分子动力学在钢铁冶金中的应用及展望

分子动力学是一种模拟物质结构和性质的方法,概括了分子动力学模拟的基本原理与技术,总结分析了分子动力学在冶金中的应用现状。基于微、介观尺度存在的小尺寸效应,简要介绍了笔者用分子动力学方法在研究钢液中纳米夹杂物的热力学、界面性质等方面的前期工作进展。基于洁净钢技术快速发展的趋势,指出分子动力学在钢铁冶金中将获得广泛应用。     

冶金离子熔体电导率测定技术进展

冶金离子熔体是高温电解冶炼、金属精炼等冶炼过程中的反应介质或多相反应的直接参与者。为保证冶炼过程的顺利进行,冶金离子熔体必须具有适宜的物理化学性质。电导率作为冶金离子熔体的一项重要物理化学性质,在冶金生产过程中对控制产品质量、生产效率、能耗和成本等具有重要意义。此外,电导率与离子熔体结构、离子迁移、导电机理和电极反应机理息息相关,研究冶金离子熔体的电导率也有助于研究冶金的基础理论。因此,电导率对冶金领域的重要性不言而喻,它的精确测定一直以来都是冶金工作者关注的一个重点。液态电解质电导率的测定通常在电导池中进行。但冶金离子熔体温度往往很高,导致电导率的测定存在困难,诸如合适的电导池的构建以及电极材料的选择。在测定原理的指导下,已经发展了多种电导率测定技术,目前测量冶金离子熔体电导率常用的方法有交流二电极法、交流四电极法、连续改变电导池常数法(CVCC法)和同轴圆筒法。交流二电极法和交流四电极法由于其电导池结构相对简单,电极、电导池材料获得容易,适用范围广,在监管生产过程中或在需要快速获得电导率数据的情况下得到了广泛应用。相对于交流二电极,交流四电极的优越性在于将测定电压和电流的电极分开,测定电压的电极上几乎没有电流经过,无需考虑电极和引线电阻。但这两种方法在电导池结构上均存在缺陷,使得测试的精度难以把握。CVCC法和同轴圆筒法相对于前两者,在电导池结构上的优越性使得它们的测定精度较高,可在对精度要求较高的情况下使用。但它们的电导池结构通常较为复杂,CVCC法在某些条件下需要特定的材料才能满足实验要求,从而导致实验成本高;同轴圆筒法尽管在电极对中的条件下具备免标定的优势,但高温下依然存在电极变形的影响,同时该法的电导率测试范围受到实验条件下能构建的电导池大小的限制。本文主要对上述四种电导率测定方法的原理、技术优缺点、操作、使用条件及测定效果等进行了归纳总结;此外还对四种电导率测定方法之间的联系进行了简单分析,以期指导实验室电导率的测定。     

分子动力学模拟及其在表面工程中的应用现状

分子动力学模拟是一种通过经典力学建立分子体系模型,利用数值求解分子体系运动方程,对分子和分子体系结构与性质进行研究的计算机模拟方法。分子动力学作为一种应用非常广泛的分子模拟技术,在物理、化学、生物、材料、医学等各种牵涉到微观世界的学科中,都起到了非常重要的作用。目前,分子动力学已被应用于模拟表面工程中表面涂层的沉积过程及其性质、表面改性过程、薄膜应力状态以及表面裂纹的萌生与扩展等方面。综述了分子动力学模拟技术的发展,介绍了分子动力学的基本原理及算法、原子间势函数的选取以及边界条件的选取,并且综述了分子动力学模拟技术在表面工程中的应用及其进一步的研究方向。     

液态Pb-Cu合金结构与扩散性质的分子动力学模拟

通过分子动力学方法模拟液态Pb-Cu合金的熔体结构,得到液态合金的对相关函数曲线、配位数和相关半径,并用于分析合金熔体内部的结构。同时将NRTL方程与分子动力学方法结合,提出一种计算合金互扩散系数的新方法,使用该方法计算得到了Pb-Cu合金的自扩散与互扩散系数,并分析了熔体结构对合金扩散性质的影响。     

铁磷和硼硅酸盐熔体对耐火材料的腐蚀性能

耐火材料的选择对放射性核废料的玻璃化过程是至关重要的 ,本文采用动态耐火材料腐蚀速度技术比较了铁磷模拟放射性核废料熔体和硼硅酸盐熔体DWPF的腐蚀性质 ,测量在10 0 0至 130 0℃之间进行。在铁磷熔体中 ,致密氧化铝和氧化铬耐火材料有最低的熔线腐蚀速度 ,二氧化硅、锆英石和AZS耐火材料的腐蚀速度比较高。同时 ,氧化铝和氧化铬耐火材料在铁磷熔体中的腐蚀速度小于它们在硼硅酸盐熔体DWPF中的腐蚀速度。对氧化铬耐火材料来说 ,其在三种含有模拟HLW废料的铁磷熔体中的熔线腐蚀速度小于 0 1mm day。按照DWPF熔化器的设计标准 ,Alumina和Zircon商品耐火材料可以用来熔化多种HLW废料。     

铁磷和硼硅酸盐熔体对耐火材料的腐蚀性能

耐火材料的选择对放射性核废料的玻璃化过程是至关重要的,本文采用动态耐火材料腐蚀速度技术比较了铁磷模拟放射性核废料熔体和硼硅酸盐熔体DWPF的腐蚀性质,测量在1000至1300℃之间进行。在铁磷熔体中,致密氧化铝和氧化铬耐火材料有最低的熔线腐蚀速度,二氧化硅、锆英石和AZS耐火材料的腐蚀速度比较高。同时,氧化铝和氧化铬耐火材料在铁磷熔体中的腐蚀速度小于它们在硼硅酸盐熔体DWPF中的腐蚀速度。对氧化铬耐火材料来说,其在三种含有模拟HLW废料的铁磷熔体中的熔线腐蚀速度小于0.1mm/day。按照DWPF熔化器的设计标准,Alumina和Zircon商品耐火材料可以用来熔化多种HLW废料。     

铁磷模拟HLW熔体的腐蚀性能

在铁磷模拟ＨＬＷ熔体和硼硅酸盐熔体ＤＷＰＦ内测量了六种耐火材料的动态腐蚀速度,测量在 １０００～１３００℃之间进行,在铁磷熔体中,致密氧化铝和氧化铬耐火材料有最低的熔线腐蚀速度,二氧化硅、锆英石和ＡＺＳ耐火材料的腐蚀速度比较高．同时,氧化铝和氧化铬耐火材料在铁磷熔体中的腐蚀速度小于它们在硼硅酸盐熔体ＤＷＰＦ中的腐蚀速度．对氧化铬耐火材料来说,其在三种含有模拟ＨＬＷ废料的铁磷熔体中的熔线腐蚀速度＜０．１ｍｍ／ｄａｙ．可以认为商品制造的致密氧化铝和氧化铬耐火材料是可以用来熔化很多铁磷ＨＬＷ废料的,甚至可以熔化含有１６ｗｔ％氧化钠的ＨＬＷ废料．     

铝酸钙熔体结构的分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟研究了xCaO-(1-x)Al₂O₃(x代表成分的变化)高温熔体中Al的配位数及其两性、微结构单元分布等结构性质。在采用BMH势函数的基础上,将计算所得的Al-O、Ca-O和O-O的偏径向分布函数的第一峰的位置(1.76、2.34和2.91)以及Al、Ca的配位数与X射线衍射实验(1.765、2.36和2.885)及中子散射实验(1.759、2.337和2.898)进行比较,吻合很好,证明模拟非常成功,然后在此基础上,发现Al在体系中主要起阿格形成子的作用,其微观结构单元呈四面体结构,也就是说,Al的平均配位数为4,这一点与硅酸盐中Si-O的结构单元非常相似,在统计了平衡时微结构单元Q_i的分布之后,总结了铝酸钙熔体的微观结构单元分布随宏观组分变化的规律。     

分子动力学模拟在塑料材料中迁移研究现状

目的概述分子动力学模拟方法应用于小分子物质在食品塑料包装材料中迁移研究的应用进展。方法综合近20年国内外分子动力学模拟方法在小分子扩散行为的研究进展。结果采用分子动力学模拟方法不仅可以定性地描述小分子在食品塑料包装材料中的扩散行为,而且能模拟聚合物材料的一些结构与性能,分析影响小分子迁移行为的因素,确定小分子的扩散系数。结论分子动力学模拟方法在食品塑料包装材料迁移研究应用中仍存在许多尚未完善与尚未研究的部分,包括通过分子动力学模拟计算所得扩散系数与实验值、半经验公式计算值有差异,在复合膜中模拟应用较少等方面。     

利用MIVM模型预测冶金级硅真空精炼过程杂质的挥发特性

运用分子相互作用体积模型预测了二元硅基熔体中Zn、Sb、Mg、Mn、Cu和Sn的活度系数.结合模型所得的对势能相互作用B参数和活度等热力学数据,计算了硅与各杂质元素形成的二元系蒸发系数和挥发速率,绘制出了硅基合金蒸馏过程中的气液相平衡图。研究结果表明,模型所预测的活度值与实验值吻合很好,真空精炼有利于Sb、Zn、Mg从硅熔体中分离,而Mn、Cu、Sn难以分离。硅中的各杂质的蒸发行为受其活度和温度的联合控制。本文通过对冶金硅中杂质挥发性质的研究,为真空提纯冶金级硅提供了可靠的理论依据。