FeO含量对CaO-MgO-Al2O3-SiO2-FeO渣系结构与传质特性的调控机制及冶金应用

本研究通过分子动力学模拟与热力学计算，揭示了FeO含量对五元渣系（CaO-MgO-Al2O3-SiO2-FeO）结构特性与氧扩散行为的调控规律。结果表明，FeO增加可降低渣系聚合度，提升氧扩散系数（9.28×10?6至1.33×10?5 cm2/s），并推导出渣-钢界面氧传递临界条件方程[O]eq=23.7·[FeO]wt%-2.3，为IF钢洁净冶炼的渣系优化提供理论依据。

　　

Highlight

模拟方法 (Simulation Approach)

为平衡RH精炼过程的脱碳能力与过度氧化风险，本研究建立了不同FeO含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-FeO渣系分子动力学模型，通过模拟揭示了FeO对阳离子（尤其是氧离子）传质能力的影响机制。

局部网络结构 (Local Network Structure)

在RH精炼中，渣的氧化性主导钢液洁净度。图1展示了不同FeO含量下渣系的微观网络结构：硅（Si）和铝（Al）作为网络形成元素，通过[SiO₄]四面体和[AlO₄]/[AlO₆]多面体共价连接，构建复杂三维网络框架；而钙（Ca）、镁（Mg）、铁（Fe）等阳离子作为网络修饰体，通过打断Si–O–Si和Al–O–Al键削弱网络稳定性。随着FeO含量从5%升至30%，体系中非桥氧（NBO）比例上升，聚合度（DOP）下降，表明Fe²⁺的引入显著促进网络解聚，增强离子迁移能力。

结论 (Conclusion)

通过分子动力学模拟与热力学计算，本研究系统解析了1873 K下FeO含量对CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-FeO渣系的局部网络结构、键合特征、氧类型、扩散能力、液相线温度及粘度的影响，并计算出渣-钢氧含量平衡的临界条件。结果表明：FeO含量变化对短程有序结构影响微弱，但显著降低体系聚合度；FeO从5%增至30%时，熔体扩散系数从9.28×10^?6 cm²/s提升至1.33×10^?5 cm²/s，粘度则与总扩散系数呈负相关；渣诱发二次氧化与扩散脱氧的转变临界条件与方程[O]_eq=23.7·[FeO]_wt%-2.3高度吻合。这些发现表明，通过调控渣的氧化性可有效干预钢-渣界面氧传递行为，为优化IF钢冶炼渣系性能提供新策略。