精炼渣组元活度理论模型及应用概述

许晓兵，曾亚南，张 喜，赵小科

（1.华北理工大学冶金与能源学院，河北 唐山 063210；2.唐山鑫晶特钢有限公司，河北 唐山 063106）

在炉渣结构理论的基础上计算炉渣组元活度，对于分析熔渣的热力学性质以及确定钢液-炉渣、钢液-夹杂物之间的热力学反应过程和反应平衡条件具有非常重要的作用，熔渣组元活度求解有以下几种方法。

1 正规溶液模型

正规溶液模型指出，当极少量一个组分从理想溶液迁移到与之相同成分的另一溶液中而形成的混合热不为零，但混合熵与理想溶液混合熵相同的溶液。这就意味着形成正规溶液时，质点的排列与理想溶液一样是完全无序的。可以由下式来表达：

在希德布兰德的基础上，该模型扩展并应用于复杂渣系，得到渣中各氧化物的活度与组成的关系。

很多学者[1-3]将该扩展模型并被广泛地应用于各种复杂体系，如FetO-(CaO-MgO)-(SiO2-P2O5)渣系，MgO饱和的FetO-CaO-MgO-SiO2渣系，分别计算了炉渣组分的活度，在一定程度上取得了与试验较为一致的结果。

2 亚正规溶液模型

正规溶液模型只考虑了最近邻原子的作用，造成应用范围有很大的局限性，为了能更好的描绘实际溶液的特点，提出了亚正规溶液模型，可以达到准确描述实际溶液的摩尔自由能的目的。即：

张晓兵[4]应用多元系亚正规溶液模型对CaO-MnOAl2O3-SiO2和CaO-MgO-Al2O3-SiO2渣系中各组元的活度进行了计算，以此为基础建立了钢液脱氧和夹杂物控制的热力学模型，用于炼钢过程脱氧、渣-金平衡和氧化物夹杂-钢液平衡的热力学分析，以控制钢液脱氧过程和氧化物夹杂成分。

此外该模型还被应用在现代相图热力学计算的CALPHAD[5]模式，提高了计算精度，计算结果和实验结果较一致。

3 拟化学近似模型

这一模型中，假设A原子和B原子形成的健是相互独立并随机分布的，健与健之间通过下面的化学反应式相连：

由于XAB=XBA，对1mol原子，混合键数为1/2NZmol，混合自由能变化为：

但实际上，溶液中的无序度不会如此之大，经修正后，混合自由能为：

Pelton等[6]引入浓度和温度的影响，修正了拟化学近似模型。修正的拟化学近似模型已经成功地用于评估一些二元、三元渣系的热力学参数和相图，以及组元活度的计算。

4 双亚点阵模型

Bragg-Williams模型在间隙固溶体和线性化合物的相平衡计算方面具有明显的优势。二元间隙固溶体Aa（C,Va）c的摩尔Gibbs自由能为：

与普通正规溶液近似相同，摩尔Gibbs自由能由三项构成：过剩自由能项、混合熵项和线性项，不同的组元为化合物。三元线性化合物（A,B）aCc的摩尔Gibbs自由能为：

值得注意的是，这里的相互作用能IAB与A—B二元系里的IAB并不相同，这一数值受到C亚点阵中原子类别的影响。

4 结论

文章系统总结分析了熔渣组分活度计算模型，并对模型的应用程度及效果进行了对比分析，为探索精炼渣组元活度计算过程模型的选择提供了参考，为后续渣-金反应提供了热力学模型参考。

随着计算机计算的快速发展，模型参数的优化及其与计算机模拟的匹配性需后续开展系列研究。