factsage软件在有色冶金中的应用

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1、中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南长沙长沙 热力学热力学软件软件FactSage在在有色冶金中的应用有色冶金中的应用 曹战民曹战民 谢伟谢伟 乔芝郁乔芝郁 北京科技大学北京科技大学 冶金冶金与生态工程学院有色金属冶金系与生态工程学院有色金属冶金系 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙1 Reaction Predom E-pH Equilib Phase Diagram OptiSage Viscosity FactOptimal FactSage软件的热力软件的热力 学数据库学数据库 主要内容主要内容 FactSag

2、e软件在有色软件在有色 冶金中的应用冶金中的应用 FactSage软件的软件的基本基本 计算功能计算功能 FactPS 铜冶金 镍冶金 铅冶金 锌冶金 镁冶金 其它金属 FToxid FTsalt FTmisc FThall FThelg FTpulp FTOxCN FTfrtz 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙2 1. FactSage软件的基本计算功能软件的基本计算功能 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙 Reaction（化学反应）（化学反应）：计算一个计量化学反应的热力学广延量(H, G, V,

3、S, Cp, A)的变化。 Predom（优势区图）（优势区图）：计算某一温度时不同气氛下体系（1到3种金属元素）中各相的稳定范围。 E-pH（电位（电位-pH）：计算某一温度时水溶液体系（1到3种金属元素）的E-pH图。 Equilib（多元多相平衡计算）（多元多相平衡计算）：基于吉布斯自由能最小法原理，为软件核心模块。最基本应用是给 出某些元素的数量后，计算某温度与压力条件下，体系达到平衡时稳定存在的各相组成及数量。 Phase Diagram（相图计算）（相图计算）：计算并画出单元、二元、三元以及多元系的等温截面图及液相投影 面图。坐标轴可以为温度，压力，组成，活度，化学位、焓等的组合。

4、 OptiSage（相图和热力学的优化与评估）（相图和热力学的优化与评估）：可以从相图和热化学等实验数据通过CALPHAD技术获 得一套自洽的热力学数据。 Viscosity（氧化物熔体的粘度计算）（氧化物熔体的粘度计算）：计算不同组成与温度的氧化熔体（炉渣、煤灰等）的粘度。 FactOptimal（工艺优化计算）（工艺优化计算）：可以进行约束条件下（价格、成分范围等）工艺条件的最优化， 优化目标可以为温度、比热、密度、粘度、焓、熵等，这些优化目标也可以作为约束条件。 3 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙 2. FactSage软件的热力学数据库软

5、件的热力学数据库 4 数据库数据库主要内容主要内容应用领域应用领域 纯物质 FactPS 4776种纯物质的热化学数据（焓、熵、热容）以及 部分物质的磁性参数、膨胀系数及压缩系数 氧化物 FToxid 超过20种元素的氧化物体系，其中Al2O3、CaO、 FeO、Fe2O3、MgO、SiO2等主要组元组成的相关体 系已经进行全部浓度范围内的优化与评估 冶金、煤燃烧、陶瓷、化工、地 质等领域和有色金属火法冶金过 程的炉渣、耐火材料等相关体系 熔盐 FTsalt 29种阳离子（Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、 Ba、NH4、Mn、Al、Fe(II)、Fe(III)、Co、Ni、Pb、

6、 La、Ce、Nd、U(III)、U(IV)、Pu(III)、Pu(IV)、 Cr(II)、Cr(III)、Mo(V)）和 8种阴离子（F、Cl、Br、I、NO3、OH、CO3、SO4） 活泼金属的高温熔盐电解过程的 电解质体系等 电解铝 FThall 电解铝生产相关熔盐电解质的氟氧化物体系 （Al-Mg-Na-Li-Ca-F-O） Al2O3为主的氧化物-电解质-液体 铝之间的计算，用于电解铝过程 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙5 数据库数据库主要内容主要内容应用领域应用领域 综合FTmisc 熔锍体系（S-Cu-Fe-Ni-Co-Pb-Zn-

7、As等）硫化矿的火法熔炼、吹炼等过程 Pb液（Pb, Ag, As, Au, Bi, Cu, Fe, Na, O, S, Sb, Sn, Zn） 铅的火法熔炼、精炼等过程 Cu液（Cu, Pb, Zn,As, Fe, Ni,Au, S, O）铜的吹炼、火法精炼等过程 Sn液（Sn, Al, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mo, Na, Ni, O, P, S, Se, Si, Ti） 锡的火法精炼过程 水溶液 FThelg 超过1400种无限稀溶液的水溶液粒子，使用范 围为350 oC到165大气压 有色金属湿法冶金过程以及金属 腐蚀等 纸浆和造纸 FTpulp

8、 Na-K-S-C-O-Cl-H体系用于黑泥和纸浆的回收锅炉中黑 液燃烧过程中的相关碱金属盐类 的固体及熔体 高温碳氧氮 FTOxCN 极高温度下的Al-(Si-Ca-Mg-Fe)-C-O-N体系铝热还原等过程 化肥FTfrtzNH4NO3-NH4H2PO4-NH4Cl-(NH4)2SO4及相对应 的钾盐体系 含氮肥料制造过程计算，也可用 于肥料产物及一些爆炸物的计算 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙6 3. FactSage软件在有色冶金中的应用软件在有色冶金中的应用 世界范围内主要使用世界范围内主要使用FactSage软件的国家（超过软件的国家

9、（超过1000家大学家大学、研究所和、研究所和企业企业）：）： FactSage软件的主要应用领域：软件的主要应用领域： 火法冶金材料学湿法冶金电冶金腐蚀行业燃烧陶瓷 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙7 3.1. 铜铜冶金冶金 3.1.1. 艾萨法铜熔炼过程的热力学模拟1 1 张智鑫等人. ISA法铜熔炼过程的一种机理模型D. 北京科技大学，2013. 图图1. 艾萨艾萨法工艺流程法工艺流程图图2. 艾萨艾萨炉熔池有效反应区划分炉熔池有效反应区划分 研究背景：研究背景：为了理论分析操作参数对产 出的影响，从而获得最佳工艺参数。 中国有色金属冶金第一

10、届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙8 图图3. 艾萨艾萨炉熔池反应炉熔池反应物质流物质流 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙9 上述模拟的熔炼过程通过Equilib模块的宏程序编程以及平衡计算来实现， 计算结果如下： 表表1. 计算值与生产值的比较计算值与生产值的比较 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙10 图图4. 熔熔体及烟气温度随体及烟气温度随加入加入焦炭焦炭量量的变化的变化 图图5. 熔熔体及体及烟气烟气质量质量随加入随加入焦炭焦炭量量的变化的变化 图图6. 熔熔体及烟气温度

11、随体及烟气温度随加入加入石英石石英石量量的变化的变化 图图7. 熔熔体及体及烟气烟气质量质量随加入随加入石英石石英石量量的变化的变化 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙 图图9. 熔熔体及体及烟气烟气质量质量随随富氧浓度富氧浓度的的变化变化图图8. 熔熔体及烟气温度体及烟气温度随随富氧浓度富氧浓度的的变化变化 小结：小结：通过对艾萨炉熔池有效反应区的划分，确定了各个反应区的物质流，进而利用Equilib模 块的宏程序和平衡计算对熔炼过程进行了热力学模拟。计算的熔体和烟气温度、冰铜和渣组分 与生产值基本相同，但烟气组分和渣中铜、铁含量有所差别，说明建立

12、的模型基本可行但需进 一步完善；理论分析了焦炭、石英石加入量和富氧浓度对熔体及烟气温度和质量的影响。 11 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙12 3.1.2. 铜渣液相线温度的计算2 2 H.M. Henao, et al. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, 41(6): 1183-1193. 图图10. 计算的铜渣液相线温度与实验值的比较计算的铜渣液相线温度与实验值的比较 在铜饱和，MgO、Al2O3含量及氧分压 一定的条件下，利用Phase Diagram模块 计算该体系液相面投

13、影图，再将实验值 叠加比较可知： 磷石英（Tridymite）初晶区：计算的 液相线温度与实验值基本一致。 尖晶石（Spinel）初晶区：计算的液 相线温度比实验值低 10 oC。 研究背景：研究背景：铜渣化学性质的控制对于生 产工艺的稳定性很重要；要改善铜冶炼 工艺，还需知道CaO、MgO、Al2O3的加 入对渣性质的影响。 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙13 图图11. 计算的铜渣液相线温度随计算的铜渣液相线温度随Fe/SiO2的变化的变化 利用Phase Diagram模块分别计算了不含 CaO、MgO、Al2O3（点线）和目标组成 （虚线

14、）下Fe/SiO2对液相线温度的影响： 随着Fe/SiO2增加，磷石英（Tridymite） 液 相 线 温 度 显 著 降 低 ， 而 尖 晶 石 （Spinel）液相线温度缓慢升高，与实 验值基本一致。 当Fe/SiO2比一定时，加入CaO、MgO、 Al2O3使磷石英液相线温度急剧降低， 而尖晶石液相线温度大约升高20 oC。 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙14 图图12. 计算的渣中铜含量随温度的变化计算的渣中铜含量随温度的变化 利用Equilib模块计算了CaO、 MgO、Al2O3含量和氧分压一 定时，渣中铜含量随温度的变 化关系：

15、随着温度的升高，渣中铜 含量逐渐降低，计算值比 实验值约低0.3-0.4 wt.% 。 小结：小结：用Phase Diagram模块计算了铜渣的液相线温度和CaO、MgO、Al2O3含量及Fe/SiO2对液相 线温度的影响，用Equilib模块计算了渣中铜含量随温度的变化关系，计算值和实验值吻合较好。 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙15 3.2. 镍冶金镍冶金 3.2.1. 镍冶炼新渣型成分范围选择镍冶炼新渣型成分范围选择3 3 张振强等人. 中国有色冶金，2013, (1): 70-73. 研究背景：研究背景：为解决高硅酸铁废渣利用中还 原提铁

16、困难的问题，需对渣型进行改型研 究，从而控制在低熔点(1200 oC)区域。 着色区：熔点在1100-1200 oC间的炉渣组成 着色区内空白：熔点在1100 oC下的炉渣组成 图图13. 不同不同MgO含量下含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图系液相面投影图 利用Phase Diagram模块进行计算，低熔点区域随MgO含量并无显著变化，铁硅比范围为1.3-1.8。 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术会议湖南湖南 长沙长沙16 图图14. 不同不同CaO含量下含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图系液相面投影图 低熔点区随CaO含量增加而扩大，铁硅比范围为1.2-2.0。 小结：小结：利用Phase Diagram模块计算渣系的液相面投影图，初步确定了既满足镍冶炼工艺的要求， 又利于降低后期镍渣提铁难度的炉渣成分范围：7%-9% MgO，10%-15% CaO，铁硅比1.3-1.8。 中国有色金属冶金第一届学术会议中国有色金属冶金第一届学术