问题描述

冶金熔渣物理化学性质数据对冶金工艺的控制及优化至关重要，然而，由于高温实验困难，加之熔体性质很难从物质结构的信息中直接提取，因此，如何获取此类冶金熔渣关键物化性质数据一直是冶金领域面临的科学难题。模型预报是在有限实验基础上获取冶金熔渣关键物化性质数据的重要方法，其中以几何模型的应用最为广泛。作为CALPHAD方法的重要组成，几何模型在完全互溶体系的计算中取得了广泛的应用，却无法计算熔渣等局部互溶体系的性质。对于大多数高温冶金熔渣而言，其在应用温度范围都存在局部互溶区域，很难通过现有几何模型获取准确的物化性质数据。造成这一现象的原因，一方面在于对几何模型预报规律认识的不充分，以致新模型的发展停滞不前；另一方面，一般用户很难修改商用热力学软件的内置函数（含几何模型），以致大部分研究都是在传统模型计算结果基础上的优化，而针对模型本身的研究较少。因此，如何基于分析传统几何模型的预报机理及局限性，并针对局部互溶体系特点发展新的局部互溶几何模型？如何基于有限实验数据对新模型进行验证和优化？如何将优化后的模型与数据库打包开发计算软件，以实现冶金熔体关键物化性质数据的高通量预报？这些科学问题的解决，对于冶金熔渣关键物化性质数据的获取至关重要。

问题背景

冶金新流程的设计，需要一系列的多元熔体物理化学性质数据，这些数据主要是由西方发达国家在上个世纪研发的，并不适用于我国矿产资源贫矿多的现状。俗话说“炼钢在于炼渣”，熔渣作为最重要的冶金熔体之一，其物理化学性质已成为冶金新流程的设计的关键因素。受高温实验难度的影响，冶金熔渣关键物化性质数据分布较为零散，相关实验数据以西方国家上世纪报道的结果为主，且国内没有相关系统的数据库。近几十年来，随着国内钢铁工业的迅速崛起，冶金工艺的优化和发展对熔渣物化性质的需求越来越大。国内研究队伍针对不同冶炼工艺，在熔渣物化性质测试领域积累了一定的实验数据。然而，这些实验数据相对分散且不成体系，急需将其收集整理，结合模型预报，构建冶金熔体关键物化性质数据库。此外，目前国内高端轴承钢等 “卡脖子”特殊钢种依赖进口，很大程度在于熔渣精炼工艺不过关，特殊钢的洁净性（O、N等杂质元素偏高，夹杂物多等）和均匀性（碳化物、夹杂物尺寸及分布等）达不到要求。因此，如何获取准确的熔渣物化性质数据，对解决此类“卡脖子”材料问题具有重要意义。

最新进展（截止问题发布年度）

针对熔渣和金属熔体等冶金溶液性质的计算理论，周国治课题组一直处于国际领先位置，并率先提出“几何模型”这一概念，并被国际同行所接受。其中，周国治提出的通用溶液模型（General Solution model）是目前多元系性质计算领域唯一的理论模型，它克服了二元边界选点需要人为干预的错误，实现了完全的理论自洽性；该工作已被国际同行引用两百余次，分别用于合金数据库的开发、金属玻璃的形成判据的建立以及熔盐性质的预报等领域[1-9]。关于局部互溶体系的计算，周国治课题组的工作在国际上也是领先的。他们先后提出了质量三角模型和双线段模型两类解决方法，在部分熔渣体系的的粘度、电导率和密度等性质预报中也取得了可喜的应用[10-16]。然而，几何模型的预报机理仍待深入分析，具有普遍意义的三元代表点权重公式的发展及模型的自洽性分析，仍需要在不同冶金熔渣物化性质数据的预报中进行验证和优化。

重要意义

冶金熔渣物理化学性质数据对冶金工艺的控制及优化至关重要，本课题的开展有以下三方面重要意义：

（1）完善现有熔体模型理论，发展新的几何模型，促进局部互溶体系性质计算难题的解决；

（2）基于新模型的软件开发，为几何模型理论本身的发展研发开源软件，引领模型理论研究；

（3）整合现有熔渣物化性质实验数据，开发国内自主的熔渣数据库，为“卡脖子”材料的研发提供基础数据支撑。