CaO-SiO2-TiO2渣系熔融結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的模擬研究.pdf

1、連鑄保護(hù)渣中通常會添加適當(dāng)?shù)姆铮–aF2）用于調(diào)節(jié)熔渣的宏觀物理化學(xué)性能（如黏度、熔點及結(jié)晶率等），以達(dá)到潤滑鑄坯和控制傳熱的目的。但是在澆注過程中氟化物不僅危害環(huán)境及人體健康，還會滲透到冷卻水中造成水體污染并腐蝕連鑄設(shè)備，增加了連鑄過程的成本，因此尋找氟化物（CaF2）的替代物以滿足連鑄需求便成為連鑄保護(hù)渣研究和開發(fā)的重點。目前廣泛研究了CaO-SiO2-Na2O以及CaO-SiO2-TiO2系無氟渣系并在某些鋼種上進(jìn)行了試驗，但

2、是CaO-SiO2-TiO2系無氟保護(hù)渣應(yīng)用于連鑄生產(chǎn)之后粘結(jié)大幅度增加，表明該渣系在潤滑和傳熱協(xié)調(diào)控制方面存在問題。由于物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)決定物質(zhì)的宏觀性質(zhì)，因此系統(tǒng)研究CaF2及TiO2對硅酸鹽體系的微觀結(jié)構(gòu)的影響對了解及開發(fā)無氟及低氟保護(hù)渣非常重要。本文首先通過分子動力學(xué)模擬（Molecular Dynamics Simulation-MD）與光譜學(xué)（Raman和FT-IR）實驗研究了CaF2和堿度對CaO-SiO2-CaF2熔渣結(jié)構(gòu)

3、的影響，探索CaF2對熔渣結(jié)構(gòu)的作用特性。其次分析TiO2和堿度對硅酸鹽結(jié)構(gòu)的影響，考察TiO2在熔渣微觀結(jié)構(gòu)中的作用機制。最后結(jié)合模擬計算和實驗數(shù)據(jù)初步建立了組分-結(jié)構(gòu)-性質(zhì)三者之間的聯(lián)系。
　　本研究主要內(nèi)容包括：①對CaO-SiO2-CaF2熔渣結(jié)構(gòu)的研究表明，Si-O、Ca-O、Si-F、Ca-F和O-O平均鍵長分別為1.61，2.30-2.31，4.20-2.37，2.32-2.33和2.60-2.61?，而平均配位數(shù)分

4、別為4.02-4.03、4.60-5.45、0.39-1.66、0.99-4.04和3.87-5.07，與實驗值吻合。通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)CaF2在CaO-SiO2-CaF2熔渣結(jié)構(gòu)中主要作為稀釋劑充填于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)間隙中，少部分則具有降低熔渣聚合度的作用，而CaO的增加簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。CaO-SiO2-CaF2熔渣結(jié)構(gòu)紅外光譜（FT-IR）和拉曼光譜（Raman）結(jié)果表明CaF2以稀釋劑的形式存在于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，堿度的增加則降低了熔渣網(wǎng)絡(luò)的聚合

5、度。②對CaO-SiO2-TiO2熔渣結(jié)構(gòu)的研究表明，Si-O、Ca-O、Ti-O和O-O平均鍵長分別為1.61，2.30-2.32，1.93-1.94和2.63-2.64，平均配位數(shù)分別為4.02-4.06、5.93-6.33、5.61-5.78和7.68-8.03，這些數(shù)據(jù)與實驗值吻合。TiO2在CaO-SiO2-TiO2熔渣結(jié)構(gòu)中部分充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)形成子并增強網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的連接度，堿度的增加則具有簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的作用，這與紅外光譜（FT-IR

6、）和拉曼光譜（Raman）獲得的結(jié)果一致。O-Si-O鍵角分布在109°附近，接近標(biāo)準(zhǔn)四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但是O-Ti-O鍵角分布較廣，這主要和Ti4+具有多配位結(jié)構(gòu)有關(guān)。③MD模擬計算表明，CaO-SiO2-TiO2熔渣黏度隨著TiO2的增加而升高，隨著堿度的增加有降低的趨勢，這與實驗測試結(jié)果一致，表明模擬計算可以用來評估熔渣黏度變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)：熔渣微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與黏度之間具有較好的線性關(guān)系度，隨著熔渣網(wǎng)絡(luò)聚合度的增強，熔渣的高溫黏度增