д.ф.-м.н., профессор, заведующий лабораторией порошковых, композиционных и наноматериалов
620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101
Dr. Sci. (Phys.–Math.), Professor, Head of the Laboratory of Powder, Composite and Nanomaterials
Ekaterinburg
к.т.н., доцент, профессор кафедры металлургии и химической технологии
455000, Россия, Челябинская обл., Магнитогорск, пр. Ленина, 38
Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor, Professor of the Chair “Metallurgy and Chemical Engineering”
Magnitogorsk, Chelyabinsk Region
академик РАН, советник, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник
620016, Россия, Екатеринбург, ул. Амундсена, 101
119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4
119991, Россия, Москва, Ленинский пр., 14
Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences
Ekaterinburg
Moscow
В данной работе обсуждаются результаты молекулярно-динамического моделирования расплава многокомпонентной окисно-фторидной системы CaO – SiO2 – Al2O3 – MgO – Na2O – K2O – CaF2 – FeO, соответствующей составу промышленной шлакообразующей смеси (ШОС), используемой при разливке стали для наведения шлака в кристаллизаторе машины непрерывного литья заготовок. Химический состав ШОС, % (по массе): 35,35 SiO2 ; 30,79 CaO; 8,58 Al2O3 ; 1,26 MgO; 13,73 CaF2 ; 7,57 Na2O; 0,88 K2O; 1,82 FeO. С учетом этих концентраций был проведен пересчет состава на мольные доли и вычислено соответствующее число ионов в модели для каждого компонента. Моделирование восьмикомпонентного оксидно-фторидного расплава размером 2003 иона в основном кубе (длина ребра 31,01 Å) с периодическими граничными условиями проведено при экспериментально определенной температуре начала затвердевания (1257 К) и фиксированном объеме. Кулоновское взаимодействие учитывали методом Эвальда-Хансена. Шаг по времени равнялся 0,05t0, где t0 – внутренняя единица времени, равная 7,608·10–14 с. Плотность расплава (3,04 г/см3 ) принимали на основании собственных экспериментальных данных. Потенциалы межчастичного взаимодействия были выбраны в форме Борна-Майера. По результатам моделирования определена структура субкристаллических группировок атомов, присутствующих в расплаве при температуре начала затвердевания. Проведено обсуждение результатов моделирования и их сопоставление с литературными данными. Показано, что компьютерная модель позволяет получить достаточно реалистичную картину атомной структуры шлакового расплава, свидетельствующую о том, что основной структурной составляющей всех силикатных систем является кремнекислородный тетраэдр. Тетраэдры в силикатах находятся либо в виде изолированных друг от друга структурных единиц, либо, соединяясь между собой через вершины, образуют комплексные анионы, что согласуется с теорией шлаковых расплавов. Молекулярно-динамическое моделирование позволяет получить адекватную информацию о структуре расплава определенного химического состава.
The paper discusses the results of molecular dynamic simulation of a melt of the multicomponent oxide-fluoride system CaO – SiO2 – – Al2O3 – MgO – Na2O – K2O – CaF2 – FeO, corresponding to composition of industrial slag-forming mixture (SFM) used in steel casting for slag targeting in the mold of a continuous casting machine (in wt %: 35.35 % SiO2 , 30.79 % CaO, 8.58 % Al2O3 , 1.26 % MgO, 13.73 % CaF2 , 7.57 % Na2O, 0.88 % K2O, and 1.82 % FeO). These concentrations were converted to mole fractions, and the number of ions was calculated for each of the components in the model. An eightcomponent oxide-fluoride melt containing 2003 ions in the main cube with a side length of 31.01 Å was simulated under periodic boundary conditions at an experimentally determined solidification onset temperature of 1257 K at constant volume. Coulomb interaction was taken into account by the Ewald–Hansen method. The time step was 0.05t0, where t0 = 7,608·10–14 s is the internal unit of time. The melt density was taken to be 3.04 g/cm3 based on our experimental data. The interparticle interaction potentials were chosen in the Born–Mayer form. Based on the simulation results, the structure of subcrystalline groups of atoms present in the melt at the temperature of solidification onset was determined. A discussion of the simulation results and their comparison with the literature data was held. It is shown that the computer model allows one to obtain a fairly realistic picture of atomic structure of the slag melt, indicating that the main structural component of all silicate systems is silicon-oxygen tetrahedron. Tetrahedra in silicates are either in the form of structural units isolated from each other, or, connecting together through peaks, they form complex anions. It is consistent with the theory of slag melts. Molecular-dynamic simulation allows one to obtain adequate information on structure of the melt of a certain chemical composition.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.