温度和电场诱导的含 Li2O 中间包渣结构演化与传输特性：一项分子动力学研究

《Journal of Non-Crystalline Solids》：Temperature and electric-field-induced structural evolution and transport in Li 2O-bearing tundish flux: A molecular dynamics study

　　

摘要

在等离子加热过程中，熔融渣的粘度难以进行原位测量，其结构演变与粘度响应的控制机制尚不明确。本研究通过分子动力学模拟，考察了温度和外加电场对CaO-Al₂O₃-SiO₂?MgO-Fe₂O₃-Li₂O渣结构和输运性质的影响。模拟得到的粘度值平均误差为7.9%。结果表明，升温对渣的短程结构影响较小，但削弱了其局部有序性，促进了Si/Al-O网络的解聚、桥氧（BO）向非桥氧（NBO）的转化以及中程网络连接性的破坏。这些结构变化使粘度从0.107降至0.020 Pa·s。外加电场通过驱动带电结构单元的迁移和电荷补偿离子的定向重排，增强了局部网络聚合并诱导中程Si/Al-O网络内的拓扑分化。随着场强的增加，结构响应逐渐趋于饱和，渣粘度稳定在约0.036 Pa·s。此外，综合考虑温度和外加电场的耦合效应，发现结构参数与粘度的自然对数之间存在显著的线性相关性。这些发现为等离子加热中间包用覆盖渣的合理设计与优化提供了理论依据。

引言

等离子加热技术具有高能量密度、快速热响应和强局部再加热能力等特征，在连续铸钢中间包的温度控制方面极具前景[[1], [2], [3], [4]]。在等离子加热过程中，等离子弧的强烈热辐射使得实际热效率低于理论预期值[[5], [6], [7]]。泡沫渣层可以提高熔体钢液面的保温效果，同时还能在电弧区域和电极周围起到热屏蔽作用，有助于减少辐射热损失并促进更有效的热传递[[8], [9], [10]]。我们此前的研究表明[11,12]，当使用碳酸盐作为发泡剂时，熔融渣的泡沫寿命主要由渣的性质控制。

等离子加热与碳酸盐诱导发泡的耦合过程使覆盖渣暴露于局部超高温、外加电场以及气泡扰动等复杂环境中，现有设备无法直接测量粘度等性质。然而，熔融渣的粘度与其结构的刚性密切相关[[13], [14], [15]]，同时也强烈依赖于熔融态下化学和拓扑无序的程度。因此，仅靠宏观实验无法揭示结构演变的详细机制。分子动力学模拟提供了一种在原子尺度研究熔体属性的有效方法，可以提供配位环境、网络连接性、氧物种分布以及离子扩散行为等信息，是研究极端条件下渣结构与性质关系的重要工具。Yang等人[16,17]利用分子动力学模拟研究了弱电场下的电渣重熔渣，结果表明电场可以调控局部原子间相互作用和离子迁移。然而，等离子加热所涉及的高温与高电场的耦合效应仍知之甚少，特别是对熔融渣结构及粘度响应的描述模型尚缺乏。

现有的大多数分子动力学研究主要集中于基于CaO-Al₂O₃-SiO₂?MgO（CMAS）的高炉渣体系[[18], [19], [20], [21]]。对于含Li₂O体系，Chen等人[22]报道了Li₂O可以通过改变Si-O/Al-O网络的连接性来调控CaO-Al₂O₃基保护渣的粘度。Jin等人[23]结合分子动力学模拟、拉曼光谱和粘度测量，阐明了含Li₂O和Na₂O低反应性保护渣中氧物种分布与流动行为之间的关系。Yang等人[24]和Xie等人[25]进一步表明Li₂O对铝硅酸盐玻璃的原子结构、离子迁移及相关性质具有显著影响。与Na?和K?等碱金属离子相比，Li?具有更小的离子半径和更高的迁移活性，因此对铝硅酸盐网络的变化和外加电场更加敏感[26]。Li?对简单铝硅酸盐玻璃或熔体结构的影响已有报道[22]。然而，大多数研究是在常规温度和相对简单的体系下进行的，现有工作主要涉及常规温度条件下的保护渣或玻璃体系。对于多组分CaO-Al₂O₃-SiO₂?MgO-Fe₂O₃-Li₂O覆盖渣，尤其是在超高温和外加电场条件下结构重排、离子迁移及粘度响应的系统理解仍然缺乏[16,27]。

本研究采用LAMMPS软件对38%CaO-38%Al₂O₃–10%SiO₂–7%MgO-2%Fe₂O₃–2.02%Li₂O覆盖渣体系进行了分子动力学模拟。利用高温粘度计测量了渣的粘度，并将实测值[12]与FactSage和分子动力学模拟预测的粘度值进行了对比，以此验证原子间势函数和计算方法的可信度。在此基础上，考察了不同温度和电场强度下熔融渣的结构与性质变化，分析重点包括径向分布函数、配位数、Qⁿ结构单元、桥氧/非桥氧分布、均方位移、扩散系数及粘度。这些分析有望阐明超高温和外加电场条件下复杂铝硅酸盐渣结构与粘度之间的关系。

章节摘录

模拟方案设计

选取多组分CaO-Al₂O₃-SiO₂?MgO-Fe₂O₃-Li₂O渣体系作为研究对象，采用分子动力学模拟研究温度和外加电场强度对熔融渣微观结构和输运性质的影响。在无外加电场条件下，考察了1873至2773 K范围内熔融渣的结构演变和输运行为。随后以2773 K作为参考温度，施加外加电场

径向分布函数与配位函数

径向分布函数（RDF）和平均配位数（CN）的数学表达式分别由公式(3)和(4)给出。图3中的RDF曲线和图4中的积分配位数N(r)用于表征熔融渣中M-O第一配位壳层的短程有序性。样品No.1至No.4展示了无外加电场条件下温度从1873升高至2773 K的效果。样品No.4至No.8展示了

结论

本研究利用分子动力学模拟考察了温度和外加电场对CaO-Al₂O₃-SiO₂?MgO-Fe₂O₃-Li₂O体系微观结构和粘度的影响。主要结论如下：

(1) 加热主要增加了网络无序度，而未改变第一配位壳层中M–O的特征键长。在1873至2773 K范围内，桥氧（BO）比例从44.54%降至39.91%，三元环的比例从

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利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金委员会（52434009, 52374320）、中国宝武低碳冶金创新基金（BWLCF202405）和创新能力支持计划（2025RC-YJRC-016）的资助。

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