FACTSage在冶金中的应用ppt课件

1、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

2、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,FactSage 6.2 was released in November 2010,FactSage 6.3 was released in May 2012,其他数据库有：Thermo-Calc Pandat HSC Materials Studio,FACTSage 6.3 新功能,6,界面更人性化 扩充数据库 丰富

3、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 Phase diagram + 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？ For example: Fe2O3 + 3C=2Fe + 3CO,9,G = H - T S = - R T ln Keq,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；

4、 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,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

5、、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

6、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,Equilibrium Module,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,Measuremen

7、ts：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-Fe

8、2O3-4%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,2/9/2021,30,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

9、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

10、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,

11、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

12、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(1425 oC,1450 oC,1475 oC)，Ti(C,N)的质量分数随炉渣成分变化的关系

13、: (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,2/9/2021,46,高炉渣平衡物相及液相成分的理论计算,CaO-

14、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Tf 1900, 则喷煤比应小于124kg/t,当富氧率为10%，要满足Tf 1900, 则喷煤比可提高至250kg/t,当 富氧率为3%, 要满足Tf 1900, 则喷煤比应小于183kg/t

15、,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,