简介概要

热力学模拟计算软件FactSage及其应用

来源期刊：稀有金属2008年第2期

论文作者：乔芝郁宋晓艳曹战民

关键词：FactSage; 热化学; 过程热力学模拟; 材料设计;

摘要：介绍了当今最具代表性的Thermo-Calc和FactSage热力学计算软件. 将FactSage应用于金川镍闪速熔炼过程的复杂多元多相平衡计算, 表明金川镍闪速熔炼炉渣中铜含量的理论计算值(0.043%～0.060%)远小于实际值(0.28%～0.30%), 进一步降低渣中含铜量热力学上是可能的;利用FactSage计算了一系列不同成分的Fe-B合金在实际应用条件下的相组成和相含量及其变化规律, 综合考虑各合金的工艺性能、力学性能和耐锌液腐蚀性能, 用优选方案制备的成分为7.01%B, 5.05%B和3.31%B, 相组成为α-Fe+Fe2B的Fe-B二元合金可较好地满足抗液锌腐蚀结构材料的综合性能要求.

稀有金属 2008,(02),216-219 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2008.02.026

热力学模拟计算软件FactSage及其应用

宋晓艳乔芝郁

北京科技大学冶金与生态工程学院,北京工业大学材料学院新型功能材料教育部重点实验室,北京科技大学冶金与生态工程学院北京100083,北京100022,北京100083

摘要：

介绍了当今最具代表性的Thermo-Calc和FactSage热力学计算软件。将FactSage应用于金川镍闪速熔炼过程的复杂多元多相平衡计算, 表明金川镍闪速熔炼炉渣中铜含量的理论计算值 (0.043%⁰.060%) 远小于实际值 (0.28%⁰.30%) , 进一步降低渣中含铜量热力学上是可能的;利用FactSage计算了一系列不同成分的Fe-B合金在实际应用条件下的相组成和相含量及其变化规律, 综合考虑各合金的工艺性能、力学性能和耐锌液腐蚀性能, 用优选方案制备的成分为7.01%B, 5.05%B和3.31%B, 相组成为α-Fe+Fe2B的Fe-B二元合金可较好地满足抗液锌腐蚀结构材料的综合性能要求。

关键词：

FactSage;热化学;过程热力学模拟;材料设计;

中图分类号： TP319

收稿日期：2007-08-28

基金：国家自然科学基金 (50601001, 50574012) 资助项目;

Thermodynamic Modeling Software FactSage and Its Application

Abstract：

The thermodynamic softwares Uhermo-Calc and FactSage were briefly introduced. Thermodynamic modeling nickel flash smelting process of Jinchun by FactSage indicated that the theoretically calculated value of Cu content in the slag (0.043%～0.060%) was much lower than the content (0.28%～0.30%) in the practical case. From thermodynamic point of view, the further decreasing Cu content in the flash smelting slag should be possible. Under given conditions composition and content of phases and their developing features were calculated by FactSage for a series of Fe-B alloys with different compositions. Considering the processing, mechanical and liquid Zn-corrosion resistance properties of the alloys, the Fe-7.01%B, Fe-5.05%B and Fe-3.31%B alloys, which contain the α-Fe and Fe2B phases, could well fulfill the comprehensive requirements as a liquid Zn-corrosion resistance material.

Keyword：

thermodynamic modeling; FactSage; nickel flash smelting process; Fe-B alloy;

Received： 2007-08-28

Bale和Eriksson ^[1] 提出了集成热化学数据库的概念, 其特点是集成热化学数据库不仅包括了经过热力学优化评估具有自洽性的热力学数据和先进的计算软件, 而且能为社会迅速提供数据和程序服务。按这一概念, 当今世界上最重要的热化学数据库和计算软件是Thermo-Calc ^[2] 和FactSage ^[3] 系统。前者将欧洲共同体热化学学科组 (SGTE: Scientific Group of Thermodata Europe) 共同研制开发的SGTE数据库系统和Thermo-Calc计算软件相结合, 构成了数据齐全、功能众多的在国际上得到广泛应用的Thermo-Calc系统; 后者将加拿大蒙特利尔综合工业大学 (Ecole Polytechnique de Montreal) 原有的FACT软件和德国GTT公司的Chemsage软件相融合, 形成了集化合物和多种溶液 (尤其是炉渣、熔锍和熔盐) 体系的热化学数据库与先进的多元多相平衡计算程序ChemSage为代表的多种功能计算程序为一体的综合性集成热力学计算软件。 FactSage具有数据库内容丰富、计算功能强大以及Windows平台下的操作简易等优势。 FactSage最新的版本为FactSage 5.5 (May 2007) , 其数据库包括: (1) 包含了4517种化合物的纯物质数据库; (2) 包含20种元素的氧化物数据库; (3) 包含20种阳离子及8种阴离子的熔盐数据库; (4) 包含Pb, Sn, Fe, Cu, Zn等常见合金体系、熔锍体系与部分水溶液体系的综合数据库; (5) 用于如电解铝、造纸工业、高纯硅等具体工业过程的特定数据库。除此之外, FactSage还可使用SGTE等国际上其他知名数据库, 并提供了用户建立私有数据库的功能。这些内容丰富的热力学数据库为模拟与计算复杂工业过程提供了可能。

上述计算软件本质上是将热力学模型和计算原理与计算机强大的数值计算和处理功能相结合, 对不同状态下体系热力学函数、热力学平衡态相图、复杂体系多元多相平衡等进行评估和模拟计算, 因而为冶金过程优化和材料设计等提供了强有力的工具。本文用FACTSage软件与数据库对金川镍闪速熔炼过程进行了热力学模拟计算, 并用FACTSage中的Equilib模块对耐液锌腐蚀的Fe-B系合金进行了优化设计。

1 金川镍闪速熔炼的热力学模拟计算

对于闪速熔炼、熔池熔炼和吹炼等火法冶金过程, 尽管反应是高速进行的, 众多研究仍表明这些动态过程的许多方面可以按相与相之间存在近似化学平衡的设想来描述。在上述假设的基础上, 人们已经对于大量火法冶金过程进行了热力学模拟和计算并取得了满意的结果 ^[4,5,6,7] 。但前人研究存在两个问题: (1) 热力学数据的离散和不准确; (2) 复杂多元多相平衡计算软件的不成熟。由于CALPHAD ^[8] 技术的发展, 经过严格评估的描述实际冶金体系多元真实溶液的热力学数据库成为可能, 为以CALPHAD技术为基础的冶金过程模拟提供了基础; 同时, CALPHAD技术中应用已经较为成熟的多元多相复杂体系平衡计算软件, 为冶金过程的热力学模拟提供了手段。两者的结合, 使冶金过程热力学模拟发展到了一个新的水平。

金川镍闪速熔炼技术已达当今国际先进水平, 但铜的冶炼回收率曾经一直低于93%, 不仅低于设计值 (93.56%) , 而且远低于金川一期电炉生产系统的回收率 (94%) 。为此我们对金川镍闪速熔炼过程进行了热力学模拟研究以阐明金川镍闪速熔炼过程中可能达到的铜冶炼回收率。热力学模拟研究的基础主要包括以下3个方面: (1) 能够描述实际熔体的热力学溶液数据库; (2) 准确有效的多元多相平衡计算软件; (3) 实际工艺条件的准确测量与合理假设。在闪速熔炼过程为一稳态操作过程, 各相达到热力学平衡和气相为理想气体的基本假设下, 模拟计算采用CALPHAD技术进行过严格的热力学评估, 保证了体系热力学性质和相图的热力学自洽性, 以扩展式化学溶液模型为基础的冰镍数据库和炉渣数据库, 计算软件采用FactSage软件包中的多元多相平衡计算程序Equilib。根据基本工艺条件, 参考冰镍和炉渣的基本化学组成和基本物相组成特点, 在热力学模拟中设定各相组成分别为气相: FACT数据库中由元素Cu, Ni, Fe, Co, C, H, O, N, S, Ca, Si, Mg可能组成的所有气相物质; 低冰镍相:Cu, Ni, Fe, Co, S; 炉渣相:FeO, Fe₂O₃, FeS, SiO₂, MgO, CaO, Cu₂S, Cu₂O, NiO, NiS共10种物质; 固相:FACT数据库中由元素Cu, Ni, Fe, Co, C, H, O, N, S, Ca, Si, Mg可能组成的所有固相物质。热力学模拟计算结果表明, 冰镍和炉渣相主要成分的计算值均与实际值吻合较好 (表1和2) , 烟气成分的计算值亦在闪速熔炼的合理范围 (表3) 。因而金川镍闪速熔炼可以采用复杂多元多相平衡来描述, 采用FactSage的冰铜和炉渣数据库与多元多相平衡计算软件相结合对其进行热力学模拟和研究是可行的。由于炉渣中铜含量的理论计算值 (0.043%~0.060%) 远小于实际值 (0.28%~0.30%) , 从热力学角度考虑进一步降低渣中含铜量是可能的。

2 耐液锌腐蚀的Fe-B系合金的设计与研制

图1 (a) 示出利用FactSage中的Equilib模块和SGTE合金数据库计算的成分为Fe-5.05%B的合金中生成相及相的重量百分含量随温度的变化曲线。该计算结果预测出定比成分合金自高温到低温相及相含量的变化情况: 温度为1300 ℃时, 体系从液相进入液固两相区 (L+Fe₂B) ; 随着温度的降低, 在1172.6 ℃发生共晶反应:L? (Fe₂B+γ) , 此时合金相为Fe₂B (57.4%) 和γ-Fe (42.6%) 组成; 温度为912 ℃时, 发生同素异构转变γ-Fe?α-Fe; 室温下, 相组成为Fe₂B (57.4%) 和α-Fe (42.6%) 。

表1 低冰镍成分计算值与实际值比较 (%, 质量分数) Table 1Comparison of calculated and practical mass compositions of matte

Compositions	Ni	Cu	Fe	S	Co
Calculated value (1)	28.184	13.671	27.077	30.218	0.850
Production value (1)	31.16	13.24	28.28	26.00	0.62
Calculated value (2)	30.702	15.274	23.595	29.505	0.924
Production value (2)	30.96	13.56	27.80	23.84	0.573

表2 炉渣成分计算值与实际值比较 (%, 质量分数) Table 2Comparison of calculated and practical mass compositions of slag

Compositions	Ni	Cu	Fe	SiO₂	CaO	MgO	S
Calculated value (1)	0.179	0.043	42.646	33.853	1.305	8.315	1.731
Production value (1)	0.320	0.28	38.81	32.20	1.12	7.68	0.51
Calculated value (2)	0.211	0.060	44.21	31.775	1.259	8.288	1.708
Production value (2)	0.380	0.30	41.85	32.86	1.15	8.12	0.55

表3 烟气主要成分计算值 (%, 体积分数) Table 3 Calculated volume compositions of flue gas

Compositions	N₂	SO₂	CO₂	H₂O	S₂	CO	H₂	H₂S
Calculated value (1)	62.691	18.593	7.586	7.480	1.980	0.880	0.328	0.153
Calculated value (2)	61.381	22.687	6.117	6.718	1.779	0.625	0.260	0.115

图1 Fe-5.05%B合金的相组成和相含量随温度的变化 (a) , XRD曲线 (b) 和微观组织 (c) Fig.1 Phase compositions and amounts varying with temperatures (a) , XRD pattern (b) and microstructure (c) of Fe-5.05%B alloy

图2 Fe-11.02%B合金的相组成和相含量随温度的变化 (a) , XRD分析 (b) 和微观组织 (c) Fig.2 Phase compositions and amounts varying with temperatures (a) , XRD pattern (b) and microstructure (c) of Fe-11.02%B alloy

图1 (b) 为实际制备的Fe-5.05%B合金的XRD分析结果, 标定合金中组织为两相:α-Fe+Fe₂B。图1 (c) 为同种成分合金显微组织的背散射电子扫描电镜观察, 实验中相应进行了微区能谱分析, 结果表明, 暗黑色块状组织为共晶相α-Fe+Fe₂B (标号1) , 颜色较浅的为Fe₂B相 (标号2) 。结合体视学上对相分布体积百分含量的测定, 两相重量百分比分别为:Fe₂B约为55%, α-Fe约为45%, 与理论预测的Fe₂B为57.4%, α-Fe为42.6%的结果吻合很好。

图2 (a) 是Fe-11.02%B合金中生成相及相含量随温度变化的计算结果, 此预测结果亦得到了实际制备试样XRD分析结果 (图2 (b) ) 和显微组织 (图2 (c) ) 的证实。

对Fe-B二元合金中相的耐腐蚀和力学性能的研究和比较表明, FeB和Fe₂B相均为耐腐蚀相, 几乎与锌液不润湿, 但在材料组织中为脆性相; α-Fe相耐锌液腐蚀性差, 但在材料中为韧性相。通过各组成相含量的最优匹配, 可以获得耐腐蚀性和力学性能优化组合的Fe-B合金。利用FactSage计算了一系列不同成分的Fe-B合金在实际应用条件下的相组成和相含量及其变化规律, 综合考虑各合金的工艺性能、力学性能和耐锌液腐蚀性能, 实验中采用优选方案制备了几种合金。其中7.01%B, 5.05%B和3.31%B的Fe-B合金的相组成为α-Fe+Fe₂B, 一方面, Fe₂B相为耐锌液腐蚀相, 能够使材料在高温液态锌中具有良好的抗腐蚀性; 另一方面, 韧性相α-Fe使材料成型后能够保持较高的韧性, 从而在高温液态环境下具有较高的抗脆断性。因此, 上述成分的Fe-B二元合金可较好地满足抗液锌腐蚀结构材料的综合性能要求。上述结果表明, FactSage的预测优化功能大大减少了盲目实验的次数, 提高了研制效率, 节约了资源和能源。