金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统及方法技术方案

一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统及方法，该系统包括：反应信息采集模块、反应方程生成模块、配平模块和自由能筛选模块，反应信息采集模块获得参与熔剂反应的物质信息和杂质目标产物信息，反应方程生成模块基于反应信息、热力学数据库及反应前后元素种类不变原则，采用产物、反应物交互确定的方式，即由目标产物确定作为其余反应物的候选熔剂，再由全体反应物确定其余产物，生成海量反应方程，配平模块通过构建齐次线性方程组对收到的每个反应方程进行配平，自由能筛选模块计算配平后的反应方程的反应吉布斯自由能，并按热力学驱动力降序排列输出反应方程中涉及的反应熔剂。本发明专利技术能够极大地减少熔剂开发中的盲目性，缩短熔剂研发时间，有可能催生出一大批杂质定向去除用熔剂。

【技术实现步骤摘要】
金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统及方法
本专利技术涉及的是一种材料工程领域的技术，具体是一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统及方法。
技术介绍
现有的金属液中的杂质去除方法有偏析法、反应熔剂法等。偏析法，即利用某些杂质元素的平衡分配系数k0<1，在定向凝固中逐渐富集到最后凝固部分从而加以去除，但面临问题包括①k0>1的杂质元素无法去除，②k0接近1的杂质元素去除效率低，以及③有些希望保留的k0<1的元素也被无差别去除，再加上④最后凝固那部分金属液无法利用也是一个损失。反应熔剂法则不然，其最大优点是可以定向去除某种杂质。通常情况下添加的反应熔剂可以与特定杂质反应生成气体、沉淀、可以上浮的相或其他可以过滤去除的悬浮相。反应熔剂法的定向性是偏析法所不具备的。反应熔剂法虽然有优点，但也有不足，那就是找出一种有效的反应熔剂十分不易。以铝金属液中除铁为例，上海交通大学经过多年研究，发现硼砂(Na2B4O7)在除铁方面有一定效果，但硼砂与铁反应生成Fe2B的热力学驱动力并不是很大。此外，硼砂黏度大，虽然经过NaCl、KCl复合降低了黏度，但在铝液中的分散性仍然不是很好，限制了它的大规模工业应用。寻找一种更好的熔剂取代硼砂依然是一个艰巨的挑战。另外，传统寻找反应熔剂的方法是十分有局限的。以硼砂除铁为例，之所以会研究硼砂是基于这样的考虑：美国陶氏化学公司的科学家JamesE.Hillis等人发现，镁合金中的铁杂质可以采用加硼砂的方法加以去除。镁比铝更加活泼，在这种情况下硼砂仍可以去除低含量的铁，那么它也就有可能去除铝液中微量的铁杂质。然而必须指出的是，这样的借鉴途径显然不是总能找到的。从上述介绍可以看出，如何高效找出去除金属液中某种杂质的反应熔剂是该领域中一个亟待解决的迫切问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统及方法，通过找出热力学上能将金属液中某种杂质转化成容易去除的期望产物的一系列反应熔剂，可极大地减少熔剂开发中的盲目性，缩短熔剂研发时间，有可能催生出一大批杂质定向去除用熔剂。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术涉及一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统，包括：反应信息采集模块、反应方程生成模块、配平模块和自由能筛选模块，其中：反应信息采集模块获得参与熔剂反应的物质信息和杂质目标产物信息，反应方程生成模块基于反应信息、热力学数据库及反应前后元素种类不变原则，采用产物、反应物交互确定的方式，即由目标产物确定作为其余反应物的候选熔剂，再由全体反应物确定其余产物，生成海量反应方程，配平模块通过构建齐次线性方程组对收到的每个反应方程进行配平，自由能筛选模块计算配平后的反应方程的反应吉布斯自由能，并按热力学驱动力降序排列输出反应方程中涉及的反应熔剂。本专利技术涉及上述系统的金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选方法，包括以下步骤：步骤1)确定参与熔剂反应的物质：以某种金属液M(Metal)中去除杂质I(Impurity)为例。显然，杂质I是必须参与反应的，金属溶剂M是否参与反应需视其活泼性而定：当M很活泼，可以让其参与反应，即M、I同时作为反应物；反之，可以只让I作为反应物。这里M可以是化学元素周期表中的任何金属元素，I可以是除M之外的任何元素。步骤2)确定杂质目标产物：杂质的目标产物，可以是某种气态物质，即在反应生成后能从金属液中自行逸走，也可以是某种沉淀相、可以上浮的低密度相或者可以过滤去除的悬浮相。以某种金属液M中去除杂质I为例，这种目标产物可以选择二元化合物ImJn(J≠M)、三元化合物ImJnKo或四元化合物ImJnKoLp。在目标产物是三元或四元化合物且M参与反应的情况下，J、K、L中的某个元素允许是M，m、n、o、p为正整数。考虑到目前热力学数据库中四元以上物质较少以及筛选的运算量随产物元素种数增加而快速增长，目标产物中的元素以不超过四种为宜，但本方法显然可以轻易推广到四元以上。步骤3)构造满足条件的化学反应方程，具体步骤包括：3.1)分析目标产物，在热力学数据库中找出所有可作为反应物的物质，形成初步的候选反应熔剂库，其中目标产物中的每个非M、I元素只能来自单一物质以保证候选熔剂由尽可能少的物质组成，对于二元、三元及四元目标产物，分别判断：i)当反应目标产物为二元化合物ImJn(J≠M)：在热力学数据库中找出所有含J元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L1(Library1)。显然，只有保证候选熔剂中含J元素才有可能生成目标产物ImJn。ii)当反应目标产物为三元化合物ImJnKo，进一步判断：a.J或者K中有一个为M元素且溶剂M参与反应：假定J＝M，在热力学数据库中找出所有含K元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L2；b.J、K均不为M元素，不论溶剂M参与或不参与反应：①在热力学数据库中找出所有同时含J、K元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L3；②在热力学数据库中找出所有含J(不含K)及含K(不含J)元素的物质分别构成初步的候选反应熔剂库L4与L5；iii)当反应目标产物为三元化合物ImJnKoLp，进一步判断：a.J、K、L中有一个为M元素(假定J＝M)且溶剂M参与反应：①在热力学数据库中找出所有同时含K、L元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L6；②在热力学数据库中找出所有含K(不含L)及含L(不含K)元素的物质分别构成初步的候选反应熔剂库L7与L8；b.J、K、L均不为M元素，不论溶剂M参与或不参与反应：①在热力学数据库中找出所有同时含J、K、L元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L9；②在热力学数据库中找出所有含J(不含K、L)、含K(不含J、L)及含L(不含J、K)元素的物质分别构成初步的候选反应熔剂库L10、L11与L12；③在热力学数据库中找出所有含K、L(不含J)、含J、L(不含K)及含J、K(不含L)元素的物质分别构成初步的候选反应熔剂库L13、L14与L15；3.2)根据反应目标产物以及溶剂M是否参与反应的输入条件构建反应物组合，如下表所示：表1.反应物组合上表中，除M、I外，其余物质筛选时穷尽所有可能选择。以目标产物为ImJnKoLp，J、K、L≠M但M参与反应为例，M+I+L9中的L9意味穷尽所有候选反应熔剂库L9中的物质，M+I+L10+L11+L12的L10+L11+L12意味从L10、L11与L12三个库中各取一种物质形成一个组合并穷尽所有可能，其余可类推。3.3)根据反应物组合找出热力学数据库中所有可以作为生成物的物质。以表1中的一种反应物组合M+I+L3为例说明如何找出所有候选生成物。对于L3库中的一种物质，它至少含有J、K两种元素，但它也可能含有别的元素如N、O等。假定该物质就只额外含N、O两种元素且它们均非M、I元素，则反应物组合M+I+L3的这样一个具体实例中将含有M、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统，其特征在于，包括：反应信息采集模块、反应方程生成模块、配平模块和自由能筛选模块，其中：反应信息采集模块获得参与熔剂反应的物质信息和杂质目标产物信息，反应方程生成模块基于反应信息、热力学数据库及反应前后元素种类不变原则，采用产物、反应物交互确定的方式，即由目标产物确定作为其余反应物的候选熔剂，再由全体反应物确定其余产物，生成海量反应方程，配平模块通过构建齐次线性方程组对收到的每个反应方程进行配平，自由能筛选模块计算配平后的反应方程的反应吉布斯自由能，并按热力学驱动力降序排列输出反应方程中涉及的反应熔剂。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选系统，其特征在于，包括：反应信息采集模块、反应方程生成模块、配平模块和自由能筛选模块，其中：反应信息采集模块获得参与熔剂反应的物质信息和杂质目标产物信息，反应方程生成模块基于反应信息、热力学数据库及反应前后元素种类不变原则，采用产物、反应物交互确定的方式，即由目标产物确定作为其余反应物的候选熔剂，再由全体反应物确定其余产物，生成海量反应方程，配平模块通过构建齐次线性方程组对收到的每个反应方程进行配平，自由能筛选模块计算配平后的反应方程的反应吉布斯自由能，并按热力学驱动力降序排列输出反应方程中涉及的反应熔剂。


2.根据权利要求1所述系统的金属液中杂质定向去除用反应熔剂的优化筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)确定参与熔剂反应的物质；
步骤2)确定杂质目标产物；
步骤3)构造满足条件的化学反应方程，具体步骤包括：
3.1)分析目标产物，在热力学数据库中找出所有可作为反应物的物质，形成初步的候选反应熔剂库；
3.2)根据反应目标产物以及溶剂是否参与反应的输入条件构建反应物组合；
3.3)根据反应物组合找出热力学数据库中所有可以作为生成物的物质；
3.4)构造候选生成物组合；
3.5)由候选反应物组合与候选生成物组合构成候选方程并穷举所有可能，具体包括：①穷举所有的反应物组合，②对具体的反应物组合穷举所有的生成物组合；
步骤4)候选反应方程的自动配平；
步骤5)调用热力学数据库并计算化学反应吉布斯自由能；
步骤6)反应吉布斯自由能的排序。


3.根据权利要求2所述的优化筛选方法，其特征是，所述的确定参与熔剂反应的物质是指：当从金属液M中去除杂质I时，杂质I必须参与反应，金属溶剂M是否参与反应需视其活泼性而定，I是除M之外的任何元素。


4.根据权利要求3所述的优化筛选方法，其特征是，所述的确定杂质目标产物是指：当从金属液M中去除杂质I时，目标产物为二元化合物ImJn且J≠M、三元化合物ImJnKo或四元化合物ImJnKoLp；
当目标产物是三元或四元化合物且M参与反应的情况下，J、K、L中的某个元素允许是M，m、n、o、p为正整数。


5.根据权利要求4所述的优化筛选方法，其特征是，所述的分析目标产物是指：目标产物中的每个非M、I元素只能来自单一物质以保证候选熔剂由尽可能少的物质组成，对于二元、三元及四元目标产物，分别判断：
i，当反应目标产物为二元化合物ImJn且J≠M，：在热力学数据库中找出所有含J元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L1，即Library1，；显然，只有保证候选熔剂中含J元素才有可能生成目标产物ImJn；
ii，当反应目标产物为三元化合物ImJnKo，进一步判断：
a.J或者K中有一个为M元素且溶剂M参与反应：假定J＝M，在热力学数据库中找出所有含K元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L2；
b.J、K均不为M元素，无论溶剂M参与或不参与反应：
①在热力学数据库中找出所有同时含J、K元素的物质构成初步的候选反应熔剂库L3；
②在热力学数据库中找出所有含J且不含K，及含K且不含J，元素的物质分别构成初步的候选反应熔剂库L4与L5；
iii，当反应目标产物为三元化合物ImJnKoLp，进一步...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴永兵，张佼，疏达，孙宝德，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31