热力学模拟计算软件FactSage及其应用_图文

1、第32卷第2期V01.32.2稀有金属CHINESE JOURNAL OF RARE METALS2008年4月Apr.2008热力学模拟计算软件FactSage及其应用曹战民H,宋晓艳2,乔芝郁1(1.北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083;2.北京工业大学材料学院新型功能材料教育部重点实验室,北京100022摘要:介绍了当今最具代表性的11Imcalc和Factsage热力学计算软件。将Factsa矿应用于金川镍闪速熔炼过程的复杂多元多相平衡计算,表明金川镍闪速熔炼炉渣中铜含量的理论计算值(O.043%一0.060%远小于实际值(O.28%一O.30%,进一步降低渣中含铜量热力学

2、上是可能的;利用F8ctsage计算了一系列不同成分的Fe.B合金在实际应用条件下的相组成和相含量及其变化规律,综合考虑各合金的工艺性能、力学性能和耐锌液腐蚀性能,用优选方案制备的成分为7.Ol%B,5.05%B和3.3】%B,相组成为口.Fe+飚B的F.e-B二元合金可较好地满足抗液锌腐蚀结构材料的综合性能要求。关键词:FactSage;热化学;过程热力学模拟;材料设计中图分类号:TGll3.14文献标识码:A文章编号:02587076(2008020216一04Bale和Eriksson【1提出了集成热化学数据库的概念,其特点是集成热化学数据库不仅包括了经过热力学优化评估具有自洽性的热力学

3、数据和先进的计算软件,而且能为社会迅速提供数据和程序服务。按这一概念,当今世界上最重要的热化学数据库和计算软件是%e珊。一calc2和Factsage3系统。前者将欧洲共同体热化学学科组(SGTE:sci. enti6c Gup of弧emodata Europe共同研制开发的sGrI'E数据库系统和nerIIIo.Calc计算软件相结合,构成了数据齐全、功能众多的在国际上得到广泛应用的r11le册o.Calc系统;后者将加拿大蒙特利尔综合工业大学(Ecole Polytechnique de Montreal原有的FAcT软件和德国GTr公司的chemsage软件相融合,形成了集化合

4、物和多种溶液(尤其是炉渣、熔锍和熔盐体系的热化学数据库与先进的多元多相平衡计算程序Ch锄Sage为代表的多种功能计算程序为一体的综合性集成热力学计算软件。Factsage具有数据库内容丰富、计算功能强大以及Windows平台下的操作简易等优势。Factsage最新的版本为Factsage5.5(May2007,其数据库包括:(1包含了4517种化合物的纯物质数据库;(2包含20种元素的氧化物数据库;(3包含20种阳离子及8种阴离子的熔盐数据库;(4包含Pb,Sn,Fe,Cu,zn等常见合金体系、熔锍体系与部分水溶液体系的综合数据库;(5用于如电解铝、造纸工业、高纯硅等具体工业过程的特定数据库。

5、除此之外,Factsage还可使用SGTE等国际上其他知名数据库,并提供了用户建立私有数据库的功能。这些内容丰富的热力学数据库为模拟与计算复杂工业过程提供了可能。上述计算软件本质上是将热力学模型和计算原理与计算机强大的数值计算和处理功能相结合,对不同状态下体系热力学函数、热力学平衡态相图、复杂体系多元多相平衡等进行评估和模拟计算,因而为冶金过程优化和材料设计等提供了强有力的工具。本文用FAcl'Sage软件与数据库对金川镍闪速熔炼过程进行了热力学模拟计算,并用FACrI'Sage中的Equilib模块对耐液锌腐蚀的Fe。B 系合金进行了优化设计。l金川镍闪速熔炼的热力学模拟计算

6、对于闪速熔炼、熔池熔炼和吹炼等火法冶金过程,尽管反应是高速进行的,众多研究仍表明这些动态过程的许多方面可以按相与相之间存在近收稿日期:2007一偶一28;修订日期:2007一一30基金项目:国家自然科学基金(5060100l,50574012资助项目作者简介:曹战民(19r72一,男,山西人,博士,讲师*通讯联系人(E-删m:蚴n蜮矗11.u曲.edu.;删油a衄linyah.咖.2期曹战民等热力学模拟计算软件Factsage及其应用217似化学平衡的设想来描述。在上述假设的基础上,人们已经对于大量火法冶金过程进行了热力学模拟和计算并取得了满意的结果【4_7】。但前人研究存在两个问题:(1热力

7、学数据的离散和不准确;(2复杂多元多相平衡计算软件的不成熟。由于CAIJPHAD8技术的发展,经过严格评估的描述实际冶金体系多元真实溶液的热力学数据库成为可能,为以CAu'HAD技术为基础的冶金过程模拟提供了基础;同时,cALPHAD技术中应用已经较为成熟的多元多相复杂体系平衡计算软件,为冶金过程的热力学模拟提供了手段。两者的结合,使冶金过程热力学模拟发展到了一个新的水平。金川镍闪速熔炼技术已达当今国际先进水平,但铜的冶炼回收率曾经一直低于93%,不仅低于设计值(93.56%,而且远低于金川一期电炉生产系统的回收率(94%。为此我们对金川镍闪速熔炼过程进行了热力学模拟研究以阐明金川镍闪

8、速熔炼过程中可能达到的铜冶炼回收率。热力学模拟研究的基础主要包括以下3个方面:(1能够描述实际熔体的热力学溶液数据库;(2准确有效的多元多相平衡计算软件;(3实际工艺条件的准确测量与合理假设。在闪速熔炼过程为一稳态操作过程,各相达到热力学平衡和气相为理想气体的基本假设下,模拟计算采用CAIJPHAD技术进行过严格的热力学评估,保证了体系热力学性质和相图的热力学自洽性,以扩展式化学溶液模型为基础的冰镍数据库和炉渣数据库,计算软件采用Factsage软件包中的多元多相平衡计算程序Equil. ib。根据基本工艺条件,参考冰镍和炉渣的基本化学组成和基本物相组成特点,在热力学模拟中设定各相组成分别为气

9、相:FACT数据库中由元素Cu,Ni,Fe,Co,C,H,O,N,S,Ca,Si,Mg可能组成的所有气相物质;低冰镍相:Cu,Ni,Fe,Co, S;炉渣相:FeO,Fe203,FeS,Si02,Mgo,CaO, Cu2S,Cu20,NiO,NiS共10种物质;固相:FACT 数据库中由元素Cu,Ni,Fe,Co,C,H,O,N,S, ca,Si,Mg可能组成的所有固相物质。热力学模拟计算结果表明,冰镍和炉渣相主要成分的计算值均与实际值吻合较好(表l和2,烟气成分的计算值亦在闪速熔炼的合理范围(表3。因而金川镍闪速熔炼可以采用复杂多元多相平衡来描述,采用Ftsage的冰铜和炉渣数据库与多元多相

10、平衡计算软件相结合对其进行热力学模拟和研究是可行的。由于炉渣中铜含量的理论计算值(0.043%一0.060%远小于实际值(0.28%0.30%,从热力学角度考虑进一步降低渣中含铜量是可能的。2耐液锌腐蚀的Fe.B系合金的设计与研制图1(a示出利用Factsage中的Equilib模块和sG,IE合金数据库计算的成分为Fe一5.05%B的合金中生成相及相的重量百分含量随温度的变化曲线。该计算结果预测出定比成分合金自高温到低温相及相含量的变化情况:温度为1300时,体系从液相进入液固两相区(L+Fe2B;随着温度的降低,在1172.6发生共晶反应:LH(Fe2B+7,此时合金相为Fe2B(57.4

11、%和7.Fe(42.6%组成;温度为912时,发生同素异构转变7.FeHa.Fe;室温下,相组成为Fe2B(57.4%和a.Fe(42.6%。表1低冰镍成分计算值与实际值比较(%,质量分数 Tabk l C伽硼Iri鲫n of calcuhted蛐d p确cH傀l ma鹪洲pO对6伽s Of mH七C0呷0Bid0118Ni QI Fe S C0callmed value(1签.18413.67l27.O丁730.2180.850 PIodIl击v止ue(131.1613.24甥.2826.00O.眈Calall蒯v如(230.他15.拼23.蜘29.蜘O.必nDducti傩划ue(230.9

12、613.5627.8023.84O.S73表2炉渣成分计算值与实际值比较(%。质量分数T铀Ie2C哪paris蛐oflclllated舳d弘铆cticaI ma鹤咖posi60璐Of slagc0呷0Bi6s Ni QI Fe Si02Cao Mgo SCdcl|l址ed v正ue(1O.179O.04342.64633.8531.38.3151.731 hodllctiVal(1O.320O.28鲳.8l32.201.127.鹋O.51 cldcllImod vmue(2O.2ll O.06044.2l31.7751.2田8.2鼹1.70B 皇!型竺:坐!垄Q:3婴Q:垫生!:箜丝:堑l:堑

13、§:12Q:墅表3烟气主要成分计算值(%。体积分数TaMe3CaI伽Ilated v0Iume咖p惦m蚰s of fme呼!棚忡”s02c02H20是co飓H2s CBIcIIlmed62.回l18.,937.5硒7.4801.980O.跏0.3然O.153 v讪(1Calclll砒ed61.381笼.6盯6.1176.718value(2218稀有金属32卷鱼圣UO刀28/(。图l Fb5.晒%B合金的相组成和相含量随温度的变化(a,m曲线(b和微观组织(cng.1nIa砌砷帽i吐saIld删I玎协v8ryillg诵lll tel印锄u礴(a,m p毗咖(baIld Ini呱曲uc

14、tI鹏(c0f Fb5.晒%B alloy刀102山U图2Fe.11.02%B合金的相组成和相含量随温度的变化(a,xRD分析(b和微观组织(cFig.2HIa倒叩0Bitiom aIld锄伽吐sr,iIlg witll tel:叩嘲tIll瑚(a,m pBtt咖(bandInicH神咖(cof Foll.吆%B alloy图l(b为实际制备的Fe.5.05%B合金的xRD分析结果,标定合金中组织为两相:a.Fe+Fe2B。图l(c为同种成分合金显微组织的背散射电子扫描电镜观察,实验中相应进行了微区能谱分析,结果表明,暗黑色块状组织为共晶相a.Fe+Fe:B(标号1,颜色较浅的为Fe2B相(标

15、号2。结合体视学上对相分布体积百分含量的测定,两相重量百分比分别为:Fe2B约为55%,a.Fe约为45%,与理论预测的Fe2B为57.4%,a.Fe为42.6%的结果吻合很好。图2(a是Fe.11.02%B合金中生成相及相含量随温度变化的计算结果,此预测结果亦得到了实际制备试样xRD分析结果(图2(b和显微组织(图2(c的证实。对FeB二元合金中相的耐腐蚀和力学性能的研究和比较表明,FeB和Fe2B相均为耐腐蚀相,几乎与锌液不润湿,但在材料组织中为脆性相;小Fe相耐锌液腐蚀性差,但在材料中为韧性相。通过各组成相含量的最优匹配,可以获得耐腐蚀性和力学性能优化组合的Fe.B合金。利用Factsa

16、ge 计算了一系列不同成分的Fe.B合金在实际应用条件下的相组成和相含量及其变化规律,综合考虑各合金的工艺性能、力学性能和耐锌液腐蚀性能,实验中采用优选方案制备了几种合金。其中7.01%B,5.05%B和3.3l%B的Fe.B合金的相组成为a.Fe+Fe:B,一方面,Fe2B相为耐锌液腐蚀相,能够使材料在高温液态锌中具有良好的抗腐蚀性;另一方面,韧性相d.Fe使材料成型后能够保持较高的韧性,从而在高温液态环境下具有较高的抗脆断性。因此,上述成分的Fe.B二元合金可较好地满足抗液锌腐蚀结构材料的综合性能要求。上述结果表明,Factsage的预测优化功能大大减少了盲目实验的次数,提高了研制效率,节

17、约了资源和能源。3结论将热力学模型和计算原理与计算机强大的数值计算和处理功能相结合的Factsage和ne珊o. Calc等热力学计算软件系统为材料设计和冶金过程优化计算提供了强有力的工具,克服了单纯依靠实验探索研究的盲目性,提高了研制效率,节约 了资源和能源。2期曹战民等热力学模拟计算软件Fac吼唔e及其应用219参考文献:1Bale c w,Erik姗G.MetallIIIgical tlI咖跳he血cal d诎惜e-a唧i州J.callada MetaurgicaI QIl盯t虹ly,1990,29:105. 2】Anda曙啪J0,Hd甜ldef T,Hound L,S越P,sund嘲B

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21、amp;加DZ旷砌硎口zs, &访昭切郇妙矿加蜥胎巧k6Dm幻可矿锄胁如,础胍砒矗口厶,傩嬲e施乃函竹旷尉w以幻儿,Be坑愕JDDD22,劬i加Abs咖ct:%ele册odrllalIlic酬hares UhemoCalc tio璐compition觚d content of ph鹊船卸d tIIeir de-粕d FactSage were¨eny introduced.ne彻odyn锄ic veloping features were calculated by Factsage for a se-modeling nickel n羽h smelting proc铭s o

22、f Jinchun by ri髑of FeB aUoys witlI di妇ferentc哪positio瑚.Con. FactS89e indicated that tlle tlleoretically calculated sidering tlle pmcessing,mechanical町ld1iquid Zncor-value of Cu content inle slag(0.043%一O.060%rosion resistallce properties of tle alloys,tlle Few嬲much lower th粕le content(O.28%0.30%7.0l

23、%B,Fe.5.05%B and Fe一3.31%B alloy8, in tlle practical c鹊e.From tllemodyn锄ic point of which c蚰tain the aFe锄d Fe2B ph嬲,could weU view,tIle fhrther decre鹅ing Cu content in tlle flash fhlfitlle comprehensive requi阳ments嬲a liquid Zn. smelting slag8hould be pos8ible.Under giVen condicorrosion resis切nce mat

24、erial.Key啪柑s:m珊odymic modeling;FactSage;llickel n船h8meltiIIg舯Dc8;FeB alloy 热力学模拟计算软件FactSage及其应用作者:曹战民, 宋晓艳, 乔芝郁, Cao Zhanmin, Song Xiaoyan, Qiao Zhiyu作者单位:曹战民,乔芝郁,Cao Zhanmin,Qiao Zhiyu(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京,100083 , 宋晓艳,Song Xiaoyan(北京工业大学材料学院,新型功能材料教育部重点实验室,北京,100022刊名: 稀有金属英文刊名:CHINESE JOURNAL OF R

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