关键词：
气-渣-金界面
金属氧化物
硫迁移
第一性原理
分子动力学
摘要：
钢铁冶金过程中伴随着各种界面现象,如元素在相边界的传递、在界面发生的物理化学反应,均会影响冶炼效率,使得界面现象及界面性质成为钢铁生产工艺中的基础。在“双碳”背景下,进一步挖掘冶炼效率的提升环节,势必以更加深入地认识气-渣-金界面的结构和特性为基础。然而,由于冶炼过程具有高温、密闭的“黑箱”特性,缺乏先进的原位研究手段,目前冶金界面现象研究主要以观测界面形貌和测定熔体表面张力、渣-金的界面张力等为主,未能对熔渣界面结构、元素分布和界面氧势等界面关键参数进行研究。本论文以含CrOx、MnO和FeO的渣系为研究对象,创新的利用X射线光电子能谱(XPS)刻蚀技术对气-渣、渣-金界面元素分布和界面结构进行了表征,得到了气-渣-金界面结构和元素分布,建立了直接计算界面氧势和边界层厚度的新方法;并将基于第一性原理的从头算分子动力学(Ab initio molecular dynamics,AIMD)引入熔渣结构和界面研究中,从元素价态、电荷、成键和迁移过程等微观角度解析了金属阳离子对界面结构的影响规律、揭示了气-渣-金界面的相互作用机制、阐明了硫元素的迁移路径。主要内容如下:首先,采用高温淬火实验和经典分子动力学相结合的方法,研究了金属氧化物对熔渣本体结构的影响。结果表明,FeO、MnO和CrOx对熔渣结构的影响不同,在低碱度(B=0.5)条件下,金属氧化物一方面会导致结构单元中Q3/Q2的比值大幅降低(0.9～0.6),而FeO的比值最低,其次为MnO和CrOx,另一方面会导致桥氧减少,非桥氧增加,其中FeO的桥氧降低更多,CrOx中的自由氧较少;在高碱度(B=1)条件下,金属氧化物会导致Q3/Q2的比值轻微升高(0.2～0.3),而FeO的比值最高,其次为MnO和CrOx,而金属氧化物对桥氧、非桥氧和自由氧的影响均较小。综上,在低碱度条件下,由于Si-O和Al-O单元较多,FeO、MnO主要担任破坏结构的角色,其中FeO的破坏能力更强。CrOx存在价态变化,一方面作为金属阳离子可以破坏结构,另一方面,其会促进配位,导致结构聚合;在高碱度条件下,由于Si-O和Al-O单元较少,金属氧化物对结构的影响较小。其次,利用AIMD的方法对比研究了硫在熔融MnO-SiO2和CaO-SiO2本体结构中的赋存状态、成键方式和迁移机制。结果表明,锰和钙对硫的赋存状态和迁移机制影响不同。在MnO-SiO2中,硫会快速形成稳定的Mn-S-Mn结构,且硫的价态在-0.8～-0.4 e;然而,在CaO-SiO2体系中,硫原子不发生快速的键合转换,倾向于稳定存在于钙原子周围,硫的价态在-1.4～-1.3 e。这是由于锰的核外电子导致了电荷的不均匀分布,影响氧结构的相互转化,导致硫反应过程中桥氧的减少和非桥氧的增加。而在钙核外不存在电荷影响,非桥氧在硫的交换反应中会被消耗掉,导致非桥氧的减少和桥氧的增加。再次,利用气-渣平衡实验和XPS刻蚀技术实现了对含铬和含锰渣的气-渣界面结构和元素分布的直接表征。结果表明,界面结构和元素分布存在梯度变化趋势,界面结构主要为桥氧和非桥氧,随着深度的加深,非桥氧增加,桥氧减少;在边界层内,钙含量逐渐增加,硅、氧含量逐渐减少,硫和金属阳离子会在界面边界层内发生聚集。界面结构和元素分布表明界面趋于高氧势的硅氧结构单元,随着深度的变化逐渐解聚,趋于本体结构。通过对含锰渣界面元素定量和FactSage平衡计算,得到了该渣系气-渣界面氧势为10-19～10-18 atm数量级。基于刻蚀时间和速率,建立了边界层厚度计算方法,反应时间为1 h、3 h、6 h的边界层厚度分别为117.90 nm、102.18 nm和94.32 nm。然后,采用高温平衡实验和XPS刻蚀技术研究了含锰渣和金属铁液之间的界面结构、元素分布和界面相互作用机制。结果表明,渣-金界面结构与气-渣界面结构相似,主要由桥氧和非桥氧组成,碱度由0.5增加到1.2时,界面桥氧含量由35%增加到75%,界面非桥氧含量由65%降低到25%。硅和氧的相对含量随着深度的增加而逐渐减少,而钙、锰和硫的相对含量随着界面刻蚀深度的增加而增加。同时,锰以正二价形式存在,硫以负二价形式存在,铁以Fe-O键和Fe-S键两种形式存在。基于结果提出了两个界面化学反应:一个是熔渣中Fe与Mn/Si的氧化还原反应。另一个是硫和氧的交换反应。最后,采用经典分子动力学和AIMD的方法研究了硫在气-渣-金界面的迁移过程,得到了硫的迁移路径。结果表明,在气-渣界面,气相中的S2分子会被熔渣界面吸收,而锰终止层与氧终止层相比,更容易吸收S2分子。硫在界面的价态逐渐降低,这是由于硫从气态的S2分子转化为Mn-S键所致。在渣-金界面,硫首先从金属液中迁移到渣-金界面,并在界面聚集,主要形成Mn-S键。渣与金属液接触时,界面
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