CaO-SiO2-Al2O3-Na2O體系熔體微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、CaO-SiO2-Al2O3-Na2O四元體系是冶金領(lǐng)域中非常重要的一個(gè)基礎(chǔ)渣系，常用于精煉渣和連鑄保護(hù)渣中，精煉渣和連鑄保護(hù)渣對(duì)于高溫冶金提煉過程中的重要一環(huán)，其結(jié)構(gòu)對(duì)于一些有價(jià)元素的提取，分離以及鋼水的保護(hù)有著極為重要的影響。因此，研究隨著堿度、Na2O、Al2O3等成分變化對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的影響是極為必要的。
　　本文以Materials Studio8.0軟件為計(jì)算平臺(tái)，采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法先對(duì)二元體系SiO2-Al2O3和

2、三元體系CaO-SiO2-Al2O3、Na2O-SiO2-Al2O3進(jìn)行模擬；然后在二元和三元模擬的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上對(duì)CaO-SiO2-Al2O3-Na2O四元體系展開分子動(dòng)力學(xué)模擬研究，通過對(duì)體系結(jié)構(gòu)中的氧分布、四面體微結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)聚合度等結(jié)構(gòu)信息的變化研究，考察了Na2O、Al2O3和堿度對(duì)體系結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的影響規(guī)律，討論建立黏度和微觀結(jié)構(gòu)信息之間的關(guān)系。研究主要結(jié)論如下：
　　1.在常壓條件下，SiO2-Al2O3二元熔融體系中

3、的Si都是以Si-O四面體的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)存在于體系中，Si-O的平均鍵長在1.61～1.62?之間；Al在SiO2-Al2O3熔融體系中主要以網(wǎng)絡(luò)形成子的角色存在，即主要是形成Al-O四面體結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性不如Si-O四面體，并且隨著Al2O3含量的增加，Al-O的平均鍵長有一個(gè)緩慢增大的趨勢(shì)；Al2O3含量增加到一定量時(shí)會(huì)生成五配位的鋁，甚至還有可能生成六配位鋁；鋁回避原則并不是存在于所有的硅酸鹽體系中，而是只有在體系中Si有足夠多

4、且足以將Al-O四面體分隔開使Al-O四面體相互之間不會(huì)發(fā)生連接的情況下才存在的。
　　2.當(dāng)固定Al/Si比，往SiO2-Al2O3體系中分別加入CaO和Na2O，研究發(fā)現(xiàn)Ca（Na）/Al比的增加和Al/Si比的降低都有利于提高體系中[AlO4]四面體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。（1）在CaO-SiO2-Al2O3和Na2O-SiO2-Al2O3體系中，當(dāng)Ca/Al等于1/2和Na/Al等于1/1時(shí)，體系中的橋氧含量和四面體微結(jié)構(gòu)Qn含量都

5、達(dá)到了最大值，表明體系網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的聚合度達(dá)到了最大。（2）在Ca/Al小于1/2和Na/Al小于1/1時(shí)，體系中的Ca2+和Na+都為Al3+替換Si4+提供電荷補(bǔ)償，使部分作為網(wǎng)絡(luò)中間子的Al3+轉(zhuǎn)換成網(wǎng)絡(luò)形成子，而增加體系結(jié)構(gòu)聚合度；而當(dāng)Ca2+和Na+過剩時(shí)，它們作為網(wǎng)絡(luò)修飾子對(duì)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行解聚。
　　3.在CaO-SiO2-Al2O3-Na2O體系中，發(fā)現(xiàn)Na+優(yōu)先于Ca2+對(duì)體系進(jìn)行修飾和電荷補(bǔ)償，并且Na+離子的電荷補(bǔ)償