用FactSage绘制相图：含铁氧化物的渣系

当渣中含有多价态金属氧化物组元时，如FeO_x、TiO_x、MnO_x，要特别注意其热力学计算设置，因为多价态阳离子的量会随着分压条件而变化，所以计算时必须正确定义系统的分压，否则需要很长的计算时间。例如，对于含铁氧化物的渣系，大多数情况下两种价态的铁离子都存在，在还原条件下主要为Fe²⁺，在氧化条件下主要为Fe³⁺。为了明确两种铁离子各自的量，通常解决的办法是定义氧分压，或者让金属Fe达到饱和。对于含铁氧化物的渣系，一般绘制的是Fe饱和条件下的相图，或者特定氧分压条件下的相图。Fe饱和条件，可通过固定Fe的活度为1或者在计算中加入极少量的Fe来实现。

下文将以渣系SiO₂-MgO-Al₂O₃-FeO（固定5% Al₂O₃）为例，用三种方法来绘制其相图。

（一）Fe饱和条件：固定Fe的活度为1

打开FactSage的Phase Diagram模块，输入如下反应物（在Data Search窗口中选择数据库[FactPS]和[FToxid]，对于更复杂的计算也可以选钢数据库[FSstel]）：

这里额外输入了组元Fe，用于设置Fe饱和条件。

接下来在Menu窗口中选择计算中可能涉及到的物相并设置计算条件。如下，点击'Select'选择'Select all solutions'选择所有默认的溶液相，另外还需选择'pure solids'固相纯物质。

在Variables窗口中选择三角相图模式，设置3个compositions条件和1个log10(a)条件。温度设为恒定值1500℃。在该温度下的固态Fe为bcc结构，因此将Fe: solid 1 - FactPS bcc的活度条件设为log10(a)=0，即活度a(Fe_bcc)为1。三角相图的A、B、C三个角分别为SiO₂、MgO和FeO，质量分数范围都为0~1。Al₂O₃的质量分数固定为5%。

设置好参数后计算相图，得到如下结果：

点击左侧的'phase equilibrium mode'模式，然后在相图中任选一点，例如选择Slag-liq相区中的一点，查看其对应的平衡相组成，如下：

由上图结果可知，为保证a(Fe_bcc)=1，需要加入或者去除Fe_bcc的质量为'- 4.0122E-04'（负号表示去除），如此可实现Fe饱和条件。

（二）Fe饱和条件：加入极少量的Fe

除了以上介绍的将a(Fe_bcc)固定为1的方法外，还可以通过加入极少量的Fe来确保Fe饱和条件。如下图所示，将Fe的质量分数设定为一个极小值1E-6，Al₂O₃的质量分数仍固定为5%。

计算得到如下相图：

可见，相图中的每一点平衡时都有Fe存在，实现了Fe饱和条件。点击左侧的'phase equilibrium mode'模式，仍然选择同一点，查看其对应的平衡相组成，如下：

可见，平衡时有4.0222E-04 g的Fe_bcc。从方法一得出，为保证a(Fe_bcc)=1，需要去除4.0122E-04 g的Fe。方法二中添加了1E-6 g Fe，4.0122E-04 + 1E-6 = 4.0222E-04，两种方法计算结果一致。这两种方法都可以实现Fe饱和条件，相比较而言，前者是更理论的计算方法，后者更实用。需要注意的是，使用方法二时加入的Fe的量不能太多，否则就成了计算其他体系的相图。

（三）固定氧分压

在某些情况下，设置Fe饱和条件有困难，那么用户还可以直接选择设置氧分压。如下图所示，在'Phase Diagram'相图计算模块的Components窗口中输入以下成分：

这里额外输入了组元O₂，以定义氧分压。

计算条件的设置类似前文，只需要在Variables窗口中将Fe的活度条件改为设置O₂的分压log10(p/atm) ，其他条件保持不变。氧分压的值需要根据实际情况来给定。如果是空气条件，那么可以设置log10(p/atm)=-0.67778（对应氧分压为0.21 atm）。

上图中设置了log10(p_O2)=-10, 即P(O₂)=10^(-10) atm。然后执行计算，得到如下相图：

可见，在该氧分压条件下，只有部分相区达到了Fe饱和，不同于之前的相图。

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