一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法

技术领域

本发明涉及冶金熔渣微观结构技术领域，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。

背景技术

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。

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

发明内容

(一)发明目的

鉴于上述技术中存在的问题，本发明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。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明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：

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；

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。

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MaterialsStudio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。

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。

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。

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。

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。

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，当氧原子与硅原子和氧原子与铝原子之间的距离小于硅氧键和铝氧键键长时，则代表两个原子互相连接，根据氧原子连接的硅原子和铝原子个数可将氧原子区分为桥氧原子和非桥氧原子，同时依据桥氧原子数量来判定熔渣各个结构单元的分布。

进一步地，所述步骤S3中，使用可视化处理软件VMD平衡结构数据进行读取，获得熔渣各原子轨迹图形信息和熔渣网络结构示意图。

(三)有益效果

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法。该方法能够从微观角度直接分析高温冶金熔渣中不同原子对的键长、键角、配位关系，以及熔渣中非桥氧、桥氧等氧类型的分布和微结构单元种类的分布。此外，该方法还能获取实验无法获得的粒子轨迹图形信息。同时，该方法也可应用于不同组分熔渣微观结构的预测，以进行针对性实验，并进一步解释和优化实验，从而避免昂贵的实验成本，从而为冶金熔渣的理化性能的调控提供理论指导。

附图说明

本发明借助于以下附图进行描述：

图1为根据本发明实施例1的一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法的流程图；

图2为根据本发明实施例1经过驰豫平衡后的冶金熔渣原子网络结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一个”和“所述”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供了一种基于分子动力学的冶金熔渣微观结构模拟方法，该方法流程图如图1所示，包括如下步骤：

步骤一：根据组分及密度利用Materials Studio软件建立冶金熔渣无定型结构的初始模型；

步骤二：确定模拟过程的条件及参数，运行Lammps软件获得平衡结构信息；

步骤三：采用Matlab软件和VMD软件分别对平衡结构文件进行统计分析和可视化处理，获得熔渣微观结构信息。

步骤一中，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；根据实验测试得到熔渣的密度，计算盒子边长，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。

步骤二中，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。

在一些实例中，所述边界条件采用周期性边界条件，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。

在一些实例中，模拟初期采用NVT系综(保证体系的原子数量n、体积v和温度t保持不变)，使体系在5000K的温度下运行50000步，让体系中离子充分混合，然后运行100000步使体系温度降到预设温度下。当温度到达预设温度后，再运行70000步，前20000步为平衡驰豫，所有的数据收集都在最后的50000步内完成，最后输出6000个原子在体系中的坐标位置文件。

步骤三中，使用统计分析软件Matlab和可视化处理软件VMD软件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，计算每个原子以获得径向分布函数、配位数、键长和键角分布并获得熔渣各原子轨迹图形信息和熔渣网络结构示意图。

在一些实例中，使用Matlab编程，根据Lammps软件输出的所有原子的坐标位置，采用不同原子对间的截止距离判断与氧原子成键的原子类型，得到每个氧原子的氧结构，统计桥接氧原子和非桥接氧原子，同时依据桥接氧原子数量来判定熔渣各个结构单元的分布。

在一些实例中，可视化处理软件VMD对平衡结构数据文件进行读取，获得熔渣各原子轨迹图形信息和熔渣网络结构示意图。

实施例1

(1)根据冶金熔渣的主要化学成分，本实例熔渣主要由氧化钙、二氧化硅、氧化铝和氧化锂组成。具体组成成分如表1所示：

表1CaO-SiO

根据熔渣各组分(CaO、SiO

表2CaO-SiO

基于上述的原子种类、个数和熔渣密度，通过采用Materials Studio软件中的Aporphous Cell Tools模块构建一个随机分布的无定形结构模型，从而得到一个包括原子数目、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三个方向的坐标值的初始结构data文件。

(2)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，使用周期性边界条件形成周期映像，模拟立方盒子形状保持不变，选择NVT系综保持其稳定性。使用Parrinello-Rahman和Nose-Hoover热浴法进行压力和温度控制。在算法方面，短程力的截断半径设置为

(3)利用Matlab软件读取平衡结构数据，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，计算每个氧原子、硅原子、铝原子、钙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。

现阶段，通过实际测量可以得到Si-O、Al-O、O-O和Ca-O原子对的平均键长分别为

表3CaO-SiO

通过将各原子之间的距离与硅氧键和铝氧键的长度进行对比，若原子之间距离小于键长则代表两个原子之间互相连接。根据氧原子连接的硅原子和铝原子的个数，可将氧原子区分为桥接氧原子(O

表4拉曼光谱的微观结构单元Q

现阶段，通过拉曼光谱的解谱可以得到待测熔渣的各个结构单元Q

表5分子动力学模拟的微观结构单元Q

(4)用可视化处理软件VMD对平衡结构数据进行读取，获得熔渣各原子轨迹图形信息和熔渣网络结构示意图，如图2所示。

上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。