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立于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软件介绍热力学根底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软件介绍热力学根底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-CalcPandat

HSCMaterialsStudioFACTSage6.3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？计算化学反响是否进行Reaction计算复杂反响体系的平衡时状态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软件介绍热力学根底及计算原理计算数据后处理方法计算案例分析8热力学计算的根本原理如何计算一个化学反响的自由能和平衡常数？Forexample:Fe2O3+3C=2Fe+3CO

9ΔGº=ΔHº-TΔSº=-RTlnKeq通过查找热力学数据表获，分别查找反响物和生成物的。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，分别查找反响物和生成物的。只要确定了化学反响、压力、温度区间、甚至活度，软件可以自动计算结果！反响体系平衡的热力学计算回忆最简单的算例：C-O体系的平衡计算10

不考虑化学平衡质量守恒质量守恒！计算过程满足的条件：化学反响可以发生

整个体系的化学反响自由能最小原理！所有可能的化学反响进行组合，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〕反响体系平衡的热力学计算给出反响体的所有物质列出所有可能的生成物寻找可能发生的化学反响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软件介绍热力学根底及计算原理计算数据后处理方法计算案例分析14等值线图的画法选定等值线的区域〔液相区域+等活度线〕在选定区域内计算各点的目标值对目标值进行整理、划定目标值的水平分步将复合目标值的点群汇出15用到Excel或Matlab软件的配合！SiO2的等活度曲线内容简介FACTSage软件介绍热力学根底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-Fe2O3

CaO-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溶解度可到达30%。28MgO对CaO-Fe2O3-Al2O3的液相影响29参加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3/15/202430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复原剂复原温度熔剂参加量33红土矿复原热力学34以转底炉为主体设备，物料半熔融状态下实现渣和铁的别离，形成珠铁，被认为是最有开展潜力炼铁新工艺。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-复原剂”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质量固相复原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；一定量的硅铁参加可以增加渗碳；确定Fe-Ni-C熔点控制CaO参加量，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39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)反响(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)反响(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活度下反响(3)的初始反响温度渣-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3/15/202446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℃

1400℃

1425℃

1450℃

1475℃

1500℃

1525℃

13%15.812.04.03.42.92.62.21.914%16.012.14.13.53.02.62.32.015%16.112.24.23.63.12.72.32.016%16.312.44.33.73.22.72.42.1二元碱度1350℃

1375℃

1400℃

1425℃

1450℃

1475℃

1500℃

1525℃

1.0717.313.14.33.73.22.82.42.11.1216.412.54.13.53.02.62.32.01.1715.611.93.93.32.92.52.21.91.2215.011.43.73.22.72.42.11.81.2714.411.03.22.72.42.11.81.6MgO含量改变时炉渣粘度计算结果Al2O3含量改变时炉渣粘度计算结果二元碱度改变时炉渣粘度计算结果计算案例分析加湿和富氧对风口盘旋区燃烧温度的影响加湿比富氧率喷煤比4849当富氧率为0%，要满足Tf≥1900℃,那么喷煤比应小于124kg/t;当富氧率为10%，要满足Tf≥1900℃,那么喷煤比可提高至250kg/t;当富氧率为3%,要满足Tf≥1900℃,那么喷煤比应小于183kg/t;喷煤和富氧共同作用的影响50喷煤比对φ(H2)的影响较大，而富氧比对其影响甚微，其原因在于，喷煤量增加，导致煤粉挥发份的增加，即氢含量增加，故产生的H2也增多，而富氧率的增加不会改变进入高炉内挥发份的含量，故对的H2产生也就没有影响。喷煤和富氧共同作用的影响51随着加湿比的增加，T理逐渐减小；随富氧率的增加，T理逐渐增大。因此，要提高T理，加湿不能过大。每个富氧率对应着一个最大加湿比。当富氧率为零时，如果要保证T理≥2300℃，