Factsage软件在冶金工程教学中的应用.pdf

化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications110 第49卷第7期2023年7月随着信息技术的发展，很多教师把信息技术融入课堂教学中，取得了较好的教学效果1-14。信息技术的应用既能够加深学生对教材理论知识的理解，发挥其学习的主动性，又可提高其利用计算机解决实际工程问题的能力，对提高冶金工程课程的教学质量和效果具有重要意义。Factsage 是加拿大一家公司开发的热力学计算软件15，目前已被广泛应用于高校教学和科研，该软件是一款功能十分强大的热力学计算软件，不仅集成了数千种纯物质热力学数据库，还包括评估并优化过的数百种金属溶液、氧化物液相，以及固相溶液、熔盐、水溶液等溶液数据库。因此，FactSage 软件能充分契合冶金工程专业课程教学的要求，帮助学生深入学习相关知识点，从而提高工程应用能力。本文对Factsage 软件在冶金工程课程教学中的应用举例，教学内容为钢铁冶金学中炼钢工艺章节。1 问题的提出某钢铁厂转炉炼钢的过程中，出现了炉渣“返干”的情况，也就是炉渣中出现高熔点的化合物使炉渣黏度降低。转炉炼钢的温度1 400-1 600，炉渣的大部分成分为 CaO，SiO2，FeO，还有少量的 MgO，CaF2，P2O5等物质。在钢铁冶炼中，“炼好钢关键在于炼好渣”，可以利用 Factsage 软件分析如何解决炉渣“返干”问题。教师可以在讲解转炉炼钢工艺时，结合 Factsage 软件对转炉炼钢过程进行分析。2 绘制CaO-SiO2-FeO三元相图根据工程案例中出现的问题，因为炉渣的大部分成分为 CaO，SiO2，FeO，先绘制 CaO-SiO2-FeO 三元相图，采用 FactSage 软件进行模拟计算，从 CaO-SiO2-FeO 三元体系相图、温度、成分方面进行分析，加深学生对相图的理解、认识和应用，真正地把理论与实践结合起来。可采用 FactSage7.2软件的 Phase Diagram 模块，Phase Diagram 模块可以计算和编辑二元、三元或者多元相图。本案例中的炼钢温度为1 3001 600，因此用Factsage 绘制1 400的相图。为了确定一定温度下相平衡的关系及相的组成，可由相图内该温度的等温线画出等温截面图。利用等温截面图，可以了解在该温度下熔渣体系处于什么状态，以及熔渣体系组成改变时相态改变的情况和方向。由图1分析1 400等温截面图，结合炼钢工艺特点，可以看到造成熔点升高的原因是第8个相区出现了 a 物相，a 为 C2S（正硅酸钙）和 F2S（铁橄榄石）的固溶体，其中95%以上为 C2S，由表1可知，C2S在所有化合物中熔点最高，达到了2 130，C2S 的析出使炉渣的熔点升高，从而造成“返干”。在炼钢过程中要控制“返干”，就要控制 a 的析出。摘要：将 Factsage 软件应用于冶金工程的教学与实践中，并结合工程案例对 Factsage 软件的应用进行了详细说明，让学生掌握用计算机模拟解决冶金实际问题的基本方法。采用该方法可以有效地将理论知识与工程实践结合，提高了学生的工程应用能力，充分调动了他们学习的积极性。关键词：Factsage 软件；冶金工程；教学中图分类号：G642文献标志码：B文章编号：10036490（2023）07011003The Application of Factpage Software in Metallurgical Engineering TeachingLi Song，Zhu Shan，Zhang Zhi-xia，Zheng Xue-mei，Ma Ai-yuanAbstract:The Factage software was applied to the teaching and practice of metallurgical engineering,and the application of Factage software was explained in detail with engineering cases,enabling students to master the basic methodsofusingcomputersimulationtosolvepracticalmetallurgicalproblems.Adoptingthismethodcaneffectivelycombine theoretical knowledge with engineering practice,improve students engineering application ability,and fully mobilize their learning enthusiasm.Keywords:factpage software;metallurgical engineering;teachingFactsage软件在冶金工程教学中的应用李 松，朱 山，张志霞，郑雪梅，马爱元（六盘水师范学院化学与材料工程学院，贵州六盘水 553004）收稿日期：20230516基金项目：贵州省一流专业（GZSylzy202103）；六盘水师范学院专业综合试点改革（LPSSYzyzhggsd202002）；六盘水师范学院重点学科建设项目（LPSSYZDXK202001）；六盘水师范学院一流课程（省级金课）建设项目（LPSSYylkz202115）；六盘水师范学院科技创新团队项目（LPSSYKJTD201801）。作者简介：李松（1988），男，贵州盘州人，副教授，主要研究方向为冶金工程教育教学改革。化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications 111第49卷第7期2023年7月1、L+SiO4；2、L；3、L+SiO4+CaSiO3；4、L+CaSiO3 5、L+CaSiO3+CaSi3O7；6、CaSi3O7+a；7、L+CaSi3O7+a；8、L+a；9、Ca3SiO5+Monoxide+a；10、Ca3SiO5+a；11、Monoxide+a；12、Monoxide+L+a ；13、L+Monoxide图1 CaO-SiO2-FeO渣系1 400等温截面相图表1 1 400等温截面图中化合物的性质 编号化合物简略表示名称熔点/1CaO SiO2CS硅灰石1 54423CaO 2SiO2C3S2硅钙石1 4643CaO 2SiO2C2S正硅酸钙2 130453CaO SiO22FeO SiO2C3SF2S硅酸三钙铁橄榄石1 250-1 8001 2083 CaO-SiO2-FeO三元相图的应用根据绘制的 CaO-SiO2-FeO 三元等温截面图，结合炼钢工艺引导学生思考解决“返干”问题的思路。图1中第8个相区出现了 a，图1的三元相图只能看到1 400的相图截面，为了研究温度对 a 析出的影响，在相图中第8相区选取一个成分 A，图1中已经标示出，A 点组成如表2所示，运用 FactSage7.2的Phase Diagram模块绘制CaO-SiO2-FeO三元等温线图。图2为 CaO-SiO2-FeO 三元等温线图，等温线图可以观察到液相区不同温度的变化情况。表2 A点成分组成（质量分数%）CaOSiO2FeO301060图2 CaO-SiO2-FeO三元等温线图由图2结合图1分析可知，相图中的液相区随着温度升高的过程逐渐扩大，液相区的扩大使原来处于高熔点物质析出的区域转为液相区。以 A 点为例，1 400时处于固相析出区域，到1 500以上完全为液相，因此要保证不析出高熔点物质，可以升高温度到1 500以上。升高温度可以逐渐减少高熔点的物质，可以使炉渣的熔点降低，从而抑制“返干”现象。由于炉渣的大部分成分为 CaO，SiO2，FeO，还有少量的 MgO，调整熔渣体系成分也可以抑制“返干”现象的出现。调整成分可以从两个方面考虑，一是调整三元相图的组成成分，二是调整 MgO 等其他组成成分。由图1等温截面图可知，相区8析出高熔点物质，相邻的相区2为液相，可以调整成分，使组分组成在相区2里面，从相图可知，增加 CaO 的质量分数可使组分由相区8向相区2移动，石灰的主要成分为 CaO，因此增加石灰可以控制高熔点物质的析出。图3为 A 点组成加入 MgO 质量以后对炉渣熔化温度的影响，可以看出，随着炉渣中 MgO 质量分数的增加，炉渣的完全熔化温度先降低后增大，在 MgO 为3%左右完全熔化温度最低，适当增加MgO 有利于炉渣完全熔化温度的降低，最低温度为1 460。增加3%的 MgO 的情况下，只需要温度升高到1 460以上就可以不析出高熔点物质。图3 MgO质量分数对炉渣完全熔化温度的影响4 教学效果在教学中，指导学生从工程实践中提炼出问题，用 Factsage 软件结合课本的理论解决工程实践中的问题。由于案例结合具体工业生产实际，在教学中可以从不同的角度来分析问题，形成主动学习与讨论的氛围，培养了学生主动学习的习惯与能力，使其充分参与到教学过程中，并在这个过程中锻炼了利用信息技术解决问题的能力。通过 Factsage 软件在冶金工程教学中的实践，真正将理论知识初步运用到工程实践中。5 结束语将 Factsage 软件应用于冶金工程的教学与实践中，能够有效地将理论知识与工程实践相结合，加深了对冶金工程课程的理解与运用，真正培养了企业所需要的应用型人才。结合工程案例，利用 Factsage 软件中的 Phase Diagram 模块和 Equilib 模块，计算并绘制了 CaO-SiO2-FeO 三元相图，通过分析1 400等温截面图，（下转第117页）化工教学化 工 设 计 通 讯Chemical TeachingChemical Engineering Design Communications 117第49卷第7期2023年7月高学生的工程素质和应用能力。因此，健全校内大赛工作机制，不仅能够提升教师专业能力，还能提高学生的参与度。目前我院学生对大赛的认知水平参差不齐，针对这一现状，制定了详细的赛事制度，并展开阶梯式训练。通过学生参赛过程，不断加强基础知识学习和基本技能训练，努力提高学生综合设计能力和工程应用能力。5）建立健全虚拟仿真实训中心。化学工程与工艺专业的实践环节，包括实验、课程设计、实习实训、科技创新等多种形式。该环节涉及高危环境且实施过程高成本、高消耗，许多操作不可及或不可逆的。因此，构建真实实验和虚拟实验相结合的虚拟仿真实训中心，为学生提供可靠、安全的实验项目十分重要7。我院虚拟仿真实训中心，采用“实物+半实物+虚拟仿真”的建设理念，设计建设“基础训练+综合提升+生产培训”3级教学体系。涉及化学化工实验、化工单元过程实训、工艺流程培训、化工安全与环保培训、化工过程设计与模拟实训等，旨在实现“工程型、智能型、管理型”人才的培养。其次，该实训中心能够提供一定的校外培训，使企业员工熟悉生产流程，学会操作。4 结束语以山西工学院化学工程与工艺专业为例，通过从师资、教材、赛事、教学等方面建设产教融合型特色专业课程煤化工产品开发，使学生在校期间既能对化工生产相关的理论知识有较为翔实的理解，同时虚拟仿真操作也可以帮助学生提前接触操作岗位，使我校培养的化学工程与工艺专业的学生不仅具有扎实专业理论知识、熟练操作技能、良好职业素养，还能更好地服务于地方的经济发展（毕业时具有2年工作经验）。参考文献1 莫名月,史春雨,景婷.医学检验技术专业基于模块化教学的分析化学教学实践 J.广东化工,2021,48(24):232-233.2 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