FeO-Si02-V2O3渣系溶融結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的多尺度分析.pdf

1、熔渣作為高溫冶金過程中非常重要的反應(yīng)介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對于高溫熔體中有價元素的高效分離和提取起到了至關(guān)重要的作用，也因此受到了冶金工程師和研究者的廣泛關(guān)注。然而由于其熔融狀態(tài)和大量氧化物單元間的耦合作用，其結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確實驗表征較為困難。熔渣性質(zhì)的測試相對容易一些，但這種測試仍具有一定的盲目性，無法直接對這些數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的趨勢和規(guī)律作出合理的解釋，追根朔源，仍是源于對熔渣結(jié)構(gòu)認(rèn)識的不明確。解決上述問題的關(guān)鍵就是構(gòu)建起熔渣組成.結(jié)構(gòu).性質(zhì)三者之

2、間的橋梁，實現(xiàn)尺度差異的跨越。
　　 基于此，本文著眼于轉(zhuǎn)爐提釩過程中含釩鐵水轉(zhuǎn)爐吹煉形成的釩渣，通過以密度泛函理論為基的第一性原理計算、分子動力學(xué)模擬以及X射線衍射等物相結(jié)構(gòu)表征手段，對FeO-SiO2-V2O3渣系的熔融結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行了多尺度的分析。著力從該渣系的組成出發(fā)，實現(xiàn)對其熔融結(jié)構(gòu)的模擬，并進(jìn)而通過模擬的結(jié)構(gòu)計算其性質(zhì)。具體而言，本文主要得到以下結(jié)果：
　　 ①在電子尺度上，采用基于密度泛函理論的第一性原理方

3、法對構(gòu)建的兩原子模型進(jìn)行能量計算，從而導(dǎo)出了FeO-SiO2-V2O3渣系中各離子間的相互作用勢曲線。結(jié)合Mulliken電荷分析，確定了渣中氧離子的電荷量并通過電中性原則導(dǎo)出了所有離子的電荷量，進(jìn)而實現(xiàn)了相互作用勢的分解。采用BMH勢函數(shù)擬合計算得到的離子間非庫倫勢，從而構(gòu)建起了一整套用于FeO-SiO2-V2O3渣系分子動力學(xué)模擬的勢參數(shù)。
　　 ②在原子尺度上，采用BMH勢函數(shù)及第一性原理方法構(gòu)建的勢參數(shù)實現(xiàn)了對不同溫度和

4、組成下FeO-SiO2-V2O3渣系的熔融結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬，并通過統(tǒng)計力學(xué)的方法建立起了熔渣動力學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，從而實現(xiàn)了對渣中離子擴(kuò)散系數(shù)與剪切粘度的計算。結(jié)果表明，渣中形成了較為明顯的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)。渣中主要的結(jié)構(gòu)單元是Si、V和O離子形成的離子團(tuán)簇，F(xiàn)e離子較為均勻的分布在各個團(tuán)簇周圍。團(tuán)簇之間并沒有完全分離，而是通過締合作用形成了更為復(fù)雜陰離子結(jié)構(gòu)，保持著較為穩(wěn)定的近程有序結(jié)構(gòu)。
　　 ③在相對宏觀的尺度上，采用X

5、射線衍射、掃描電子顯微鏡等對淬冷熔融釩渣的物相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，與分子動力學(xué)模擬的結(jié)果具有較好的一致性。此外，與實測的FeO-SiO2-V2O3渣系粘度比較表明，通過分子動力學(xué)模擬結(jié)合統(tǒng)計力學(xué)的方法較好的估計了渣系的粘度，在數(shù)值和規(guī)律上都有較好的一致性。
　　 ④通過本文構(gòu)建的勢參數(shù)對FeO-SiO2-V2O3渣系熔融結(jié)構(gòu)的模擬結(jié)果顯示，離子間配位距離與配位數(shù)偏小。這表明，離子間相互作用勢的分解還不夠準(zhǔn)確，導(dǎo)致離子間近程吸引作用偏