FACTSage在冶金中的应用

1,FACTSage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,4,FACTSage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。,5,FactSage6.2wasreleasedinNovember2010.,FactSage6.3wasreleasedinMay2012.,其他数据库有：Thermo-CalcPandatHSCMaterialsStudio,FACTSage6.3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+Predom,7,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+3CO,9,G=H-TS=-RTlnKeq,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,10,C+O2=CO2,2C+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,给出反应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应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,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,EquilibriumModule,Viscosity,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）,22,Calculation：140160kJ/100g,Measurements：80200kJ/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,25,MgO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,1300，1.8x10-3,Al2O3-MgO对液相区域的影响,26,MgO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,1300，0.18Pa,1300，2.1x102,SiO2-CaO-Fe2O3-MgO-Al2O3体系液相区间,27,CaO-SiO2-Fe2O3,CaO-SiO2-Fe2O3-4%Al2O3,CaO-SiO2-Fe2O3-2%MgO-4%Al2O3,CaO-SiO2-Fe2O3-8%MgO-6%Al2O3,CaO-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%。,28,MgO对CaO-Fe2O3-Al2O3的液相影响,29,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,6/12/2020,30,各化学成分对粘度的影响,31,32,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),Ni,Fe,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,37,38,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(Gr=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,42,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,44,45,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,6/12/2020,46,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,47,MgO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,加湿和富氧对风口回旋区燃烧温度的影响加湿比富氧率喷煤比,48,49,当富氧率为0%，要满足Tf1900,则喷煤比应小于124kg/t;,当富氧率为10%，要满足Tf1900,则喷煤比可提高至250kg/t;,当富氧率为3%,要满足Tf1900,则喷煤比应小于183kg/t;,喷煤和富氧共同作用的影响,50,喷煤比对(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，则加湿比必须控制在11%以内；随着富氧率的增加，这个值可以继续提高。,理论燃烧温度随富氧比和加湿比变化的关系,喷煤和富氧共同作用的影响,52,当富氧比固定时，随着加湿比的增加，将逐渐增大；当加湿比固定时，随着富氧率的增加，将逐渐减小，可从16%以上降至10%一下。,(CO)随富氧比和加湿比变化的关系,喷煤和富氧共同作用的影响,53,当富氧比固定时，加湿比对(CO2)的影响很小，只有当富氧率很大时，随着加湿比的增大，(CO2)的增加才稍微明显。当加湿比固定时，(CO2)将随着富氧率的增加而逐渐增大，可从15%以下增至22%以上。因此，在高炉冶炼时，当喷煤比一定时，为了降低(CO2)，增大(CO)，应保证风中富氧较低，加湿较高。,(CO2)随富氧比和加湿比变化的关系,喷煤和富氧共同作用的影响,54,在