铝酸盐熔渣结构特征及黏度模型研究

Considering the fact of high aluminum steel still cannot achieve sequence casting due to unstable performances such as viscosity of aluminate-based mold fluxes and the lack of viscosity model for aluminate slag at home and abroad, the project, starting with microstructure characteristics of aluminate slag, will combine molecular dynamic simulations and viscosity and electrical conductivity measurements to study the influence mechanism of acidic oxides, alkaline oxides and fluorides on Al-O network structure, clear the interaction mechanism between structure parameters such as network former, metal cation, fluorine ion, tricluster oxygen Ot, high-coordinated Al and [AlO4]5- tetrahedron, and clarify the influence rule of components on viscosity and electrical conductivity measurements, so that component ranges with stable Al-O structure features can be obtained and (semi) quantitative relationship between composition, microstructure and macro-property can be established. Then, based on the distribution of Qi species, FactSage viscosity model with Al2O3 as main network former can be built combing the viscosity measurements of simple slag to achieve viscosity model for aluminate slag with high accuracy and wide applicability. The study provides a scientific basis for the composition design and performance prediction of aluminate slag, and has some theoretical significance and supporting value for the development of aluminate slag.

针对国内外铝酸盐基保护渣因黏度等特性不稳定而无法实现高铝钢多炉连浇，以及缺乏铝酸盐熔渣黏度模型的现状，本项目从铝酸盐熔渣微观结构特征入手，结合分子动力学模拟计算和黏度及电导率性能测试，研究酸性氧化物、碱性氧化物和氟化物对Al-O网络结构的影响机制，明确铝酸盐熔渣中网络形成体、金属阳离子、氟离子、三配位氧Ot、高配位Al与[AlO4]5-四面体等结构参数之间的作用机制，阐明组分对熔渣黏度和电导率的影响规律，从而获得Al-O网络结构稳定的组分范围，并建立铝酸盐熔渣组分-微观结构-宏观性能之间（半）定量化关系。然后，基于铝酸盐熔渣结构单元Qi分布，结合简单铝酸盐熔渣黏度实测值，建立以Al2O3为主要网络形成体的FactSage黏度模型，获得准确性高、适用性广的铝酸盐熔渣黏度模型。这为铝酸盐熔渣成分设计及性能预测提供科学依据，对铝酸盐熔渣技术发展具有一定理论意义和支撑作用。

针对国内外铝酸盐基保护渣因黏度等特性不稳定而无法实现高铝钢多炉连浇，以及缺乏铝酸盐熔渣黏度模型的现状，本项目从铝酸盐熔渣微观结构特征入手，结合宏观性能测试，研究酸性氧化物、碱性氧化物和氟化物对铝酸盐熔渣微观结构及宏观性能的影响机制，并建立以Al2O3为主要网络形成体的FactSage黏度模型。研究结果表明：（1）铝酸盐熔渣中Ca-O为离子键，B-O和Al-O为电荷转移键，并且每个O与B结合形成稳定的电子云连接，有利于B-O网络结构的稳定，而与Al成键的各个O之间的稳定电子云连接较少，这可能是Al2O3形成两性氧化物的根本原因。随着CaO/Al2O3比增加，熔渣聚合度降低，而随B2O3含量增加，熔渣复杂三维结构聚合度、对称性和均匀性呈现降低趋势，过热度增加，因此熔渣高温黏度降低和电导率增加；（2）Mx+靠近[AlO4]5-四面体的顺序为Mg2+<Ca2+<Ba2+<Na+<K+，说明铝酸盐中主要靠碱金属阳离子平衡[AlO4]5-四面体的负电过剩，而碱土铝酸盐中会形成更多AlV以平衡[AlO4]5-四面体的负电过剩。综合Mx+、Ot和AlV的相互协同作用，当MxO含量一定时，熔体结构复杂程度为MAC<NAC<KAC<BAC。因此，不同C/A条件下碱性氧化物对铝酸盐熔渣黏度等宏观性能的影响，取决于金属阳离子、三配位氧Ot和高配位Al对[AlO4]5-四面体电荷补偿的协同作用机制；（3）在各个温度下，CaF2含量增加，熔渣复杂三维结构聚合度呈现降低趋势，此外，熔渣过热度（测试温度与熔化温度的差值）增加，从而熔渣高温黏度降低和电导率增加；（4）基于熔渣结构单元分布，结合FactSage黏度模型及黏度实测值，获得纯Al2O3以及Al2O3-CaO（MgO、Na2O）二元系的黏度模型，拟合效果较好。但是，其它二元渣系以及更复杂渣系，还有待进一步研究。