一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法，属于冶金熔渣微观结构技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法


[0001]本专利技术涉及冶金熔渣微观结构
，尤其涉及一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法
。

技术介绍

[0002]在现代钢铁制备过程中，熔渣发挥着重要冶金功能，从炼铁
、
到炼钢
、
到炉外精炼，再到凝固成型，熔渣与金属熔体相生相伴，无时不在，对于冶金质量
、
冶炼效率和冶金操作顺行均有重要影响
。
对于高炉渣来说，其冶金功能主要为控制生铁化学成分
、
控制软熔带及滴落带和保护炉衬；对于精炼渣来说，其冶金功能主要为脱硫脱氧
、
吸收夹杂
、
钢液保温和防止钢液吸气；对于转炉渣来说，其冶金功能主要为去除金属液中的
P
和
S、
减少耐火材料的侵蚀程度
、
分散金属液滴为脱碳创造有利条件
、
防止大量的热损失，并减少金属喷溅
、
防止钢液吸收有害气和吸附外源和内源的微小非金属夹杂物；对于结晶器保护渣来说，其主要功能是绝热保温
、
防止二次氧化
、
吸收夹杂
、
润滑铸坯和控制传热
。
熔渣的冶金功能与其黏度
、
表面张力等物理性质密切相关，在本质上决定于其微观结构，明晰熔渣组元的微观结构行为，有利于熔渣成分设计优化，进而提高其冶金功能
。
[0003]目前对熔渣结构进行研究的方法主要可以分为实验测定和模拟计算
。
实验测定方法包括拉曼光谱分析和红外光谱分析等，这些方法均具有一定的局限性和偏差
。
比如，高温拉曼光谱分析存在干扰项过多
、
测试精度较低等问题，而常温拉曼光谱分析虽然精度较高，但无法解决淬冷渣与高温熔渣的结构差异性问题
。
同时这些检测方法还存在测试昂贵
、
难预约和周期长等特点
。
近年来，分子动力学模拟计算作为一个行之有效的热力学
、
结构以及输运性质的计算工具，在熔体结构解析方面得到了快速发展，它可以从微观的角度直接分析高温冶金熔渣中不同粒子对的键长
、
键角
、
配位关系，以及熔渣中的非桥接氧
(O
nb
)、
桥接氧
(O
b
)
等氧类型的分布和微观结构单元种类
(Q
n
，
n
表示微观结构单元中桥氧的数量
)
的分布，还能得到实际实验所不能实现的粒子轨迹图形信息
。
这些优点使得分子动力学模拟在冶金熔体研究中十分具有吸引力
。

技术实现思路

[0004](
一
)
专利技术目的
[0005]鉴于上述技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法，能够快速精确地获取不同成分条件下冶金熔渣微观结构，并可以减少传统实验中成本高
、
可重复差和实验流程繁琐等问题
。
[0006](
二
)
技术方案
[0007]为了达到上述目的，本专利技术提供一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1、
选取待测熔渣并测量其密度，获得该熔渣各原子含量，通过密度和原子总数得到模拟立方盒子的边长，使用
Materials Studio
软件生成一个包含待测熔渣各原子坐标的
初始结构
data
文件；
[0009]S2、
将待测熔渣的初始结构
data
文件和势函数导入执行
Lammps
软件运行命令的
in
文件中，在
Lammps
软件中将待测熔渣初始的结构进行能量最小化，在
Lammps
软件中对熔渣初始结构升温以模拟加热处理，然后降温至指定温度继续驰豫，直到体系充分平衡，收集平衡结构数据；
[0010]S3、
将所收集平衡结构数据输入统计分析软件
Matlab
和可视化处理软件
VMD
中，得到待测熔渣的网络结构图和熔渣各个结构单元的含量分布
。
[0011]进一步地，所述步骤
S1
中，待测熔渣初始结构在一个模拟立方盒子中建立，每个原子初始坐标均位于模拟立方盒子内；根据实验测试得到待测熔渣的密度，采用
Materials Studio
软件中的
Aporphous Cell Tools
模块建立一个包含待测熔渣各原子坐标的初始结构
data
文件
。
[0012]进一步地，初始结构
data
文件包括原子数目
、
原子类型数目
、
各类型原子质量
、
原子
ID
及该
ID
原子所对应的原子类型和
x、y、z
三个方向的坐标值
。
[0013]进一步地，所述步骤
S2
中，所执行
Lammps
软件运行命令的
in
文件中，还包括边界条件
、
平衡系综
、
控温方法
、
控压方式
、
降温速率
、
求和方法及豫驰时间
。
[0014]进一步地，所述边界条件采用周期性边界条件，所述系综为
NVT
正则系综，所述控温方式为
Nose
‑
Hoover
热浴法，所述控压方式为
Parrinello
‑
Rahman
法，所述求和方式为
Ewald
求和方式
。
[0015]进一步地，所述步骤
S3
中，使用统计分析软件
Matlab
对平衡结构数据进行读取，记录每个时间步所对应的原子信息，并将各个类型的原子进行区分，计算熔渣中存在的每个氧原子
、
硅原子
、
铝原子
、
氟原子
、
钙原子
、
镁原子
、
钛原子
、
铁原子
、
硼原子
、
磷原子和锂原子之间的距离，以获得径向分布函数
、
配位数
、
键长和键角分布
。
[0016]进一步地，所述步骤
S3
中，使用统计分析软件
Matlab
对平衡结构数据进行读取，当氧原子与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、
首先选取待测熔渣并测量其密度，其次获得该熔渣各原子含量，之后通过密度和原子总数得到模拟立方盒子的边长，最后使用
Materials Studio
软件生成一个包含待测熔渣各原子坐标的初始结构
data
文件；
S2、
将待测熔渣的初始结构
data
文件和势函数导入执行
Lammps
软件运行命令的
in
文件中，在
Lammps
软件中将待测熔渣初始的结构进行能量最小化，在
Lammps
软件中对熔渣初始结构升温以模拟加热处理，然后降温至指定温度继续驰豫，直到体系充分平衡，收集平衡结构数据；
S3、
将所收集平衡结构数据输入统计分析软件
Matlab
和可视化处理软件
VMD
中，得到待测熔渣的网络结构图和熔渣各个结构单元的含量分布
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤
S1
中，待测熔渣初始结构在一个模拟立方盒子中建立，每个原子初始坐标均位于模拟立方盒子内；根据实验测试得到待测熔渣的密度，采用
Materials Studio
软件中的
Aporphous Cell Tools
模块建立一个包含待测熔渣各原子坐标的初始结构
data
文件
。3.
根据权利要求2所述的方法，其特征在于，初始结构
data
文件包括原子数目
、
原子类型数目
、
各类型原子质量
、
原子
ID
及该
ID
原子所对应的原子类型和
x、y、z
三个方向的坐标值
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤
S2
中，所执行
Lammps
软件运行命令的
in

【专利技术属性】
技术研发人员：闵义，焦石岩，刘承军，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：