钛酸钙/镁铝尖晶石热导率非平衡分子动力学计算研究

摘要

钛酸钙(CaTiO3)与镁铝尖晶石(MgAl2O4)广泛应用于冶金工业，是连铸保护渣和高炉渣的常见成分。二者均具有高熔点、低热导率的特点，因而主导着连铸坯与结晶器间的传热过程，影响连铸坯质量，还会影响高炉渣余热的回收和利用。研究探索高温下钛酸钙与镁铝尖晶石的导热性能及其影响因素，对于连铸坯质量控制与高炉渣余热回收具有重要意义。本文基于非平衡分子动力学方法,运用Lammps软件对钛酸钙与镁铝尖晶石的热导率及其影响因素进行研究，为实验难以测量的高温热导率的计算预测提供理论基础和模型依据。 针对研究对象钛酸钙与镁铝尖晶石建立热导率计算模型，确定相应计算条件下的结构模型，筛选合适的势函数与势参数。同时调整和优化Lammps计算参数，确保计算结果的准确合理。系统研究了尺寸效应、温度、空位、反位缺陷、晶界对钛酸钙与镁铝尖晶石热导率的影响，与实验数据进行对比，验证模拟的准确性与正确性，在此基础上进一步探讨导热性能的变化规律，并对高温下的导热性能进行预测和分析。 研究结论如下： （1）尺寸效应对钛酸钙与镁铝尖晶石的热导率模拟结果均有影响，热导率随模拟体系长度增加而增加，分别达到19.10nm和22.63nm后热导率趋于稳定。 （2）温度对钛酸钙与镁铝尖晶石热导率均有明显影响。其中，100-1500K温度范围内钛酸钙热导率随温度升高呈先上升后降低趋势，并在1.36-2.15W/(m·K)变化。100-2300K温度范围内镁铝尖晶石热导率在4.73-11.54W/(m·K)变化，整体随温度升高呈降低趋势，在1000K后趋于平稳。模拟结果与实验测量值相比均较为合理。 （3）钛酸钙中点缺陷大多为钙、氧空位，且氧空位比钙空位更容易形成，钛酸钙热导率随空位数量增加而降低，钙、氧空位浓度分别超过0.38%和3.36%后，热导率降低不明显。相比于其他点缺陷，镁铝尖晶石中更易形成反位缺陷，其热导率随反位缺陷数量的增加呈先降低后升高趋势，在反位参数i=0.35时达到最小值6.95W/(m·K)。 （4）晶界的加入使钛酸钙与镁铝尖晶石的热导率明显降低，降幅最高分别可达34.24%和26.73%，其随温度的变化趋势与无晶界体系基本相同。

目录

第一个书签之前