FACTSage在冶金中的應(yīng)用

1FACTSage軟件在冶金工程中的應(yīng)用呂學(xué)偉重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院重慶大學(xué)冶金專(zhuān)業(yè)重慶大學(xué)冶金工程學(xué)科創(chuàng)立于1935年，是國(guó)內(nèi)最早設(shè)立的冶金學(xué)科之一。魏壽昆、蔣道江等一大批著名的冶金學(xué)家曾在重慶大學(xué)任教。1982年鋼鐵冶金專(zhuān)業(yè)成為全國(guó)首批碩士授權(quán)點(diǎn)，1990年取得鋼鐵冶金專(zhuān)業(yè)博士點(diǎn)，2000年取得冶金工程一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)。2007年鋼鐵冶金被評(píng)為國(guó)家重點(diǎn)〔培育〕學(xué)科。國(guó)家級(jí)“鋼鐵冶金”雙語(yǔ)教學(xué)示范基地。現(xiàn)有教師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內(nèi)容簡(jiǎn)介FACTSage軟件介紹熱力學(xué)根底及計(jì)算原理計(jì)算數(shù)據(jù)后處理方法計(jì)算案例分析3內(nèi)容簡(jiǎn)介FACTSage軟件介紹熱力學(xué)根底及計(jì)算原理計(jì)算數(shù)據(jù)后處理方法計(jì)算案例分析4FACTSage軟件介紹化學(xué)熱力學(xué)領(lǐng)域中世界上完全集成數(shù)據(jù)庫(kù)最大的計(jì)算系統(tǒng)之一，創(chuàng)立于2001年，是FACT-Win和ChemSage兩個(gè)熱化學(xué)軟件包的結(jié)合。5FactSage6.2wasreleasedinNovember2010.FactSage6.3wasreleasedinMay2012.其他數(shù)據(jù)庫(kù)有：Thermo-CalcPandat

HSCMaterialsStudioFACTSage6.3新功能6界面更人性化擴(kuò)充數(shù)據(jù)庫(kù)豐富了文檔粘度模塊：增加了PbO的計(jì)算模型FACTSage能干什么？計(jì)算化學(xué)反響是否進(jìn)行Reaction計(jì)算復(fù)雜反響體系的平衡時(shí)狀態(tài)Equilibrium計(jì)算多元體系的相圖Phasediagram+Predom7查詢熱力學(xué)數(shù)據(jù)計(jì)算熱力學(xué)問(wèn)題整理計(jì)算結(jié)果元素在渣/金間的平衡分配多元爐渣體系的平衡相金屬氧化和還原的熱力學(xué)條件內(nèi)容簡(jiǎn)介FACTSage軟件介紹熱力學(xué)根底及計(jì)算原理計(jì)算數(shù)據(jù)后處理方法計(jì)算案例分析8熱力學(xué)計(jì)算的根本原理如何計(jì)算一個(gè)化學(xué)反響的自由能和平衡常數(shù)？Forexample:Fe2O3+3C=2Fe+3CO

9ΔGo=ΔHo-TΔSo=-RTlnKeq通過(guò)查找熱力學(xué)數(shù)據(jù)表獲，分別查找反響物和生成物的。最后通過(guò)計(jì)算，得倒自由能的數(shù)據(jù)；可以考察溫度對(duì)自由能的影響和對(duì)平衡常數(shù)的影響。通過(guò)查找熱力學(xué)數(shù)據(jù)表獲，分別查找反響物和生成物的。只要確定了化學(xué)反響、壓力、溫度區(qū)間、甚至活度，軟件可以自動(dòng)計(jì)算結(jié)果！反響體系平衡的熱力學(xué)計(jì)算回憶最簡(jiǎn)單的算例：C-O體系的平衡計(jì)算10

不考慮化學(xué)平衡質(zhì)量守恒質(zhì)量守恒！計(jì)算過(guò)程滿足的條件：化學(xué)反響可以發(fā)生

整個(gè)體系的化學(xué)反響自由能最小原理！所有可能的化學(xué)反響進(jìn)行組合，使體系自由能最?。?shù)學(xué)上的最優(yōu)化理論〔線性規(guī)劃、遺傳算法、蒙特卡羅算法等〕反響體系平衡的熱力學(xué)計(jì)算給出反響體的所有物質(zhì)列出所有可能的生成物尋找可能發(fā)生的化學(xué)反響體系自由能最小化原理11冶金體系廣泛存在：溶液、熔渣、熔锍！物質(zhì)的活度理論！必須要選定Solution！相圖計(jì)算理論更加復(fù)雜體系的平衡體系，同時(shí)考慮物相和溫度的關(guān)系。使用抽象投影的方法顯示結(jié)果！12多組Equlib計(jì)算相率杠桿原理等等投影方式多元體系選擇化合物選擇數(shù)據(jù)庫(kù)給出溫度壓力能夠快速收斂！計(jì)算相圖經(jīng)常出現(xiàn)的問(wèn)題和經(jīng)典的相圖比較差異大〔找出差異的區(qū)域〕計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)〔繁余數(shù)據(jù)過(guò)多〕沒(méi)有結(jié)果(缺物質(zhì)、不能形成相)考慮物質(zhì)選擇和數(shù)據(jù)庫(kù)選擇的問(wèn)題！13內(nèi)容簡(jiǎn)介FACTSage軟件介紹熱力學(xué)根底及計(jì)算原理計(jì)算數(shù)據(jù)后處理方法計(jì)算案例分析14等值線圖的畫(huà)法選定等值線的區(qū)域〔液相區(qū)域+等活度線〕在選定區(qū)域內(nèi)計(jì)算各點(diǎn)的目標(biāo)值對(duì)目標(biāo)值進(jìn)行整理、劃定目標(biāo)值的水平分步將復(fù)合目標(biāo)值的點(diǎn)群匯出15用到Excel或Matlab軟件的配合！SiO2的等活度曲線內(nèi)容簡(jiǎn)介FACTSage軟件介紹熱力學(xué)根底及計(jì)算原理計(jì)算數(shù)據(jù)后處理方法計(jì)算案例分析17計(jì)算案例分析鐵礦粉燒結(jié)過(guò)程熱力學(xué)計(jì)算

液相量

液相成分

物相

粘度18燒結(jié)工藝的熱力學(xué)計(jì)算19液相量液相粘度凝固相EquilibriumModuleViscosity液相生成能力計(jì)算20液相生成隨溫度梯度的改變21燒結(jié)過(guò)程熱效應(yīng)〔絕熱計(jì)算〕22Calculation：140~160kJ/100gMeasurements：80~200kJ/100g燒結(jié)過(guò)程的相平衡23氧勢(shì)對(duì)燒結(jié)液相區(qū)域的影響24弱氧化氣氛有利于FeO含量的增多，有利于擴(kuò)大液相區(qū)域！Al2O3-MgO對(duì)液相區(qū)域的影響25MgO增多，有利于擴(kuò)大液相區(qū)域并向高硅區(qū)域移動(dòng)！Al2O3增多，有利于向高鈣區(qū)域移動(dòng)1300℃，1.8x10-3Al2O3-MgO對(duì)液相區(qū)域的影響26MgO增多，有利于擴(kuò)大液相區(qū)域并向高硅區(qū)域移動(dòng)！Al2O3增多，有利于向高鈣區(qū)域移動(dòng)1300℃，0.18Pa1300℃，2.1x102SiO2-CaO-Fe2O3-MgO-Al2O3體系液相區(qū)間27CaO-SiO2-Fe2O3

CaO-SiO2-Fe2O3-4%Al2O3CaO-SiO2-Fe2O3-2%MgO-4%Al2O3CaO-SiO2-Fe2O3-8%MgO-6%Al2O3CaO-Fe2O3-Al2O3的液相區(qū)間在液相中，隨著CaO的增多，Al2O3溶解度增加！在CF中，Al2O3溶解度可到達(dá)30%。28MgO對(duì)CaO-Fe2O3-Al2O3的液相影響29參加MgO后，液相區(qū)間縮小，Al2O3的溶解度略有減少！1400℃SiO2-CaO-Fe2O3-MgO-Al2O3體系的粘度3/15/202430各化學(xué)成分對(duì)粘度的影響3132計(jì)算案例分析紅土礦冶煉鎳鐵新工藝復(fù)原劑復(fù)原溫度熔劑參加量33紅土礦復(fù)原熱力學(xué)34以轉(zhuǎn)底爐為主體設(shè)備，物料半熔融狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)渣和鐵的別離，形成珠鐵，被認(rèn)為是最有開(kāi)展?jié)摿掕F新工藝。轉(zhuǎn)底爐起源于環(huán)形加熱爐ITMK3—新一代的煉鐵工藝龍蟒：鈦精礦處理工藝，馬鋼：高爐除塵灰脫鋅處理工藝萊鋼：轉(zhuǎn)底爐生產(chǎn)珠鐵工藝……高爐轉(zhuǎn)底爐VS高產(chǎn)高效低耗規(guī)模小熱制度可控操作靈活能耗高依賴于精料！低品位特殊礦！“溫度-氣氛-復(fù)原劑”調(diào)控配碳量溫度M1還原開(kāi)始熔化易流動(dòng)性完全熔化M2還原合金熔點(diǎn)CM-1(Ni)CM-2(Fe)NiFe質(zhì)量固相復(fù)原EAF工藝轉(zhuǎn)底爐工藝金屬-爐渣高溫物理化學(xué)計(jì)算36強(qiáng)化鐵合金滲碳程度，使合金熔點(diǎn)降低；一定量的硅鐵參加可以增加滲碳；確定Fe-Ni-C熔點(diǎn)控制CaO參加量，調(diào)控熔化溫度和粘度；計(jì)算案例分析釩鈦磁鐵礦高爐冶煉

溫度

氧勢(shì)

壓力

爐渣成分3738高鈦型高爐渣狀態(tài)圖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)的相界線氧分壓Ti(C,N)只在DEF所圍成的區(qū)域形成1260℃渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)提高壓力高爐富氧39渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)等Ti(C,N)含量圖液相區(qū)Ti(C,N)區(qū)液相+Ti(C,N)+尖晶石+鈣鈦礦等固體顆粒區(qū)液相+Ti(C,N)+鈣鈦礦等固體顆粒區(qū)液相+Ti(C,N)區(qū)純液相區(qū)40溫度對(duì)Ti(C,N)生成的影響TiO2+2C+1/2N2

=TiN+2CO(1)TiO2+3C=TiC+2CO

(2)反響(1)和(2)開(kāi)始發(fā)生的溫度分別為1196℃和1294℃。渣中Ti(C,N)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及Ti(C,N)固溶體中TiC和TiN的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度變化的關(guān)系渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)41渣中Ti(C,N)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及Ti(C,N)固溶體中TiC和TiN的摩爾分?jǐn)?shù)隨溫度變化的關(guān)系TiN+C=TiC+1/2N2(3)反響(3)開(kāi)始發(fā)生的溫度,即(△Gr?=0)，與TiN和TiC的活度有關(guān)溫度對(duì)Ti(C,N)生成的影響渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)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活度下反響(3)的初始反響溫度渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)TiN+C=TiC+1/2N2(3)43不同溫度下(1425oC,1450oC,1475oC)，Ti(C,N)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨爐渣成分變化的關(guān)系:(a)-TiO2,(b)-Al2O3,(c)-MgO,(d)-CaO/SiO2.爐渣成分對(duì)Ti(C,N)生成的影響因此，理想的爐渣成分應(yīng)滿足以下要求：低TiO2,Al2O3

含量和

高M(jìn)gO含量以及高爐渣堿度.渣-鐵相間Ti(C,N)形成熱力學(xué)計(jì)算案例分析高爐渣中鎂鋁比例對(duì)于性能的影響熔化性溫度

粘度

硫容量4445高爐渣熔化量的理論計(jì)算CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2體系的液相線投影MgO=8%；TiO2=5%不同Al2O3含量時(shí)爐渣的熔化量不同二元堿度時(shí)爐渣的熔化量3/15/202446高爐渣平衡物相及液相成分的理論計(jì)算CaO-SiO2-MgO-Al2O3-TiO2體系的液相線投影Al2O3=12%；TiO2=5%不同MgO含量時(shí)爐渣的熔化量MgO=7%平衡時(shí)爐渣的物相及液相成分變化高爐渣粘度的理論計(jì)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堿度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含量改變時(shí)爐渣粘度計(jì)算結(jié)果Al2O3含量改變時(shí)爐渣粘度計(jì)算結(jié)果二元堿度改變時(shí)爐渣粘度計(jì)算結(jié)果計(jì)算案例分析加濕和富氧對(duì)風(fēng)口盤(pán)旋區(qū)燃燒溫度的影響加濕比富氧率噴煤比4849當(dāng)富氧率為0%，要滿足Tf≥1900℃,那么噴煤比應(yīng)小于124kg/t;當(dāng)富氧率為10%，要滿足Tf≥1900℃,那么噴煤比可提高至250kg/t;當(dāng)富氧率為3%,要滿足Tf≥1900℃,那么噴煤比應(yīng)小于183kg/t;噴煤和富氧共同作用的影響50噴煤比對(duì)φ(H2)的影響較大，而富氧比對(duì)其影響甚微，其原因在于，噴煤量增加，導(dǎo)致煤粉揮發(fā)份的增加，即氫含量增加，故產(chǎn)生的H2也增多，而富氧率的增加不會(huì)改變進(jìn)入高爐內(nèi)揮發(fā)份的含量，故對(duì)的H2產(chǎn)生也就沒(méi)有影響。噴煤和富氧共同作用的影響51隨著加濕比的增加，T理逐漸減?。浑S富氧率的增加，T理逐漸增大。因此，要提高T理，加濕不能過(guò)大。每個(gè)富氧率對(duì)應(yīng)著一個(gè)最大加濕比。當(dāng)富氧率為零時(shí)，如果要保證T理≥2300℃，