FactSage热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性中的应用

商用热力学计算软件FactSage在耐火材料抗渣侵蚀性研究中起到重要作用,因此在耐火材料研究中应用越来越广泛。本文总结了近15年来热力学计算在耐火材料抗渣侵蚀性研究中的应用,重点介绍了耐火材料抗渣侵蚀研究中常用的热力学计算模型,分析了各种模型的原理、特点、适用情景、精确度与局限性,并给出了详细的运用实例。此外,本文介绍了热力学计算与其他方法相结合运用的实例,包含ANSYS、动力学分析、分子动力学模拟等方法,规避热力学计算的局限性,更加全面地分析熔渣对耐火材料的侵蚀行为。最后,本文对热力学计算存在的问题进行了归纳,并基于现有研究现状对其发展前景与方向进行了展望。

Al_(2)O_(3)-SiC-C质炮泥侵蚀过程热力学计算及抗渣性分析

炮泥抗侵蚀性能不足会导致高炉出铁时间过短或炉前喷溅等问题,而炮泥所处不可视的“黑盒子”类服役环境,使得炮泥的侵蚀过程难以剖析。针对目前炮泥侵蚀过程模糊的问题,采用FactSage热力学软件计算了1450℃时熔渣对Al_(2)O_(3)-SiC-C质炮泥的侵蚀过程,并利用动态抗渣试验分析了熔渣对其侵蚀不同时间后(侵蚀时间分别为0、8、16、24和32 min)的侵蚀情况。结果表明:在渣对炮泥的侵蚀过程中首先形成钙长石侵蚀物相,继而在Al_(2)O_(3)饱和的液相析出Al_(2)O_(3),形成Al_(2)O_(3)隔离层,进一步侵蚀后炮泥和渣在侵蚀界面形成钙铝黄长石,最终形成的侵蚀物相均会完全向液相溶解;抗渣试验结果与热力学计算结果相符,渣对炮泥的侵蚀中生成的液相和低熔点物相降低了炮泥试样的临界强度,从而导致侵蚀速率加快,侵蚀时间为32 min时,炮泥试样被渣完全侵蚀破坏。

稠环化合物脱氢反应的热力学计算

采用Benson基团贡献法对菲(PH)、芘(PY)及2-甲基菲(2-MP)加氢反应网络中欠缺的化合物标准摩尔生成焓、绝对熵和定压摩尔热容进行估算;并以物性数据为基础,计算PH,PY,2-MP加氢反应网络中各反应的反应焓变、反应吉布斯自由能变、平衡常数和转化率。计算结果表明:PH,PY,2-MP加氢反应网络中的脱氢反应均为吸热反应;PH,PY,2-MP加氢反应网络中脱氢反应的平衡转化率均存在反应温度敏感区,调节反应温度可以使各脱氢反应的平衡转化率均趋近于100%;对于加氢程度相同的稠环芳烃加氢产物,甲基支链的存在使得脱氢反应更容易进行;对于加氢程度和甲基支链数相同的稠环芳烃加氢产物,芳环数量越多,脱氢反应越容易进行;在0~2 MPa和300~800 K的反应条件下,高温低压有利于PH,PY,2-MP加氢反应网络中脱氢反应的进行。

热力学计算与机器学习相结合逆向设计镍基高温合金

采用热力学计算与机器学习相结合的方法进行镍基高温合金面向热力学性能要求的逆向设计。结果表明:通过高通量热力学计算成功构建镍基高温合金热力学计算数据集,为采用机器学习方法实现面向热力学性能要求的镍基高温合金逆向设计提供数据基础。针对热力学目标性能建立若干C2P模型,模型精度均高于99%。采用MLDS方法进行合金成分逆向设计,推荐的8种合金均满足性能的要求(1100℃下的γ'相体积分数Vγ',1100℃≥60%,V_(γ,1100℃)+Vγ',1100℃≥99%,γ'相熔点Tγ′≥1300℃)。热力学性能预测误差最小的3种合金实验验证表明,Vγ',1100℃均大于80%,时效后的组织中V_(γ,1100℃)+Vγ',1100℃≥99%,且Tγ′≥1300℃,均满足设计的要求。

3-羟基丙酸甲酯加氢合成1,3-丙二醇反应的热力学计算

3-羟基丙酸甲酯催化加氢是合成1,3-丙二醇的一种重要反应,具有工业应用前景.本研究对该反应及其涉及的副反应进行了热力学计算.采用Benson、Joback和Constantinou-Gani 3种基团贡献法,计算了上述反应目前尚缺失的热力学数据.按照Gibbs-Helmholtz方程绘制了相关反应的热力学平衡常数的对数值(lg k)与温度的变化曲线,其中Benson法所得结果与实验结果较好吻合.依据Benson法计算的平衡常数,绘制了压力和温度、压力和氢酯比、底物浓度分别对3-羟基丙酸甲酯加氢合成1,3-丙二醇反应平衡转化率的关系曲面和曲线图,并讨论了上述参数变化对反应的影响.计算数据显示,高压、高氢酯比、低温和低液时空速有利于3-羟基丙酸甲酯向1,3-丙二醇的转化,该结果与实验数据吻合.

新型Ni-Co基高温合金的显微组织特点和析出相热力学计算

利用光学显微镜和扫描电镜观察新型Ni-Co基高温合金的铸态组织,采用JMatPro软件在平衡和非平衡凝固条件下对该合金进行热力学计算,研究了合金的相析出特点。结果表明:试验合金呈现枝晶形貌,偏析严重,主要组织为γ'相、η相、γ/γ'共晶组织以及MC碳化物。平衡凝固条件下,试验合金的主要析出相为γ'、η、μ、σ、碳化物以及硼化物;钛和铝含量增加导致γ'相析出量增加,析出温度升高;η相析出温度和析出量随钛含量增加呈线性增加。在非平衡凝固过程中,钛、钼元素富集在液相中,而铝、铬、钴和钨元素在液相中贫乏。

低硅低碱度烧结试验与热力学计算分析

低硅低碱度烧结可以提高烧结矿铁品位,但会恶化烧结矿质量。本文以涟钢烧结原料作为研究对象,从理论和烧结杯试验两方面对低硅低碱度烧结的可行性和下限进行研究。研究结果表明,烧结液相的生成量受碱度和SiO_(2)质量分数的影响很大,且烧结混合料的液相生成量与烧结矿转鼓强度呈线性相关关系;通过优化配矿,改变混合料中黏附粉的质量分数和液相生成能力,可以实现混合料中液相生成总量不变;理论分析和烧结杯试验均表明,低SiO_(2)质量分数烧结可以实现,但低碱度烧结难以实现,这是由于低碱度烧结会降低黏附粉的液相生成能力;低硅烧结可以实现SiO2质量分数从5.0%降低至4.6%,提高烧结矿的铁品位0.62%,减少熔剂消耗量8.90 kg/t,低硅烧结产品的显微结构与基准产品一致,冶金性能也与基准产品相当。

无取向硅钢凝固相变及析出相热力学计算与分析

无取向硅钢广泛应用于电工材料,具有硅含量高、铁损低、磁导率高,加工性能好等特性。无取向硅钢的磁性能与钢中第二相粒子密切相关。钢中微合金元素Mn、Al含量设计和稀土微合金化是控制钢中第二相的主要方法。结合热力学计算软件Thermo-Calc和FactSage,分析了1.5%Si钢和3.0%Si钢在平衡相变和凝固过程中组织的组成和析出相的演变规律;Mn、Al元素变化对相组织演变和第二相析出的演变影响;Y元素微合金化对第二相析出的演变影响,同时分析了铸态3.0%Si钢组织和稀土Y微合金化前后典型夹杂物变化,并对计算结果进行验证。结果表明:Si元素可以显著缩小中温奥氏体相区并影响MnS和AlN的析出行为;硅钢中Mn元素含量提高促进MnS析出,Al元素含量提高可以促进MnS提前析出并显著促进AlN提前析出;在高温液相中添加稀土Y存在Al_(2)O_(3)→Y_(2)O_(3)→Y_(2)O_(3)+Y_(2)S_(3)的转变,在固态相变阶段存在Al_(2)O_(3)+MnS+AlN→Y_(2)O_(3)+YS+YN的转变;实验中稀土Y的加入,会使硅钢中的主要夹杂物从MnS变为Y_(2)O_(2)S。因此通过向钢中添加微量Y元素可以有效实现钢中夹杂物和析出物的有效无害化控制。

X80管线钢中碳氮化物析出的热力学计算

为了明晰X80管线钢中碳氮化物的析出热力学条件,利用偏析模型和经验公式对TiN、NbN、NbC和TiC的析出热力学条件进行计算。结果表明,当钢液完全液化且均质化时,TiN、NbN、NbC和TiC难以在钢液析出;凝固过程中,由于残留液相中溶质元素的富集,TiN在1779 K时满足热力学析出条件。随着温度的进一步降低,钢液完全奥氏体化。在奥氏体相中NbN、NbC和TiC均满足析出热力学条件,其中NbN析出温度为1306 K;NbC析出温度为1300 K;TiC析出温度为1150 K。因此,管线钢中碳氮化物的析出的先后顺序为:TiN、NbN、NbC、TiC。

黝铜矿热力学计算热液矿床成矿温度——以山西义兴寨脉状金矿为例

热液矿床成矿温度的准确限定是正确理解成矿作用过程和矿床成因的重要前提。为查明山西义兴寨金矿床的成矿温度,本文对不同期次脉状金矿中的黝铜矿和银金矿开展了电子探针元素分析和热力学计算。研究结果表明义兴寨矿床脉状金矿黄铁矿−石英阶段、黄铁矿−黄铜矿−石英阶段和石英−多金属硫化物阶段的成矿温度分别为290~300℃、(330±10)℃、(250±10)℃。该结果与此矿床不同阶段流体包裹体均一温度一致,且更为精确,表明黝铜矿热力学温度计能准确地限定热液矿床的成矿温度。

热力学计算优化Al-Zn-Mg-Cu合金成分

利用Jmat-Pro热力学相图计算软件模拟Al-Zn-Mg-Cu合金的凝固路径以及该合金中MgZn2、Al2CuMg、Al2Cu和Al2Mg3Zn3相生成数量和生成温度随Zn、Mg和Cu含量变化的关系曲线;分析实验合金的微观组织。检测结果与热力学计算结果一致。热力学计算结果表明,在7150合金的成分优化过程中,当Zn、Mg和Cu元素的质量分数分别为6.4%～6.9%、2.3%～2.5%和2.0%～2.2%时,合金凝固组织中MgZn2相的生成数量可达4.5%～6.0%,同时,Al2CuMg相的生成数量可控制在0.5%以下。

V-Ti-N微合金非调质无缝油井管钢中碳氮化物的热力学计算

用包括奥氏体γ相和两个碳氮化物相三相溶解度间隙平衡处理的方法计算了V-Ti-N微合金非调质油井管钢中的碳氮化物析出.计算结果表明,此钢奥氏体中的析出模式为1473℃时TiN即开始析出;其后部分TiN逐渐转变为复合(TixV1-x)(CyN1-y)颗粒,而其他的TiN直到低温仍保持其化学性质;最后富V-C的V(CxN1-x)在846℃开始析出.实验数据验证了这种析出模式.计算结果支持了中碳含钒微合金钢中800℃以下奥氏体中的析出对其后的奥氏体分解相变具有明显的调控作用的观点.

Al-5Mg-Er合金中Al_3Er相的析出及其热力学计算分析

通过应用Miedema热力学模型方法对添加了微量Er的Al-5Mg合金中的Er的存在形式进行了初步的分析，并结合XRD，TEM试验进行了验证。微量Er在Al-5Mg合金中主要是以Al3Er的形式存在，并且不会出现元素Mg与Er之间的金属间化合物；同时通过XRD和TEM分析证实，含微量Er（0．1％～0．7％）的Al-5Mg合金中Er是以Al3Er相存在并且弥散分布，讨论了Al3Er相与Al基体之间的取向关系，分析了Al3Er相的存在能够改善Al-5Mg合金材料的机械性能。

α-Cr相在IN718合金中的析出及其热力学计算

通过热力学计算，建立了Ｃｒ，Ｍｏ及 Ｎｂ与ＩＮ７１８合金的赝二元相图以及Ｃｒ－Ｆｅ－ＩＮ７１８赝三元等温截面图．研究了ＩＮ７１８合金中α－Ｃｒ相析出条件和化学成分对α—Ｃｒ相析出温度及析出量的影响．确定了α－Ｃｒ相析出的临界成分和不同成分条件下α－Ｃｒ相开始析出温度及析出量，同时得出了Ｃｒ，Ｍｏ和 Ｎｂ含量与α－Ｃｒ相开始析出温度和析出量的关系式．利用Ｘ射线衍射对萃取相的分析及选择性浸蚀方法，验证并显尔了α—Ｃｒ相在ＩＮ７１８合金中的存在和分布．

难变形高温合金GH720Li平衡析出相的热力学计算

为了给热处理制度和热加工工艺提供理论依据,采用Thermo-Calc热力学计算软件,对GH720Li合金平衡析出相和非平衡凝固进行模拟计算分析。结果表明,合金凝固过程中Mo、Ti偏析比较严重,并给出Ti、Al含量对γ'相析出温度和析出量的定量计算结果。C含量的增加可以显著提高碳化物的析出量,但对碳化物的析出温度无影响;Cr对M23C6的析出量没有影响,但显著提高其析出温度。进一步对一次碳化物MC的析出温度与合金初熔点的关系进行定量计算。

Al-9.5Zn-2.0Mg-1.7Cu合金的热力学计算

采用相图计算的方法对Al-Zn-Mg-Cu系合金进行凝固路径、相分数的热力学计算模拟,并通过DSC,XRD和SEM手段进行实验验证。结果表明,Al-9.5Zn-2.0Mg-1.7Cu合金中由α(Al)、η(MgZn2)相、Al7Cu2Fe和少量的θ(Al2Cu)组成,非平衡凝固路径的计算与实验结果相符合;Zn,Mg和Cu含量分别为9.5%,2.0%和1.7%(质量分数,下同)时,其η(MgZn2)相分数达到11.1%;可以将Cu/Mg=1作为合金设计时能否形成一定量θ(Al2Cu)的判据。

Nb微合金钢析出行为的热力学计算

以析出热力学为基础,对Fe-Nb-C-N系统中奥氏体/碳氮化物的热平衡过程,计算了不同温度下碳氮化物析出相的平衡摩尔分数、化学驱动力、各组元的原子分数及奥氏体组分等．结果表明,随着温度的降低,析出相的平衡摩尔分数增大,溶解在奥氏体中的各组元的摩尔分数降低,析出相的化学驱动力增大．在低温条件下,Nb和N元素已基本析出．碳化物在析出物中所占的比例主要取决于钢的成分和温度．对于同一成分的钢种,这一比值随着温度的降低而增大．

钢液喂CaSi变质Al_2O_3夹杂的热力学计算

利用热力学数据和天津钢管公司实际生产数据，经热力学计算，得到钢液喂Ｃａ 生成易上浮排除的液态钙、铝复合夹杂，钢中ＣａＡｌ 比必须满足［ ％ Ａｌ］２／［ ％ Ｃａ］３ ＜ １．９８×１０５ 。

Cu-Ni-Sn三元系相平衡的热力学计算

基于Cu-Ni-Sn三元系的相平衡和热力学的实验信息,采用亚正规溶体模型描述液相和fcc相的Gibbs自由能,为了预测该体系中bcc相的A2 B2有序无序转变,bcc相的Gibbs自由能采用双亚点阵模型进行描述。利用CALPHAD(相图计算)方法评估了Cu-Ni-Sn三元系各相的热力学参数,计算的富Cu侧相图和热力学性质与实验数据比较一致。并对该三元系中bcc相的A2 B2有序无序转变及fcc相的溶解度间隙进行了计算。这些计算结果对利用析出强化以及Spinodal分解开发高强度和高导电性的新型Cu基合金的组织设计具有一定的指导意义。

高Zn含量Al-Zn-Mg-Cu合金的热力学计算(英文)

采用相图计算方法对高Zn含量Al-Zn-Mg-Cu系高强铝合金进行相分数以及凝固路径的热力学计算,并采用X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和扫描电镜(SEM)方法对Al-9.2Zn-1.7Mg-2.3Cu合金进行组成相分析。结果表明,η(MgZn2)受Zn和Mg含量的影响,在Zn含量分别为9.6%,9.4%,8.8%的Al-xZn-1.7Mg-2.3Cu合金中η(MgZn2)含量分别为10%,9.8%,9.2%,同时通过计算得到了θ(Al2Cu)+η(MgZn2),S(Al2CuMg)+η(MgZn2)和θ(Al2Cu)+S(Al2CuMg)+η(MgZn2)相的Mg合金成分区间。Al-9.2Zn-1.7Mg-2.3Cu-Zr合金依次非平衡地析出Al3Zr、α(Al)、Al13Fe4、η(MgZn2)、α-AlFeSi、Al7Cu2Fe、θ(Al2Cu)、Al5Cu2Mg8Si6和β-AlFeSi。组织分析结果表明,合金主要由α(Al),η(MgZn2),θ(Al2Cu)和Al7Cu2Fe组成,计算结果可以预测合金中存在的主要析出相。