基于共存理論的熔渣組元活度的預測_畢業(yè)論文

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文檔簡介

1、　　攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文）　　基于共存理論的熔渣組元活度的預測　　學生姓名：胡超 　　學生學號： 200911103019 　　院（系）：資源與環(huán)境工程學院 <

2、;/p>　　年級專業(yè)： 2009級冶金工程1班 　　指導教師：周蘭花（教授） 　　助理指導教師： 　　二〇一三年五月<b&g

3、t;　　摘要　　通過深入體會活度等熱力學性質在冶金生產中的作用，弄清了共存理論預測熔體中組作用的原理。通過收集有關活度計算用文獻，調研計算用原始數(shù)據(jù)，根據(jù)共存理論建立CaO-SiO2、MnO-SiO2、PbO-SiO2、Na2O-SiO2、MgO-SiO2、MnO-TiO2 6組二元熔渣體系中組元作用濃度計算模型，利用計算機軟件Matlab編制了模型中關鍵參數(shù)求解方法，在

4、基礎基礎上預測得到了6組二元熔渣體系中一個組元作用濃度，并對預測結果與實驗測定值進行了對比。結果發(fā)現(xiàn)，模型計算得到的熔渣體系中組元的作用濃度與實測的活度偏差較小，表明，基于共存理論建立健的模型較為正確。　　關鍵詞：共存理論，作用濃度，活度，Matlab程序 　　ABSTRACT

5、;　　I understands the principles to predict role concentration of component in binary slag by studying function of thermodynamic thermodynamics properties such as activity in metallurgical process. After information about

6、 the activity calculation in literature are collected and original data for calculation are got, the predicted models were established for the role concentration of one component in six binary slag systems of CaO-SiO2, M

7、nO-SiO2, PbO-SiO2, Na2O-SiO2, MgO-SiO2 and MnO-TiO2 based on c　　Keywords: Coexistence theory, role concentration, activity, Matlab program　　目錄

8、　　摘要I　　ABSTRACTII　　1 緒言3　　1.1 國內外熔體組元活度預測的研究現(xiàn)狀3　　1.2 活度預測的理論及模型3<p

9、>　　1.2.1 分子理論4　　1.2.2 離子理論4　　1.2.3 共存理論4　　1.3本論文研究內容與意義5　　2 基于共存理論的熔渣中組元活度的預測6　　2.1 模型預測熔渣組元的活度原理6</p&g

10、t;　　2.2 CaO-SiO2渣系的結構單元和計算模型7　　2.2.1 CaO-SiO2渣系的性質7　　2.2.2 CaO-SiO2渣系計算模型7　　2.2.3 CaO-SiO2渣系計算結果及結論9　　2.3 MnO-SiO2渣系的結構單元

11、和計算模型10　　2.3.1 MnO-SiO2渣系的性質10　　2.3.2 MnO-SiO2渣系計算模型11　　2.3.3 MnO-SiO2渣系計算結果及結論11　　2.4 PbO-SiO2渣系的結構單元和計算模型13

12、　2.4.1 PbO-SiO2渣系的性質13　　2.4.2 PbO-SiO2渣系組元活度預測模型建立13　　2.5 Na2O-SiO2渣系的結構單元和計算模型15　　2.5.1 Na2O-SiO2渣系的性質15　　2.5.2 Na2O-SiO2渣系計算模型建立1

13、6　　2.5.3 Na2O-SiO2渣系計算結果及結論17　　2.6 MgO-SiO2渣系的結構單元和計算模型18　　2.6.1 MgO-SiO2渣系的性質18　　2.6.2 MgO-SiO2渣系計算模型19　　2.6.3

14、 MgO-SiO2渣系計算結果及結論20　　2.7 MnO-TiO2渣系的結構單元和計算模型21　　2.7.1 MnO-TiO2渣系的性質21　　2.7.2 MnO-TiO2渣系計算模型22　　2.7.3 MnO-TiO2渣系計算結果及結論22

15、;　　結論24　　參考文獻25　　致謝26　　附錄Ⅰ27　　附錄Ⅱ28

16、　　1 緒言　　1864年，瓦戈和古爾德伯格兩人提出了質量作用定律，指出了化學反應的平衡常數(shù)只隨溫度的變化而改變，與生成物或反應物的濃度無關。此定律是進行平衡常數(shù)計算的根本規(guī)律，它為研究溶液結構和冶金熔體提供了廣闊的前景。長期以來冶金學者正是考慮著如何將質量作用定律運用于冶金過程而開展工作的。冶

17、金不同模型的演變過程，體現(xiàn)了人們不斷認識客觀規(guī)律的深化過程。[1]　　從原子和分子共存理論出發(fā)制定的含化合物熔體作用濃度計算模型可以恰當?shù)胤从潮救垠w的結構本質，其計算結果符合實際，不僅可以求出兩個組元的作用濃度，而且可以求出每個結構單元的作用濃度。[2]　　用共存理論計算得到的結果與實測數(shù)據(jù)基本一致，而且所求平衡常數(shù)比較合理，那么這種理論就應更精確地反映

18、爐渣的實際，但由于這種理論還處于初步發(fā)展階段，對于許多問題尚未研究清楚，在前進道路上肯定還會碰到諸多困難，比如熱力學數(shù)據(jù)短缺、不準，實驗數(shù)據(jù)不夠，以及計算工作量較大等，同時也不能保證，在今后使用這種理論的過程中，就不會發(fā)現(xiàn)某些漏洞或缺點，但這種理論所開始的方向—“同時考慮離子和分子存在”的正確性卻是不容置疑的。[4,5]　　1.1 國內外熔體組元活度預測的研究現(xiàn)狀<

19、p>　　從最初離子理論及分子理論的提出到Meidema模型和Wagner模型提出，經歷了國內外幾代人的努力研究后解決了活度方面的部分問題，使得活度的應用變得更加廣泛實用，但其應用范圍依然受到一定的限制，各個模型都有著各自的缺陷。對此，國內外學者提出了運用共存理論模型解決活度問題，不僅使理論計算的活度值與實測活度相符同時滿足質量作用定律，而且運用“Bi-In共存模型計算程序”從而使得計算量大大減少。金屬熔體的共存理論模型適合二元、三

20、元金屬熔體、熔渣體系等等，具有較廣的應用前景。　　1.2 活度預測的理論及模型　　經過近兩個世紀無數(shù)科研工作者的努力研究，由分子理論到離子理論，經過不斷的改進研究最后運用共存理論來解決熔渣活度的預測。這期間，各種模型有著各種的優(yōu)點，但是也有著不少缺陷，通過不斷的研究進步得出共存理論則是綜合了大部分的優(yōu)點并且避免了大量的缺陷使得研究成果更加完善。下面簡單介

21、紹幾種模型。　　1.2.1 分子理論　　分子理論是人們首先提出，正確地肯定了熔渣中有分子存在的事實，并用自由氧化物的概念解釋了爐渣脫磷、脫硫能力的變化原因。在這方面做出貢獻的有啟普曼和申克等。　　分子理論的缺點是無法解釋熔渣導電和電解及不能解決平衡常數(shù)不守常。此外，不能運用分子理論進行定量計算；分子理論不能解釋F

22、eO在脫硫中的作用；與熔渣性能缺乏聯(lián)系，無法解釋熔渣的導電性。[3,6]　　1.2.2 離子理論　　離子理論肯定了熔渣中存在離子的事實，并定性地解釋了不少冶金過程的問題。在這方面做出貢獻的學者有薩馬林、葉新、焦姆肯、弗盧德、理查森、格約瑟姆等。[3]　　作為爐渣離子理論的創(chuàng)始人之一的薩馬林對完全離子理論補充道：“

23、在熔化晶體和進一步過熱溶液中，離子鍵會部分地轉變成飽和共價鍵，這會促進孤立原子團或分子的生成”。由于這種理論不能解決常數(shù)不守常和熔渣導電差異性等問題，前蘇聯(lián)學者丘依考進而提出了考慮未分解化合物的爐渣離子理論，成功地應用于渣剛間錳和磷的分配及爐渣氧化能力的計算。但該理論尚有采用等滲系數(shù)、使用平衡常數(shù)不當和對模型缺乏論證等不完美的地方。[7]　　1.2.3 共存理論<p

24、>　　學者張鑒用化學反應的事實，爐渣導電差異性，熔化能和晶格能的差別，MeO-SiO2渣系的分層現(xiàn)象，二元渣相圖中具有相同成分熔點的化合物存在，CaSiO3-CaF2渣系中黏度與CaSiO3和Ca2++2F-摩爾分數(shù)成正比關系，硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等介電物質的存在及爐渣熱力學參數(shù)和活度與其結構的一致性等八個方面的事實，對前蘇聯(lián)丘依考教授提出的考慮未分解化合物的爐渣離子理論進行了論證，同時將其重新命名為關于爐渣結構的共存理論。[8

25、, 9]　　共存理論解決了有關二元、三元渣系的各結構單元作用濃度的計算問題，并且已應用于多元渣系的化學熱法、渣鋼間錳的分配、低堿度渣的造渣制度、脫硫能力和脫磷能力的計算、爐渣氧化能力、泡沫渣和埋弧渣的造渣制度研究等，取得與實際符合的結果。[9]　　運用共存理論可建立各種模型，如：CaO-Cu2O-Fe2O3三元渣系組元活度的計算模型計算并繪制渣中CaO、

26、Cu2O和Fe2O3的等活度曲線，考察堿度 B 和溫度t對組元活度α(CaO)、α(Cu2O)和α(Fe2O3)的影響。；CaO-SiO2-Al2O3-MgO-FeO渣系FeO活度的計算模型，并分析了1400℃時爐渣堿度、MgO和FeO質量分數(shù)對該渣系FeO活度的影響規(guī)律[10]。　　1.3本論文研究內容與意義　　內容：</b&g

27、t;　　（1）搜集一些二元渣系相圖、對應二元渣系應用狀況及其渣系中存在的化學反應及其反應在的熱力學性能（如反應平衡常數(shù)）等內容，為二元熔渣中組元作用濃度模型建立奠定基礎；　?。?）利用共存理論建立模型預測幾組二元熔渣中組元的作用濃度模型；　?。?）針對建立的模型中關鍵參數(shù)的求算困難問題，找出一種新的求算方法；&l

28、t;/p>　　（4）利用建立的模型預測幾組二元熔渣中組元的作用濃度、并對作用濃度計算結果進行討論與分析。　　熔渣的熱力學參數(shù)（如活度）是許多領域進行新工藝開發(fā)，過程優(yōu)化及理論研究的基礎。熔體體系的數(shù)目極為龐大，要獲得實測所需要的全部數(shù)據(jù)是不現(xiàn)實的，因此采用模型預測一些金屬熔體中組元的活度（作用濃度），找出一個實用又符合實際的模型成為至關重要。從而實現(xiàn)在有限的實驗數(shù)據(jù)上

29、通過建立理論模型來對熔體中的組元活度進行預測，擴寬已有的實驗活度數(shù)據(jù)。　　2 基于共存理論的熔渣中組元活度的預測　　2.1 模型預測熔渣組元的活度原理　　通過查閱文獻，歸納總結基于共存理論的熔渣組元活度的預測模型，此模型預測二元熔渣中組元的活度的原理介紹如下[1]：　　假

30、設：對于A-B二元熔渣中含成分A的總摩爾數(shù)為b=，成分B的總摩爾數(shù)a=。設熔渣中除含有A、B結構單元外，還存在有化合物C、D，這些結構單元摩爾分數(shù)分別設為x=、y=、、。歸一后各結構單元的作用濃度為；=平衡總摩爾分數(shù)，　　設A、B、C、D存在化學反應，其對應化學平衡式設為：　　(A)+(B)=(C) ， (3.1)<

31、/p>　　2(A)+(B)=(D) ， (3.2)　　由質量平衡得：　　b= (3.3)　　a=

32、 (3.4)　　a (3.5)　　由式(1)~(5)得作用濃度的計算模型為：　　(3.6)　　，， (3.7)<p

33、>　　各組元的作用濃度為：　　(3.8)　　通過上述模型方法則可以計算出基于共存理論的熔渣一些組元的作用濃度，但是若是直接常規(guī)方法解模型中一些未知數(shù)，則計算難度很大，為解決此問題可借助計算機軟件如Matlab編程處理，各熔體組元活度預測編寫程序在后面的計算中列出。最后通過計算出的作用濃度與實測的活度之間有相對誤

34、差S（計算式見式（3.9））及偏差（計算式見式（3.10））進行對比，以檢驗所建立的模型的合理性。　　(3.9)　　(3.10)　　式(3.9)、(3.10)中，m為實驗測活度次數(shù)；Ncal,i為模型預測組元i的作用濃度；acal,i為熔

35、體中組元i的實驗測定的活度。　　2.2 CaO-SiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.2.1 CaO-SiO2渣系的性質　　CaO-SiO2渣系是冶金上最基本的渣系，影響著冶金過程還原、氧化、脫硫、脫磷等多種的反應進行，同時影響爐渣的物理性質。汽車的安全性與汽車的質量密切相關，車體越重，安全性越高，而油耗勢必增

36、加，為了解決安全性與油耗的矛盾，通常采用材料強度高還具有良好成型性的汽車用鋼。在此背景下， CaO-SiO2渣系的再結晶性能得以體現(xiàn)。含鋁鋼連鑄的時候，鋼水中鋁與保護渣中的SiO2反應導致保護渣中的Al2O3含量增加而SiO2的含量減少，導致保護渣的熱物理性能發(fā)生了變化，從而影響鑄坯的質量?，F(xiàn)今而言，對該渣系的研究比較廣泛，對其相圖也有深刻的認識，所以對其的研究也有良好的發(fā)展前景。[11]　　C

37、aO-SiO2二元系是冶金爐渣的重要體系，其中由于形成了多種性質的不同硅酸鈣，同時還普遍存在多晶轉變現(xiàn)象，此相圖（見圖3.1）比較復雜。由圖3.1可知，在不同溫度下其結構單元不同。此二元系共生成了四個化合物：C3S、C2S、C3S2、CS，其中C2S和CS是一致熔融化合物，C3S2是不一致熔融化合物，C3S則只在1250~1900℃的溫度范圍內才能穩(wěn)定存在。[1]　　2.2.2 CaO-SiO2

38、渣系計算模型　　從CaO-SiO2相圖圖3.1可知，由于CaO-SiO2渣系在不同溫度下其結構單元可以分為4種,在此，僅以1500℃的時候為例，1500℃時，其結構單元是Ca2+、O2-、SiO2、CaSiO3、Ca2SiO4和Ca3SiO5。[1]　　假設：熔渣成分為，；以熔渣成分表示的各結構單元摩爾分數(shù)為y=，x=，，，<

39、;p>　　歸一后各結構單元的作用濃度為：、、、；=平衡總摩爾分數(shù)，則：　　CaO-SiO2渣系1500℃以上的化學平衡方程式為：　　()+()=() ， (3.11)　　J/mol　　2()+()=() ， (

40、3.12)　　J/mol　　3()+()=() ， 　　J/mol (3.13)　　圖3.1 CaO-SiO2渣系相圖<

41、;b>　　質量平衡為：　　A= (3.14)　　(3.15)　　由式(3.11)~(3.15)得作用濃度的計算模型為：　　(3.16)

42、　　，， 　　， (3.17)　　各組元的作用濃度為：　　， (3.18)　　2.2.3 CaO-S

43、iO2渣系計算結果及結論　　在1773K下，反應（3.11）、（3.12）、（3.13）的平衡常數(shù)K由對應的=-RTlnK計算得出，計算結果列入表3.1中。采用Matlab編程（程序見附錄Ⅰ），求解模型（3.16）中不同A、B值下未知作用濃度nCaO，計算結果列入表3.2中。由建立的模型預測的CaO作用濃度與實測的CaO活度之間差別繪制于圖3.2 中，進一步計算按式（3.9）計算其相對誤差、按式

44、（3.10）計算偏差，結果一并列入表3.2中。　　表3.1 1773K下CaO-SiO2熔體組元CaO作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3.2 1773K下CaO-SiO2熔體組元CaO作用濃度預測結果　　圖3.2 1773K下CaO- SiO2熔體中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比<p

45、>　　(CaO計算的作用濃度N（—）與實測活度a（●）)　　計算發(fā)現(xiàn)，通過建立的模型預測的CaO-SiO2二元體系中CaO作用濃度與實測活度值之間相對誤差為25.18%，偏差為0.0037。由圖3.2發(fā)現(xiàn)，除了第一、二濃度下CaO預測作用濃度與實驗測定的活度值相關很小。結果表明，基于熔渣共存理論建立CaO-SiO2二元體系中CaO作用濃度預測較為合理。<p&g

46、t;　　2.3 MnO-SiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.3.1 MnO-SiO2渣系的性質　　MnO-SiO2渣系具有重要的性質，實踐意義以及理論價值，因為Mn在煉鋼的過程中既是合金元素而且還是重要的脫氧劑，它可以用作指示煉鋼的溫度高低情況，也就是在渣鋼間分配的時候MnO-SiO2渣系。長期以來，由于本實驗的復雜性及計算的龐大，因為使得研究進展十

47、分緩慢，但知道近代，科研工作者們開始對此有了突破性的了解，實驗進展得以加快。在此，我們也是通過MnO-SiO2渣系各組元濃度的計算模型，從而探究更多Mn的性質。[8]　　從這個二元渣系的相圖（見圖3.3）可以看出，MnO-SiO2渣系是由固相、液相和固液共存三部分組成。該相圖隨著溫度從1850℃開始下降，液相中開始析出晶體MnO，之后發(fā)生一系列共晶、包晶反應，出現(xiàn)中間產物，直到最后完全轉變成Si

48、O2。在不同的溫度下，其存在的組分都是不同的，因而其性質也會跟隨著發(fā)生改變，可以看出，此渣系有著較好的耐高溫性質。[1]　　圖3.3 MnO-SiO2渣系相圖　　2.3.2 MnO-SiO2渣系計算模型　　由圖3.3可知，MnO-SiO2渣系僅僅看有無固液相同的成分熔點，還并不能表明MnO-SiO2在渣系內部所起

49、的作用，所以只是憑靠相圖來判斷此渣系的結構單元是并不準確的。下面就先假設熔渣中是存在有MnSiO3和Mn2SiO4。　　假設：熔渣成分為，；以熔渣成分表示的各結構單元摩爾分數(shù)為x=，y=，，；歸一后的作用濃度是，，，；=平衡時各結構單元的總摩爾分數(shù)。由共存理論則：　　MnO-SiO2渣系的化學平衡方程式為：　?。?/p>

50、）+=（） (3.19)　　2（）+=（） (3.20)　　質量平衡為：　　(3.21)　　(3.22)

51、　　平衡總摩爾分數(shù)：　　(3.23)　　熔渣的各組元作用濃度：　　(3.24)　　通過上述方程整理得：<p&

52、gt;　　(3.25)　　2.3.3 MnO-SiO2渣系計算結果及結論　　在1873K下，反應（3.19）、（3.20）的平衡常數(shù)K見表3.3中。采用Matlab編程，其程序類似于求MnO-SiO2渣系中組元CaO作用濃度可以編出，此略，由此求解模型（3.25）中不同A、B值下MnO作用濃度nMnO，計算結果列入表

53、3.4中。對模型預測的nMnO與對應MnO實驗測定的活度進行比較，結果見圖3.4，計算的相對誤差、偏差結果列入表3.4中。　　表3.3 1873K下MnO-SiO2熔體組元MnO作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3.4 1873K下CaO-SiO2熔體組元CaO作用濃度預測結果　　圖3.4 1873K下MnO-SiO2熔體

54、中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比　　(MnO計算的作用濃度N（—）與實測活度a（●）)　　計算發(fā)現(xiàn)，在1600℃下，通過建立的模型預測的MnO-SiO2二元體系中MnO作用濃度與實測活度值之間相對誤差為2.601%，偏差為0.01624，結果表明了基于熔渣共存理論建立MnO-SiO2二元體系中MnO作用濃度預測合理。<

55、;p>　　2.4 PbO-SiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.4.1 PbO-SiO2渣系的性質　　PbO-SiO2渣系是煉鉛工業(yè)中十分重要的渣系，同樣，在冶金領域也有著廣闊的前景，因而此渣系受到足夠的重視，更細致的研究也正在進行中。我們可以從此相圖中看出，本渣系存在有Pb2+、O2-簡單離子以及SiO2、PbSiO3、Pb2SiO4和MnPb

56、4SiO6四種分子型的混合物。在不同的溫度下，存在不同的狀態(tài)，隨溫度的上升和下降固液之間時刻進行著變化，而PbO的濃度也隨之改變。通過相圖（圖3.5）得知結構單元，從而利用熔渣共存理論模型來得出計算的熔渣作用濃度與實測活度的對比情況。[6]　　圖3.5 PbO-SiO2渣系相圖　　2.4.2 PbO-SiO2渣系組元活度預測模型建立

57、　　由相圖圖3.5可知，PbO-SiO2渣系存在有SiO2、PbSiO3、Pb2SiO4和MnPb4SiO6四種分子型的混合物。因而本渣系的結構單元是：Pb2+、O2-簡單離子以及SiO2、PbSiO3以Pb2SiO4和MnPb4SiO6四種分子。[1]　　根據(jù)以上的結構單元，可以假設：熔渣成分為，；以熔渣成分表示的各結構單元摩爾分數(shù)為x=，y=，，；；歸一后的作用濃度是，，

58、，，；=平衡時各結構單元的總摩爾分數(shù)。由共存理論則：　　PbO-SiO2渣系的化學平衡方程式為：　?。ǎ?=（） (3.26)　　J/mol　　2（）+=（） (3.27)&

59、lt;p>　　J/mol 　　4（）+=（） (3.28)　　J/mol 　　質量平衡為：　　(3.29)<

60、;/p>　　(3.30)　　(3.31)　　平衡總摩爾分數(shù)：　　(3.32)　　通過上述方程

61、整理由式（3.30）和式（3.31）得：　　(3.33)　　式（3.29）+式（3.33）得：（3.34） 　　3.4.3 PbO-SiO2渣系計算結果及結論<

62、;p>　　在1273K下，反應（3.26）、（3.27）、（3.28）的平衡常數(shù)K1、K2、K3由對應的=-RTlnK計算得出，計算結果列入表3.5中。采用模型（3.33）、（3.34）求解模型不同A、B值下PbO作用濃度nPbO，采用Matlab編程求解，其程序見附錄Ⅱ，計算結果列入表3.6中。對模型預測的nPbO與對應PbO實驗測定的活度進行比較，結果見圖3.6，計算的相對誤差、偏差結果列入表3.6中。

63、　　計算發(fā)現(xiàn)，在1273K下，通過建立的模型預測的PbO-SiO2二元體系中PbO作用濃度與實測活度值之間相對誤差為21.63679193%，偏差為0.046826333，結果表明了基于熔渣共存理論建立PbO-SiO2二元體系中PbO作用濃度預測較為合理。　　表3.5 1273K下PbO-SiO2熔體組元PbO作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3

64、.6 1273K下PbO-SiO2熔體組元PbO作用濃度預測結果　　圖3.6 在1273K下PbO-SiO2熔體中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比　　(PbO計算的作用濃度N（—）、實測活度a（●）)　　2.5 Na2O-SiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.5.

65、1 Na2O-SiO2渣系的性質　　Na2O-SiO2渣系是鋼鐵冶金中十分基本的渣系，運用十分普遍，具有很強的脫磷、脫硫能力。隨著煉鋼技術的日益完善，對純鋼的產量、質量等方面提出更高的要求，因而此渣系的重要性也就更突出了。通過運用共存理論的模型，從而使得計算結果更精確，也就不斷完善了理論實踐。[8]　　從此渣系的相圖不難看出爐渣的各結構單元，這也就為模型

66、的運用提供了前提條件。在不同溫度下，渣系中的存在成分不同，從而不同時候其性質是不同的。 [1]　　圖3.7 Na2O-SiO2渣系相圖　　2.5.2 Na2O-SiO2渣系計算模型建立　　由圖3.7可知，Na2O-SiO2渣系存在有SiO2、Na2SiO3、Na4SiO4和Na2O·2SiO4四種分子型

67、的化合物。因而本渣系的結構單元是：Na+、O2-簡單離子以及SiO2、Na2SiO3、Na4SiO4和Na2O·2SiO4四種分子。　　根據(jù)以上的結構單元，可以假設：熔渣成分為，；以熔渣成分表示的各結構單元摩爾分數(shù)為x=，y=，，；；歸一后的作用濃度是，，，，；=平衡時各結構單元的總摩爾分數(shù)。由共存理論則：　　Na2O-SiO2渣系的化學平衡方

68、程式為：　?。ǎ?=（） (3.35)　　2（）+=（） (3.36)　?。ǎ?2=（） (3.37)　　質量平衡為：

69、;　　(3.38)　　(3.39)　　(3.40)　　通過上述方程整理得：　　(3.41)　　從

70、而可由式（3.38）和（3.41）聯(lián)立建立模型平衡方程式。 　　2.5.3 Na2O-SiO2渣系計算結果及結論　　在1373K下，反應（3.35）、（3.36）、（3.37）的平衡常數(shù)K1、K2、K3見表3.7。采用模型（3.38）、（3.41）求解

71、模型不同A、B值下Na2O作用濃度nNa2O，采用Matlab編程求解，其程序附錄Ⅱ相似，計算結果列入表3.8中。對模型預測的nNa2O與對應Na2O實驗測定的活度進行比較，結果見圖3.8，計算的相對誤差、偏差結果列入表3.8中。　　計算發(fā)現(xiàn)，在1373K下，通過建立的模型預測的Na2O-SiO2二元體系中Na2O作用濃度與實測活度值之間相對誤差為188.9094%，偏差為0.000201，結果

72、表明了基于熔渣共存理論建立Na2O-SiO2二元體系中Na2O作用濃度預測較為合理。　　上述模型也可以用回歸法來計算，但是計算量過大，推薦使用計算軟件可以簡單、快速的得出準確結果。　　表3.7 1273K下Na2O-SiO2熔體組元Na2O作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3.8 1273K下Na2O-SiO2熔體組元Na

73、2O作用濃度預測結果　　圖3.8 在1373K下Na2O-SiO2熔體中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比　　(Na2O計算的作用濃度N（—）、實測活度a（●）)　　2.6 MgO-SiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.6.1 MgO-SiO2渣系的性質</

74、p>　　由MgO-SiO2渣系的相圖的研究，我們可以知道能生成Mg2SiO4和MgSiO3兩種化合物。并且，已經有學者采用質譜儀測定了MgO、SiO2組元的活度值，以及形成這兩種化合物的標準生成自由能。如此，便可以根據(jù)爐渣結構共存理論從而計算出各組元的作用濃度。[4]　　通過此渣系相圖，能夠得知渣系的結構單元，從而運用于模型的建立。除此之外，由相圖也可看出部分性質，得

75、知此渣系的重要性，加大對此的研究，能更好的解決冶金過程中的諸多問題。[1]　　圖3.9 MgO-SiO2渣系相圖　　2.6.2 MgO-SiO2渣系計算模型　　由相圖圖3.9 可知，MgO-SiO2渣系能生成Mg2SiO4和MgSiO3兩種化合物。因此，該渣系的結構單元為、離子和SiO2、Mg2SiO4和MgSi

76、O3分子。　　假設：熔渣成分為，；歸一后的作用濃度是，，，；=平衡時各結構單元的總摩爾分數(shù)。則：　　MgO-SiO2渣系的化學平衡方程式為：　　2（）+()= (3.42)　　J/mol

77、　?。ǎ?()= (3.43)　　J/mol　　質量平衡為：　　(3.44)　　(3.45

78、)　　(3.46)　　通過上述方程整理得：　　(3.47)　　2.6.3 MgO-SiO2渣系計算結果及結論　　在1873K下，反應（

79、3.42）、（3.43）的平衡常數(shù)K1、K2由對應的=-RTlnK計算得出，計算結果列入表3.9中。采用模型（3.44）、（3.47）求解模型不同A、B值下MgO作用濃度nMgO，采用Matlab編程求解，其程序附錄Ⅱ相似，計算結果列入表3.10中。對模型預測的nMgO與對應 MgO實驗測定的活度進行比較，結果見圖3.10，計算的相對誤差、偏差結果列入表3.10中。　　計算發(fā)現(xiàn)，在1873K下，

80、通過建立的模型預測的MgO-SiO2二元體系中MgO作用濃度與實測活度值之間相對誤差為17.7878%，偏差為0.0289，結果表明了基于熔渣共存理論建立MgO-SiO2二元體系中MgO作用濃度預測較為合理。　　表3.9 1873K下MgO-SiO2熔體組元MgO作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3.10 1873K下MgO-SiO2熔體組元MgO作用濃度預測結

81、果　　圖3.10 在1873K下MgO-SiO2熔體中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比　　(MgO計算的作用濃度N（—）、實測活度a（●）)　　2.7 MnO-TiO2渣系的結構單元和計算模型　　2.7.1 MnO-TiO2渣系的性質<

82、;p>　　由于MnO-TiO2渣系具有較高的氮容量，而鋼中的含氮量有標準的定量，所以熔渣的脫氮能力則至關重要。而現(xiàn)在我們就需要建立含MnO-TiO2渣系的熱力學計算模型來解決相應的問題。其間，運用計算軟件，大幅提高了計算的準確性，使得誤差減小。[4]　　通過此渣系相圖，能夠得知渣系的結構單元，從而運用于模型的建立。除此之外，由相圖也可看出部分性質，得知此渣系的重要性，加大對此的研究，能更好

83、的解決冶金過程中的諸多問題。[1]　　圖3.11 MnO-TiO2渣系相圖　　2.7.2 MnO-TiO2渣系計算模型　　由相圖圖3.11 可知，MnO-TiO2渣系能生成Mn2TiO4和MnTiO3兩種化合物。因此，該渣系的結構單元為、離子以及TiO2、Mn2TiO4和MnTiO3分子。

84、　　假設：熔渣成分為，；歸一后的作用濃度是，，，；=平衡時各結構單元的總摩爾分數(shù)。則：　　MnO-TiO2渣系的化學平衡方程式為：　　2（）+()=2 (3.48)　　J/mol　?。ǎ?()=

85、 (3.49)　　J/mol　　質量平衡為：　　(3.50)　　(3.51)<

86、;p>　　(3.52)　　通過上述方程整理得：　　(3.53)　　通過方程式（3.50）和式（3.53）聯(lián)立可建立模型。　　2.7.3 MnO-TiO2渣系計算結果及結論

87、　　在1823K下，反應（3.48）、（3.49）的平衡常數(shù)K1、K2由對應的=-RTlnK計算得出，計算結果列入表3.11中。采用模型（3.50）、（3.53）求解模型不同A、B值下MnO作用濃度nMnO，采用Matlab編程求解，其程序附錄Ⅱ相似，計算結果列入表3.12中。對模型預測的nMnO與對應MnO實驗測定的活度進行比較，結果見圖3.12，計算的相對誤差、偏差結果列入表3.10中。

88、　　計算發(fā)現(xiàn)，在1823K下，通過建立的模型預測的MnO-SiO2二元體系中MnO作用濃度與實測活度值之間相對誤差為16.7499%，偏差為0.0291，結果表明了基于熔渣共存理論建立MnO-SiO2二元體系中MnO作用濃度預測較為合理。　　表3.11 1823K下MnO-SiO2熔體組元MnO作用濃度預測用數(shù)據(jù)　　表3.12 182

89、3K下MnO-SiO2熔體組元MnO作用濃度預測結果　　圖3.12 在1823K下MnO-TiO2熔體中組元的預測作用濃度與實驗測定的活度對比　　(MnO計算的作用濃度N（—）、實測活度a（●）)　　結論　　采用共存理論，預測了Ca

90、O-SiO2渣系、MnO-SiO2渣系、PbO-SiO2渣系、Na2O-SiO2渣系、MgO-SiO2渣系、MnO-TiO2渣系六個二元熔渣體系中組元的活度，同時應用Matlab編程求解了模型中關鍵參數(shù)。計算得到：　?。?）由爐渣結構共存理論和CaO-SiO2渣系的相圖從而制定了在1500℃溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的CaO作用濃度與實驗測定的CaO活度之間相對誤差為25.18%，偏差為

91、0.00371268。　?。?）由爐渣結構共存理論和MnO-SiO2渣系的相圖從而制定了在1873K溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的MnO作用濃度與實驗測定的MnO活度之間相對誤差為2.601%，偏差為0.01624。　　（3）由爐渣結構共存理論和PbO-SiO2渣系的相圖從而制定了在1273K溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的PbO作用濃度與實驗

92、測定的PbO活度之間相對誤差為21.63679193%，偏差為0.046826333。　?。?）由爐渣結構共存理論和Na2O-SiO2渣系的相圖從而制定了在1373K溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的Na2O作用濃度與實驗測定的Na2O活度之間相對誤差為188.9094%，偏差為0.000201 。　?。?）由爐渣結構共存理論和MgO-SiO2渣系的相

93、圖從而制定了在1873K溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的MgO作用濃度與實驗測定的MgO活度之間相對誤差為17.7878%，偏差為0.0289 。　?。?）由爐渣結構共存理論和MnO-TiO2渣系的相圖從而制定了在1823K溫度的作用濃度計算模型，由模型預測的MnO作用濃度與實驗測定的MnO活度之間相對誤差為16.7499%，偏差為0.0291。

94、除Na2O-SiO2渣系外，基于共存模型計算所得的5組熔渣中一組元的作用濃度與對應實測活度對比相差并不大，表明基于共存理論建立的爐渣模型較為正確。　　參考文獻　　[1]張鑒. 冶金熔體和溶液的計算熱力學[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2007: 297~298.　　[2]文

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100、 and Materials Transactions B, 2002, 33(1): 55~59.　　[12]李正邦. 礦物直接合金化冶煉合金鋼－理論與實踐[Ｍ]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2009.　　[13]文永才, 趙海雷,公茂秀等. 煉鋼用錳球團礦直接合金化動力學[J]. 北京科技大學學報1990,1:24~28.<

101、;p>　　[14] 周蘭花. MIVM參數(shù)的算法研究[J]. 材料科學與工程學報[J].2011,3: 45~49.　　致謝　　經過一個學期的努力終于有了部分成果，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，一份沉甸甸的畢業(yè)論文終于呈現(xiàn)在了我的面前。作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有導

102、師的督促指導以及一起學習的同學們的支持，想要完成本次設計是十分困難的。 　　在這里首先要感謝導師周蘭花老師。周老師平日里工作繁多，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，她都兢兢業(yè)業(yè)，為我們的論文做仔細的指導，特別是對于我課題中的軟件使用，給予了細心地指導。同時周老師還在思想、生活上也給我們無微不至的關懷，在此謹向周老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意，這些美好的瞬間將永遠記載在我的心中。

103、　　大學四年一晃而過，但是這其中的美好回憶是一生的，在此感謝大學四年來所有的老師，為我們打下良好的冶金專業(yè)知識基礎，這些知識部分運用到了我的畢業(yè)論文當中特別是冶金原理的運用。其次要感謝周老師課題組其余同學，他們在我論文的寫作過程中給予了我極大的幫助。　　最后感謝我的母校—攀枝花學院四年來對我的大力栽培，四年的學習生活過程讓我學會了如何做人，如何做一個對社會有用的人。</p

104、>　　附錄Ⅰ　　預測CaO-SiO2中CaO作用濃度用MATLAB計算程序： 　　%excel表中導入x,a1_exp,a2_exp;　　%a1_exp為組元CaO實驗活度值;　　%K1平

105、衡常數(shù)1;　　%K2平衡常數(shù)2;　　%K3平衡常數(shù)3;　　%x為平衡常數(shù)K1、K2、K3對應由excel輸入值;　　function [y]=cal_x(x,xx,a1_exp

106、)　　K1=x(1,1);　　K2=x(2,1);　　K3=x(3,1);　　%nn=zeros(9,2);　　%k=1;　　zynd=zeros(2

107、,1);　　%for i=0.1:0.1:0.9　　a=xx(1,1);　　b=1-a;　　syms x　　x=sym2poly(K3*(3*a-b+x)

108、*x^3+K2*(2*a-b+x)*(x+0.5*a)*x^2+K1*(a-b+x)*(x+0.5*a)^2*x-(b-x)*(x+0.5*a)^3);　　y=roots(x)　　附錄Ⅱ　　預測PbO-SiO2中PbO作用濃度用Matlab計算程序：&

109、lt;p>　　%excel表中導入x,a1_exp,a2_exp;　　%a1_exp為組元PbO實驗活度值;　　%a2_exp為組元PbO實驗活度值;　　%K1平衡常數(shù)1;　　%K2平衡常數(shù)2;</b&g

110、t;　　%K3平衡常數(shù)3;　　%xdwc3為組元PbO活度的計算值與實驗值之間的相對誤差的計算結果;　　%xdwc4為組元SiO2活度的計算值與實驗值之間的相對誤差的計算結果;　　%bc1為組元PbO活度的計算值與實驗值之間的偏差的計

111、算結果;　　%bc2為組元SiO2活度的計算值與實驗值之間的偏差的計算結果;　　%nn為組元PbO、SiO2的作用濃度計算結果;　　%x為平衡常數(shù)K1、K2、K3對應由excel輸入值;　　function [xdwc3,xdwc4,bc1,bc2,nn]=cal_N1_

112、N2(x,a1_exp,a2_exp)　　K1=x(1,1);　　K2=x(2,1);　　K3=x(3,1);　　nn=zeros(9,2);　　k=1;<p&g

113、t;　　zynd=zeros(2,1);　　for i=0.1:0.1:0.9　　a=1-i;　　b=i;　　bc=10000;<

114、;p>　　for t=0.001:0.1:1　　for tt=0.001:0.1:1　　N=fsolve( @(N)[0.5*a*N(1)-b*N(2)+(a-b)*K1*N(1)*N(2)+(2*a-b)*K2*N(1)^2*N(2)+(4*a-b)*K3*N(1)^4*N(2); 1-(0.5*a+1)*N(1)-(1-b)*N(2)-(a-b

115、+1)*K1*N(1)*N(2)-(2*a-b+1)*K2*N(1)^2*N(2)-(4*a-b+1)*K3*N(1)^4*N(2)],[t,tt]',optimset('Display','off')); %N作用濃度優(yōu)化求解　　if isreal(N)　　xx(1,1)=N(1,1);&

116、lt;p>　　xx(2,1)=N(2,1); 　　%以下以與實驗活度作對比進行偏差達最小為目標繼續(xù)優(yōu)化求N　　bc_temp1=abs(xx(1,1)-a1_exp(k,1));　　bc_temp2=abs(xx(2,1)-a2_exp(k,1));

117、bc_temp=(bc_temp1+bc_temp2);　　if bc>bc_temp & N(1,1)>0 & N(2,1)>0　　bc=bc_temp;　　zynd=N;　　end

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