FactSage软件在有色冶金中的应用
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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。
[3] 张振强等人. 中国有色冶金，2013, (1): 70-73.
中国有色金属冶金第一届学术会议
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15
图14. 不同CaO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO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。
纸浆和造纸 Na-K-S-C-O-Cl-H体系 FTpulp 高温碳氧氮 极高温度下的Al-(Si-Ca-Mg-Fe)-C-O-N体系 FTOxCN 化肥FTfrtz
NH4NO3-NH4H2PO4-NH4Cl-(NH4)2SO4 及相对应 含氮肥料制造过程计算，也可用 的钾盐体系 于肥料产物及一些爆炸物的计算
热力学软件FactSage在有色冶金中的应用
曹战民 谢伟 乔芝郁
北京科技大学
冶金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
湖南·长沙
主要内容
FactSage软件的基本 计算功能 FactSage软件的热力 学数据库 FactSage软件在有色 冶金中的应用
Reaction
Predom E-pH Equilib Phase Diagram OptiSage Viscosity
以被溶解进入溶液中。
图15. Cu-H2O体系100 oC E-pH图
[4] H.M. Henao, et al. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, 41(6): 1183-1193.
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利用 E-pH 模块计算了 Ni-H2O 体系 100
Al2O3 使磷石英1. 计算的铜渣液相线温度随Fe/SiO2的变化
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13
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： • 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.% 。
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3
2. FactSage软件的热力学数据库
数据库 主要内容 应用领域
纯 物 质 4776种纯物质的热化学数据（焓、熵、热容）以及 FactPS 部分物质的磁性参数、膨胀系数及压缩系数 氧 化 物 超过 20 种元素的氧化物体系，其中 Al2O3 、 CaO 、 冶金、煤燃烧、陶瓷、化工、地 FToxid FeO、Fe2O3、MgO、SiO2等主要组元组成的相关体 质等领域和有色金属火法冶金过 系已经进行全部浓度范围内的优化与评估 程的炉渣、耐火材料等相关体系 熔 盐 29种阳离子（Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、 活泼金属的高温熔盐电解过程的 FTsalt Ba 、 NH4 、 Mn 、 Al 、 Fe(II) 、 Fe(III) 、 Co 、 Ni 、 Pb 、电解质体系等 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 ） 电 解 铝 电解铝生产相关熔盐电解质的氟氧化物体系 FThall （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
CaO 、 MgO 、 Al2O3 （点线）和目标组成
（虚线）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 、
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3.1.2. 铜渣液相线温度的计算[2]
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。 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。
3.2.1. 镍冶炼新渣型成分范围选择[3]
研究背景：为解决高硅酸铁废渣利用中还 原提铁困难的问题，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13. 不同MgO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图
oC的E-pH图
：
• • •
NiO(s) 在电位大于 -0.4 ， pH 为 -2 至 7.8 范围内以Ni2+形式存在于溶液中。 当 pH 大于 9 时以 HNiO2- 形式存在于溶 液中。 从热力学上来看，镍在酸性或碱性条 件下都可以被溶解进入溶液中。
图16. Ni-H2O体系100 oC E-pH图
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数据库
主要内容 熔锍体系（S-Cu-Fe-Ni-Co-Pb-Zn-As等）
应用领域 硫化矿的火法熔炼、吹炼等过程
综合FTmisc
Pb液（Pb, Ag, As, Au, Bi, Cu, Fe, Na, O, S, Sb, 铅的火法熔炼、精炼等过程 Sn, Zn） Cu液（Cu, Pb, Zn, As, Fe, Ni, Au, S, O） 铜的吹炼、火法精炼等过程
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3. FactSage软件在有色冶金中的应用
世界范围内主要使用FactSage软件的国家（超过1000家大学、研究所和企业）：
FactSage软件的主要应用领域：
材料学
火法冶金
湿法冶金
电冶金
腐蚀行业
燃烧
陶瓷 湖南· 长沙
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3.1. 铜冶金
小结：用 E-pH模块计算了100 oC时Cu-H2O、Ni-H2O系E-pH图，确定了此温度下Cu、Ni的存在 类型及各物质的稳定区域，从理论上分析了含铜镍渣酸浸出过程的热力学条件。
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3.3. 铅冶金
3.3.1. 高炉炼铅过程热力学模拟[5]
研究背景：为了解高炉炼铅过程中的物理 化学行为以及操作参数对产出的影响，从 而获得最佳工艺参数。
输入实际的生产数据后，利用Equilib模块计算得到渣、粗铅和铅锍的组成和含量。 表2. 计算值与生产值的比较
[5] P.F. Tan. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15(1): 160-164.
Sn液（Sn, Al, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mo, 锡的火法精炼过程 Na, Ni, O, P, S, Se, Si, Ti） 水 溶 FThelg 液 超过1400种无限稀溶液的水溶液粒子，使用范 有色金属湿法冶金过程以及金属 围为350 oC到165大气压 腐蚀等 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 铝热还原等过程
图6. 熔体及烟气温度随加入石英石量的变化
图7. 熔体及烟气质量随加入石英石量的变化
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图8. 熔体及烟气温度随富氧浓度的变化
图9. 熔体及烟气质量随富氧浓度的变化
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。
图12. 计算的渣中铜含量随温度的变化
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。
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3.2. 镍冶金
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2
•
• • •
Reaction（化学反应）：计算一个计量化学反应的热力学广延量(H, G, V, S, Cp, A)的变化。
Predom（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-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）：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。
研究背景：为了有效回收含铜镍渣中的 有价金属，理论分析了含铜镍渣酸浸出 过程的热力学条件。
利用 E-pH 模块计算了 Cu-H2O 体系 100
oC的E-pH图
：
• • •
Cu(OH)2(s)在一定 pH和电位条件下， 可转换为Cu2+或Cu+进入溶液。 Cu2O(s) 在一定 pH 和电位条件下，可 转换为Cu+进入溶液。 从热力学上来看，铜在酸性条件下可
图10. 计算的铜渣液相线温度与实验值的比较
[2] H.M. Henao, et al. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, 41(6): 1183-1193.
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利用Phase Diagram模块分别计算了不含
7
图3. 艾萨炉熔池反应物质流
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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1. 计算值与生产值的比较
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图4. 熔体及烟气温度随加入焦炭量的变化
图5. 熔体及烟气质量随加入焦炭量的变化
•
Phase Diagram（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。
•
OptiSage（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）：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）：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。
FactPS
FToxid FTsalt FTmisc FThall FThelg 铜冶金 镍冶金 铅冶金 锌冶金
FTpulp
FTOxCN FTfrtz
镁冶金
其它金属
FactOptimal
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1. FactSage软件的基本计算功能
中国有色金属冶金第一届学术会议
3.1.1. 艾萨法铜熔炼过程的热力学模拟[1]
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。
图1. 艾萨法工艺流程
[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2. 艾萨炉熔池有效反应区划分
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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。
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3.2.2. 含铜镍渣湿法浸出工艺提取铜和镍[4]
[3] 张振强等人. 中国有色冶金，2013, (1): 70-73.
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图14. 不同CaO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO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。
纸浆和造纸 Na-K-S-C-O-Cl-H体系 FTpulp 高温碳氧氮 极高温度下的Al-(Si-Ca-Mg-Fe)-C-O-N体系 FTOxCN 化肥FTfrtz
NH4NO3-NH4H2PO4-NH4Cl-(NH4)2SO4 及相对应 含氮肥料制造过程计算，也可用 的钾盐体系 于肥料产物及一些爆炸物的计算
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曹战民 谢伟 乔芝郁
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主要内容
FactSage软件的基本 计算功能 FactSage软件的热力 学数据库 FactSage软件在有色 冶金中的应用
Reaction
Predom E-pH Equilib Phase Diagram OptiSage Viscosity
以被溶解进入溶液中。
图15. Cu-H2O体系100 oC E-pH图
[4] H.M. Henao, et al. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, 41(6): 1183-1193.
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利用 E-pH 模块计算了 Ni-H2O 体系 100
Al2O3 使磷石英1. 计算的铜渣液相线温度随Fe/SiO2的变化
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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： • 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.% 。
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2. FactSage软件的热力学数据库
数据库 主要内容 应用领域
纯 物 质 4776种纯物质的热化学数据（焓、熵、热容）以及 FactPS 部分物质的磁性参数、膨胀系数及压缩系数 氧 化 物 超过 20 种元素的氧化物体系，其中 Al2O3 、 CaO 、 冶金、煤燃烧、陶瓷、化工、地 FToxid FeO、Fe2O3、MgO、SiO2等主要组元组成的相关体 质等领域和有色金属火法冶金过 系已经进行全部浓度范围内的优化与评估 程的炉渣、耐火材料等相关体系 熔 盐 29种阳离子（Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、 活泼金属的高温熔盐电解过程的 FTsalt Ba 、 NH4 、 Mn 、 Al 、 Fe(II) 、 Fe(III) 、 Co 、 Ni 、 Pb 、电解质体系等 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 ） 电 解 铝 电解铝生产相关熔盐电解质的氟氧化物体系 FThall （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
CaO 、 MgO 、 Al2O3 （点线）和目标组成
（虚线）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 、
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3.1.2. 铜渣液相线温度的计算[2]
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。 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。
3.2.1. 镍冶炼新渣型成分范围选择[3]
研究背景：为解决高硅酸铁废渣利用中还 原提铁困难的问题，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13. 不同MgO含量下CaO-SiO2-FeO-MgO系液相面投影图
oC的E-pH图
：
• • •
NiO(s) 在电位大于 -0.4 ， pH 为 -2 至 7.8 范围内以Ni2+形式存在于溶液中。 当 pH 大于 9 时以 HNiO2- 形式存在于溶 液中。 从热力学上来看，镍在酸性或碱性条 件下都可以被溶解进入溶液中。
图16. Ni-H2O体系100 oC E-pH图
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数据库
主要内容 熔锍体系（S-Cu-Fe-Ni-Co-Pb-Zn-As等）
应用领域 硫化矿的火法熔炼、吹炼等过程
综合FTmisc
Pb液（Pb, Ag, As, Au, Bi, Cu, Fe, Na, O, S, Sb, 铅的火法熔炼、精炼等过程 Sn, Zn） Cu液（Cu, Pb, Zn, As, Fe, Ni, Au, S, O） 铜的吹炼、火法精炼等过程
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世界范围内主要使用FactSage软件的国家（超过1000家大学、研究所和企业）：
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材料学
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湿法冶金
电冶金
腐蚀行业
燃烧
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3.1. 铜冶金
小结：用 E-pH模块计算了100 oC时Cu-H2O、Ni-H2O系E-pH图，确定了此温度下Cu、Ni的存在 类型及各物质的稳定区域，从理论上分析了含铜镍渣酸浸出过程的热力学条件。
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3.3. 铅冶金
3.3.1. 高炉炼铅过程热力学模拟[5]
研究背景：为了解高炉炼铅过程中的物理 化学行为以及操作参数对产出的影响，从 而获得最佳工艺参数。
输入实际的生产数据后，利用Equilib模块计算得到渣、粗铅和铅锍的组成和含量。 表2. 计算值与生产值的比较
[5] P.F. Tan. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2005, 15(1): 160-164.
Sn液（Sn, Al, Ca, Ce, Co, Cr, Cu, Fe, H, Mg, Mo, 锡的火法精炼过程 Na, Ni, O, P, S, Se, Si, Ti） 水 溶 FThelg 液 超过1400种无限稀溶液的水溶液粒子，使用范 有色金属湿法冶金过程以及金属 围为350 oC到165大气压 腐蚀等 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 铝热还原等过程
图6. 熔体及烟气温度随加入石英石量的变化
图7. 熔体及烟气质量随加入石英石量的变化
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图8. 熔体及烟气温度随富氧浓度的变化
图9. 熔体及烟气质量随富氧浓度的变化
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。
图12. 计算的渣中铜含量随温度的变化
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。
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3.2. 镍冶金
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• • •
Reaction（化学反应）：计算一个计量化学反应的热力学广延量(H, G, V, S, Cp, A)的变化。
Predom（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-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）：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。
研究背景：为了有效回收含铜镍渣中的 有价金属，理论分析了含铜镍渣酸浸出 过程的热力学条件。
利用 E-pH 模块计算了 Cu-H2O 体系 100
oC的E-pH图
：
• • •
Cu(OH)2(s)在一定 pH和电位条件下， 可转换为Cu2+或Cu+进入溶液。 Cu2O(s) 在一定 pH 和电位条件下，可 转换为Cu+进入溶液。 从热力学上来看，铜在酸性条件下可
图10. 计算的铜渣液相线温度与实验值的比较
[2] H.M. Henao, et al. Metallurgical and Materials Transactions B, 2010, 41(6): 1183-1193.
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利用Phase Diagram模块分别计算了不含
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图3. 艾萨炉熔池反应物质流
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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1. 计算值与生产值的比较
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图4. 熔体及烟气温度随加入焦炭量的变化
图5. 熔体及烟气质量随加入焦炭量的变化
•
Phase Diagram（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。
•
OptiSage（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）：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）：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。
FactPS
FToxid FTsalt FTmisc FThall FThelg 铜冶金 镍冶金 铅冶金 锌冶金
FTpulp
FTOxCN FTfrtz
镁冶金
其它金属
FactOptimal
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1. FactSage软件的基本计算功能
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3.1.1. 艾萨法铜熔炼过程的热力学模拟[1]
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。
图1. 艾萨法工艺流程
[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2. 艾萨炉熔池有效反应区划分
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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。
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3.2.2. 含铜镍渣湿法浸出工艺提取铜和镍[4]