精煉渣組元活度理論模型及應用概述

許曉兵，曾亞南，張 喜，趙小科

（1.華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2.唐山鑫晶特鋼有限公司，河北 唐山 063106）

在爐渣結構理論的基礎上計算爐渣組元活度，對于分析熔渣的熱力學性質以及確定鋼液-爐渣、鋼液-夾雜物之間的熱力學反應過程和反應平衡條件具有非常重要的作用，熔渣組元活度求解有以下幾種方法。

1 正規溶液模型

正規溶液模型指出，當極少量一個組分從理想溶液遷移到與之相同成分的另一溶液中而形成的混合熱不為零，但混合熵與理想溶液混合熵相同的溶液。這就意味著形成正規溶液時，質點的排列與理想溶液一樣是完全無序的。可以由下式來表達：

在希德布蘭德的基礎上，該模型擴展并應用于復雜渣系，得到渣中各氧化物的活度與組成的關系。

很多學者[1-3]將該擴展模型并被廣泛地應用于各種復雜體系，如FetO-(CaO-MgO)-(SiO2-P2O5)渣系，MgO飽和的FetO-CaO-MgO-SiO2渣系，分別計算了爐渣組分的活度，在一定程度上取得了與試驗較為一致的結果。

2 亞正規溶液模型

正規溶液模型只考慮了最近鄰原子的作用，造成應用范圍有很大的局限性，為了能更好的描繪實際溶液的特點，提出了亞正規溶液模型，可以達到準確描述實際溶液的摩爾自由能的目的。即：

張曉兵[4]應用多元系亞正規溶液模型對CaO-MnOAl2O3-SiO2和CaO-MgO-Al2O3-SiO2渣系中各組元的活度進行了計算，以此為基礎建立了鋼液脫氧和夾雜物控制的熱力學模型，用于煉鋼過程脫氧、渣-金平衡和氧化物夾雜-鋼液平衡的熱力學分析，以控制鋼液脫氧過程和氧化物夾雜成分。

此外該模型還被應用在現代相圖熱力學計算的CALPHAD[5]模式，提高了計算精度，計算結果和實驗結果較一致。

3 擬化學近似模型

這一模型中，假設A原子和B原子形成的健是相互獨立并隨機分布的，健與健之間通過下面的化學反應式相連：

由于XAB=XBA，對1mol原子，混合鍵數為1/2NZmol，混合自由能變化為：

但實際上，溶液中的無序度不會如此之大，經修正后，混合自由能為：

Pelton等[6]引入濃度和溫度的影響，修正了擬化學近似模型。修正的擬化學近似模型已經成功地用于評估一些二元、三元渣系的熱力學參數和相圖，以及組元活度的計算。

4 雙亞點陣模型

Bragg-Williams模型在間隙固溶體和線性化合物的相平衡計算方面具有明顯的優勢。二元間隙固溶體Aa（C,Va）c的摩爾Gibbs自由能為：

與普通正規溶液近似相同，摩爾Gibbs自由能由三項構成：過剩自由能項、混合熵項和線性項，不同的組元為化合物。三元線性化合物（A,B）aCc的摩爾Gibbs自由能為：

值得注意的是，這里的相互作用能IAB與A—B二元系里的IAB并不相同，這一數值受到C亞點陣中原子類別的影響。

4 結論

文章系統總結分析了熔渣組分活度計算模型，并對模型的應用程度及效果進行了對比分析，為探索精煉渣組元活度計算過程模型的選擇提供了參考，為后續渣-金反應提供了熱力學模型參考。

隨著計算機計算的快速發展，模型參數的優化及其與計算機模擬的匹配性需后續開展系列研究。