CaF2对CaO-Al2O3-CaF2熔体结构影响的分子动力学研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2020.04.010

东北大学学报:自然科学版 ›› 2020, Vol. 41 ›› Issue (4): 510-515.DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.04.010

CaF₂对CaO-Al₂O₃-CaF₂熔体结构影响的分子动力学研究

张晓博，刘承军，姜茂发

(东北大学多金属共生矿生态化冶金教育部重点实验室，辽宁沈阳110819)

收稿日期:2019-10-14 修回日期:2019-10-14 出版日期:2020-04-15 发布日期:2020-04-17
通讯作者: 张晓博
作者简介:张晓博(1989-)，男，辽宁鞍山人，东北大学博士研究生；刘承军(1974-)，男，河南获嘉人，东北大学教授，博士生导师；姜茂发(1955-)，男，山东栖霞人，东北大学教授，博士生导师.
基金资助:
国家自然科学基金资助项目(51874082，51774087).

Molecular Dynamics Study on Effect of CaF₂ on Melt Structure of CaO-Al₂O₃-CaF₂

ZHANG Xiao-bo， LIU Cheng-jun， JIANG Mao-fa

Key Laboratory for Ecological Metallurgy of Multimetallic Ores， Ministry of Education， Northeastern University， Shenyang 110819， China.

Received:2019-10-14 Revised:2019-10-14 Online:2020-04-15 Published:2020-04-17
Contact: LIU Cheng-jun
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摘要/Abstract

摘要： 采用分子动力学的方法研究了不同CaF₂含量下CaO-Al₂O₃-CaF₂三元渣系熔体结构的变化规律，包括熔渣的短程结构、中程结构和键角的变化.结果表明:Ca—F，Al—F，Ca—O，Al—O的平均键长分别为0.2345，0.1895，0.2325，0.1745nm.随着CaF₂的加入，Ca²⁺与配位的阴离子(O^2-，F^-)存在动态平衡现象，总配位数维持在6~7之间.研究体系中Al—O四面体结构存在由复杂(Q⁴和Q³)向简单(Q²和Q¹)的转变，同时还会发生Al—O四面体［AlO₄］^5-向［AlO₃F］^4-结构的转变，两种转变的综合作用使熔体的网络结构解聚，为CaF₂改善CaO-Al₂O₃-CaF₂熔渣的流动性提供了合理的微观解释.键角分析表明F^-在体系中更多的是替换原来O^2-的位置，以Al³⁺为核心的网络结构依然为四面体结构，没有引起大规模的原子重新排列.

关键词: CaO-Al₂O₃-CaF₂, 熔体结构, 分子动力学, 键长, 键角

Abstract: In CaO-Al₂O₃-CaF₂ ternary slag system， the variations of the melt structures including the short-range and medium-range structure， and bond-angle change of the slag with different CaF₂ content were studied using molecular dynamics(MD)method. The results showed that the average bond lengths of Ca—F， Al—F， Ca—O and Al—O are 0.2345， 0.1895， 0.2325 and 0.1745nm，respectively. With the addition of CaF₂， there is a dynamic equilibrium between Ca²⁺and the coordination anions(O^2- and F^-)， and the total coordination number(CN)is maintained between 6 and 7. The Al—O tetrahedral structure in the system can be transformed from the complex(Q⁴ and Q³)to simple(Q² and Q¹)structure and from the Al—O tetrahedral［AlO₄］^5- to［AlO₃F］^4- structure， resulted to depolymerize the network structure of the melt. These observations from atomic scale well explain that the addition of CaF₂ can improve the fluidity of CaO-Al₂O₃-CaF₂ slag. The bond angle analysis indicates that the F^- in the system is more likely to replace the original O^2- position and the network structure with the Al³⁺ core has still be a tetrahedral structure， which does not cause a large-scale atomic rearrangement.

Key words: CaO-Al₂O₃-CaF₂, melt structure, molecular dynamics, bond length, bond angle

中图分类号:

TF703.6

张晓博，刘承军，姜茂发. CaF₂对CaO-Al₂O₃-CaF₂熔体结构影响的分子动力学研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(4): 510-515.

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CaF₂对CaO-Al₂O₃-CaF₂熔体结构影响的分子动力学研究

Molecular Dynamics Study on Effect of CaF₂ on Melt Structure of CaO-Al₂O₃-CaF₂

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