(2)开始发生的温度分别为1196℃和1294℃。渣中Ti(C,N)的质量分数以及Ti(C,N)固溶体中TiC和TiN的摩尔分数随温度变化的关系渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学41渣中Ti(C,N)的质量分数以及Ti(C,N)固溶体中TiC和TiN的摩尔分数随温度变化的关系TiN+C=TiC+1/2N2(3)反应(3)开始发生的温度,即(△GrӨ=0)，与TiN和TiC的活度有关温度对Ti(C,N)生成的影响渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学42PN2(atm)aTiC(XTiC)aTiN(XTiN)T0(oC)10.1030.897126010.1780.822135010.2310.769140010.2890.711145010.3520.648150010.4150.5851550不同TiN和TiC活度下反应(3)的初始反应温度渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学TiN+C=TiC+1/2N2(3)43不同温度下(1425oC,1450oC,1475oC)，Ti(C,N)的质量分数随炉渣成分变化的关系:(a)-TiO2,(b)-Al2O3,(c)-MgO,(d)-CaO/SiO2.炉渣成分对Ti(C,N)生成的影响因此，理想的炉渣成分应满足以下要求：低TiO2,Al2O3含量和高MgO含量以及高炉渣碱度.渣-铁相间Ti(C,N)形成热力学计算案例分析•高炉渣中镁铝比例对于性能的影响•熔化性温度•粘度•硫容量4445高炉渣熔化量的理论计算CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2体系的液相线投影MgO=8%；TiO2=5%不同Al2O3含量时炉渣的熔化量不同二元碱度时炉渣的熔化量5/27/202046高炉渣平衡物相及液相成分的理论计算CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2体系的液相线投影Al2O3=12%；TiO2=5%不同MgO含量时炉渣的熔化量MgO=7%平衡时炉渣的物相及液相成分变化高炉渣粘度的理论计算47MgO含量1350℃1375℃1400℃1425℃1450℃1475℃1500℃1525℃7%15.812.04.03.53.02.62.32.08%15.611.93.93.32.92.52.21.99%15.511.83.83.22.82.42.11.810%15.411.73.63.12.72.42.11.8Al2O3含量1350℃1375