电渣重熔渣系的分子动力学模拟研究

摘要

电渣重熔因其在高端钢种生产上的技术性与经济性的优势，其产品很好地满足了我国目前高端制造工业对高品质钢材的的需求。电渣重熔渣系的组份设计对改良电渣重熔冶炼效果具有十分重要的影响。认识熔渣的微观结构有助于更好地设计符合实际生产实践的电渣重熔渣系，进而优化电渣重熔工艺，提高产品质量。目前，对于电渣重熔渣微观结构的研究较少，组份与熔渣微观结构之间的关系也不够明确；除此之外，电渣重熔工艺的高温环境使得电渣呈离子结构特征，作为热源的渣池在实际生产中受到电场作用，处于高温电场下的复杂环境会对电渣的结构及物化性能产生何种影响，国内外亦很少有这方面的报道。因而有必要研究不同熔渣组份、电场、温度对电渣重熔渣微观结构的影响规律。
　　本文采用分子动力学模拟的方法系统研究电渣重熔渣系微观结构的变化，一方面模拟研究避免了实验成本高、难度大等问题，能有效降低研究成本；另一方面它为电渣重熔渣系设计优化提供了理论基础，对冶金熔渣微观结构变化机理以及对宏观性质的预测具有指导意义，进而能够促进提高电渣重熔产品质量。在电渣重熔过程中熔渣的组份以及高温电场下的外界条件必然影响到电渣重熔渣的物化属性和冶金性能，进而对重熔过程产生直接的影响。本文通过分子动力学模拟计算得到不同渣系的微观结构，分析了不同渣系组份含量、电场、温度对熔渣微观结构、输运特征的影响规律；根据模拟结果提出了新的特征参数用于分析熔渣的宏观性质如电导率、黏度随组份含量变化的规律，结果与文献以及实验数据相吻合。通过本文的研究，得到主要结论如下：
　　①电场下高温的电渣重熔渣依旧在近程表现有序结构，熔渣近程有序的范围约为8?以内。电渣重熔渣近程有序的结构稳定，即使渣中成分发生改变，同一粒子对的键长基本不变。
　　②对CaF2-CaO-Al2O3渣系，电场对渣中Al-O结构体有解聚作用，该作用可从机理上解释直流电场会导致冶金熔渣黏度减小、熔化性温度下降的原因。电场存在使渣中Al-F粒子对之间的相互作用增强，Al-O之间的相互作用减弱。
　　③对CaF2-Al2O3-TiO2渣系，渣中Al-O、Ti-O结构体起骨架作用；该体系中形成了以 Ti为中心的[Ti-O-F]结构单元且熔渣中[Ti-O-F]结构单元的稳定性差于[Ti-O]结构单元；熔渣中Al-F、Al-O的配位结构不会随着TiO2含量的变化而改变；该渣系熔渣在富钛成分区域Ti与F之间相互作用将增强。
　　④对CaF2-Al2O3-CaO-MgO渣系，与渣中F相比，电场环境会引起Mg更倾向与渣中O结合；随着渣中MgO质量分数从5％增加到20%，熔渣中将出现更多的骨架单元，因而会导致熔渣黏度的升高，这与实验测量的黏度变化趋势一致。
　　⑤电渣重熔渣中F的扩散能力远强于其他粒子，Ca的扩散能力仅次于F，而Al、Ti、Mg、O的扩散能力较差；对于不同渣系，熔渣中F的扩散能力明显不同；对于同一渣系，温度越高，F在渣中的扩散能力越强。
　　⑥提出了特征参数α=∑υ2MSD用于表征熔渣中带电粒子传输电荷能力的强弱，该参数可根据分子动力学模拟结果计算得到，其大小可用于定性分析电导率，结果表明特征参数α与所研究的电渣重熔渣系电导率呈正相关关系。
　　⑦提出了特征参数β=∑R?MSD，可用于定性预测熔渣黏度变化，理论推导表明该特征参数与熔渣黏度呈反比，本文通过实验证实了特征参数β与熔渣黏度的这一关系，为熔渣黏度定性预测判断提供了一种全新的思路。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 熔渣微观结构的理论模型与计算

1.3 研究目的及意义

1.4 课题研究思路及内容

2 电场下分子动力学方程推导及关键模拟参数选定

2.1 电场下分子动力学方程推导

2.2 关键模拟参数选定

2.3 本章小节

3 常用电渣重熔渣系CaF2-CaO-Al2O3模拟研究

3.1 熔渣模拟组份的设定及模拟条件

3.2 熔渣的分子动力学模拟计算

3.3 电渣重熔渣系CaF2-CaO-Al2O3的结构特征

3.4 电场下CaF2-CaO-Al2O3电渣重熔渣系的输运特征

3.5 不同CaF2含量的电渣重熔渣系电导率分析

3.6 本章小结

4 重熔含钛钢的CaF2-Al2O3-TiO2电渣重熔渣系模拟研究

4.1 熔渣模拟组份的设定及模拟条件

4.2 熔渣分子动力学模拟计算

4.3 电渣重熔渣系CaF2-Al2O3-TiO2的结构特征

4.4 CaF2-Al2O3-TiO2电渣重熔渣系的输运特征

4.5 本章小结

5 重熔含镁钢及合金的CaF2-Al2O3-CaO-MgO渣系研究

5.1 熔渣模拟组份的设定及模拟条件

5.2 熔渣分子动力学模拟计算

5.3 电渣重熔含镁钢及合金渣系CaF2-Al2O3-CaO-MgO结构特征

5.4 CaF2-Al2O3-CaO-MgO电渣重熔渣系的输运特征

5.5 不同MgO含量的电渣重熔渣系黏度分析

5.6 本章小结

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读学位期间参加的学术活动

C. 作者在攻读学位期间所获奖励