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。

Au-Ag-Al系相图的热力学优化和计算

使用计算相图方法(CALPHAD)计算Au-Ag-Al的三元相图时,三个边际二元相图(Au-Al,Au-Ag,Ag-Al)的准确性对三元相图的计算有很大的影响,目前Au-Al边际二元相图存在着一定的矛盾。在综合评估Au-Al体系实验数据的基础上,优化和计算了Au-Al合金体系的平衡相图,使用置换式溶体溶液模型描述Au-Al体系中液相、Bcc和Fcc相的吉布斯自由能,分别用亚点阵模型(Al)(Au)_(4)、(Al)_(3)(Au)_(8)、(Al)(Au)_(2)、(Al)(Au)和(Al,Au)_(2)(Al,Au)描述AlAu_(4)、Al_(3)Au_(8)、AlAu_(2)、AlAu和Al_(2)Au相,通过Pandat软件优化得到一组各相的热力学参数,计算得到的Au-Al相图与实验数据和热力学数据相吻合。结合Au-Ag和Ag-Al的热力学参数,计算了Au-Ag-Al液相面投影图和等温截面图,液相面投影图显示该三元系存在8个四相平衡反应,对Au-Ag-Al合金的研究具有指导意义。

理论化学方法阐明化学反应热力学控制与动力学控制的概念——推荐一个Diels-Alder反应的计算化学实验

设计了一个适用于化学专业高年级本科生的综合计算化学实验。该实验通过量子化学计算,研究了有机化学教材中一个典型的Diels-Alder反应,给出了反应过程的微观物理图像以及反应的热力学和动力学性质的定量信息,阐明了化学反应中热力学控制和动力学控制的基本概念。该实验旨在培养学生使用计算化学方法研究化学问题的基本技能,加深其对物质结构与性能之间关系的理解。该实验也是对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论教育的一个具体实例,着重引导学生充分认识矛盾的普遍性,擅于用联系观和发展观分析和解决化学实际问题。

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。

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。

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。

D-山梨醇醚化过程的热力学计算与分析

D-山梨醇在酸催化下会发生醚化反应,生成失水山梨醇的混合物。为便于了解各反应特性,采用Benson法、Myrdal-Krzyzaniak-Yalkowsky法、Joback法等基团贡献法和Marrero-Pardillo键贡献法估算了D-山梨醇醚化反应中所涉及物质的标准摩尔生成焓、标准摩尔熵和摩尔定压热容等热力学参数。并根据估算数据计算了不同温度下各反应的标准摩尔反应焓变、标准摩尔反应Gibbs自由能变和平衡常数。计算结果表明:D-山梨醇醚化过程中,各个反应均为吸热反应,升高温度有利于醚化反应进行,标准摩尔反应Gibbs自由能变均小于0,反应为自发过程,反应能正向完全进行。产物中1,4-失水山梨醇的平衡常数较大,会进一步生成异山梨醇。这些数据为失水山梨醇的高效制备提供理论参考。

CN7M铸造奥氏体不锈钢凝固与析出热力学模拟

利用Thermo-Calc热力学计算软件中的Phase Diagram模块、Scheil-Gulliver凝固模型以及专业的TCFE11铁基数据库,针对CN7M铸造奥氏体不锈钢的凝固与冷却过程的相变路径与主要合金元素对平衡体系垂直截面相图的影响分别展开计算分析,得出CN7M铸造奥氏体不锈钢平衡凝固及冷却过程的相变路径和非平衡凝固路径。理论计算结合生产实践表明:CN7M铸造奥氏体不锈钢合适的固溶温度范围为1140~1160℃,铸件的保温时间必须充足以完全消除铸造偏析与各种二次相。

Fe-Al-V三元系富铁角热力学优化

采用CALPHAD方法对Fe-Al-V三元系富铁角进行热力学优化,并首次提出采用三亚点阵模型描述三元金属间化合物L21相,即(Fe)2(Al,Fe)1(Fe,V)1。基于可靠的边界二元系热力学描述,结合Fe-Al-V三元系富铁角试验数据,通过优化获得了一套自洽准确的热力学模型参数。优化的模型参数可较满意地重现Fe-Al-V三元系富铁角的相平衡关系,弥补了商业数据库无法对其进行描述的不足,为钒微合金化轻质钢的设计开发提供可靠的理论基础。

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。

对氨基苯磺酸重氮化及偶联反应的热力学计算

基于Gaussian16软件,利用密度泛函理论中的B3LYP和B2PLYP方法,研究了对氨基苯磺酸重氮化、偶联反应中反应物和产物的结构。通过计算,模拟优化了反应物和产物的几何构型与电子分布,得到了反应焓变、吉布斯自由能变及平衡常数。结果表明,重氮化反应的焓变为-117 kJ/mol,吉布斯自由能变为-160 kJ/mol;偶联反应的焓变为-484 kJ/mol,吉布斯自由能变为-460 kJ/mol,由此可知重氮化、偶联反应均为放热、不可逆反应。对氨基苯磺酸重氮化、偶联反应的热力学计算为反应工艺条件的控制和热力学研究提供了理论依据。

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。

Excel和Aspen Plus软件在《化工热力学》汽液平衡数据计算中的应用

本文利用Excel提供的单变量求解及相关函数功能,无需编程,就可使问题得到圆满解决。同时,通过Aspen Plus软件的物性分析功能也能快捷地对汽-液相平衡进行计算,并利用Aspen Plus软件绘图功能将Excel和Aspen Plus得到的汽液平衡数据以相图的形式直观表示出来。将Excel和Aspen Plus软件应用于汽-液相平衡数据计算,简单明了,且不易出错,将其作为有效的教学改革工具应用到化工热力学教学中,不仅可以实现理论与实际应用的结合,也可以提高学生的学习兴趣。

深海多金属结核气-固协同还原热力学分析

深海多金属结核作为一种海底自生沉积的矿物,是提取Mn、Fe、Cu、Co、Ni等元素的重要战略资源,其矿物结构复杂,结晶度差,给选矿加工带来困难.为实现对深海多金属结核的低碳高效综合利用,提出了在气(CO+H_(2))-固(C)协同作用下还原深海多金属结核,生产Fe-Ni-Co-Cu合金和富锰渣.采用Factsage热力学计算软件中的Reaction和Equilib模块对气-固还原过程进行热力学计算.计算结果表明:通入还原性气体可降低各氧化物还原开始的温度,MnO只能用C还原,锰碳化物的生成优先于金属Mn,且锰碳化物与CO_(2)、锰氧化物反应生成金属Mn的开始温度低于C还原MnO的开始温度.在气-固协同作用下对深海多金属结核进行选择性还原可以提高还原效率,降低还原开始温度和碳的消耗,从而实现低碳冶金.

含钛焊丝钢中TiN析出的热力学分析

对含钛焊丝钢中TiN析出进行了热力学计算与分析。结果表明:钢中氮含量在0.0080%以下,钛含量在0.050%~0.100%范围内,液相线1517.3℃以上不会析出TiN;该钢种目标钛含量0.070%~0.080%范围内,在其固相线1456.6℃以下弥散析出细小TiN,须满足钛、氮浓度积小于3.7203×10^(-4),此时钢中氮含量控制在小于0.0050%的水平为宜。

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。