TiO2和Al2O3对CaO-SiO2-MgO-xwt%Al2O3-ywt%TiO2渣系结构的耦合效应

本研究通过粘度变化、拉曼光谱和分子动力学模拟，分析了CaO-SiO?-MgO-xAl?O?-yTiO?（14≤x≤22，0≤y≤10）高炉渣中TiO?和Al?O?含量对微观结构的影响。结果表明，TiO?的碱性特性促进复杂硅酸盐结构（Q?Si和Q?Si）解聚为简单结构（Q?Si和Q?Si），同时Al-O-Al键断裂为Al-O?形式，降低聚合度；而Al?O?的酸性增强结构聚合，形成更复杂的AlO???和SiO???网络。Ti和Al的配位结构差异及氧化物酸碱性共同调控渣体流动性，其中聚合度是决定流动性的关键因素。

　　

摘要

本研究基于熔渣粘度变化、拉曼光谱和分子动力学分析，探讨了TiO₂和Al₂O₃含量对CaO-SiO₂-MgO-xwt%Al₂O₃-ywt%TiO₂（14 ≤ x ≤ 22，0 ≤ y ≤ 10）高炉渣体系微观结构的影响。拉曼光谱结果显示，TiO₂含量的增加导致渣中复杂的硅酸盐结构（如Q³_Si和Q^{2_Si）逐渐解聚为更简单的结构（如Q0_Si和Q1_Si）。同时，渣中铝酸盐结构中的Al-O-Al键也解聚为更简单的Al-O?形式，从而降低了硅酸盐和铝酸盐的聚合度。相比之下，Al₂O₃含量的增加通常会增加硅酸盐和铝酸盐的聚合度。分子动力学模拟表明，在高炉渣的微观结构中，Si和Al主要以四面体[SiO₄]4?和[AlO₄]4?的形式存在，而Ti主要以五配位的[TiO₅]6?和六配位的[TiO₆]8?形式存在。TiO₂在该体系中表现出碱性特性，而Al₂O₃则表现出酸性行为。TiO₂的加入会向体系中引入自由氧化物离子，使桥接氧原子转变为非桥接氧原子，从而导致复杂结构Q4_Si和Q3_Si的解聚，从而使渣结构简化；而Al₂O₃含量的增加则倾向于捕获或共享体系内的氧化物离子，形成[AlO₄]4?，使自由氧原子聚合为非桥接氧原子，进一步聚合为桥接氧原子，从而使简单结构Q0_Si和Q1_Si更加复杂。拉曼光谱分析和分子动力学模拟结果均表明，[SiO₄]4?和[AlO₄]4?在渣网络结构中的聚合度是决定渣流动性的关键因素。}