表面張力是鋼液的重要物理性質(zhì)之一，對于鋼材潔凈度控制及凝固成型過程均具有重要影響。鋼液表面層和內(nèi)部粒子所處的環(huán)境不同，兩者所受的力并不相同，使鋼液表面產(chǎn)生自發(fā)縮小傾向的力稱為鋼液的表面張力。鋼液的表面張力不僅對新相的生成有影響，而且對相間反應、渣鋼分離、鋼液對耐火材料的侵蝕等也產(chǎn)生影響，準確獲取鋼液的表面張力對于優(yōu)化冶煉過程、改善鋼材質(zhì)量、提升生產(chǎn)效率具有重要意義。

目前，表面張力主要通過實驗測定方法獲得，對于液態(tài)金屬，常用的是氣泡最大壓力法和靜滴法。影響鋼液表面張力的因素眾多，主要包括鋼液成分、溫度及鋼液的接觸環(huán)境，對于鋼液來說，溫度通常在1700K以上，一方面，高溫條件的穩(wěn)定獲得難度較高，即溫度精確控制難度較高，對表面張力的測定精度存在影響，另一方面，高溫鋼液極易與接觸介質(zhì)發(fā)生反應，即鋼液成分難以穩(wěn)定控制，測得的表面張力易于偏離真實值；再者，真實鋼液組元復雜，各組元對表面張力的交互影響難以充分分離；另外，鋼液表面張力高溫測定還存在流程復雜、成本高等不足。

近年來，隨著計算機硬件及計算機數(shù)值模擬技術快速發(fā)展，其中分子動力學(MD)是一種利用牛頓運動定律模擬原子或分子系統(tǒng)的強大方法，可從微觀尺度解析物理化學過程，目前已成為研究材料微觀結(jié)構(gòu)和性能的有效方法，在高溫冶金熔體領域應用也逐漸擴展。

鑒于現(xiàn)有表面張力獲取技術存在的不足，東北大學閔義團隊供一種采用模擬計算獲取鋼液面張力的方法，即采用分子動力學模擬的方法計算鋼液原子尺度的微觀結(jié)構(gòu)信息，并以此為基礎獲取不同成分、溫度條件下鋼液的表面張力，該方法可有效避免傳統(tǒng)高溫實驗測定方法的數(shù)據(jù)波動大、影響因素難以分離及成本高等問題；另外，本方法基于鋼液的微觀結(jié)構(gòu)信息獲得表面張力，可深化對表面張力產(chǎn)生本質(zhì)的理解及影響因素的解析，對于鋼液表面張力控制可提供明確指導。

Fe-C二元體系-真空基于微觀結(jié)構(gòu)解析的鋼液表面張力計算方法：

(1)根據(jù)冶金鋼液的主要化學成分，鋼液由Fe-C二元體系組成，具體成分為Fe：99.85％，C：0.15％。

(2)Fe-C二元體系的原子數(shù)設定為12000個，根據(jù)Fe-C二元體系中各組分的摩爾比，可確定不同原子的個數(shù)，之后再根據(jù)Fe-C二元體系在高溫液態(tài)條件下的密度，可計算出模擬盒子的邊長，具體如表1所示。

表1Fe-C二元體系的原子數(shù)、密度和盒子邊長

基于表2中的原子種類、個數(shù)及Fe-C二元體系的密度，采用Materials Studio軟件建立Fe-C二元體系的初始結(jié)構(gòu)模型，得到一個包含原子數(shù)目、原子類型數(shù)目、各類型原子質(zhì)量、原子ID及該原子ID所對應的原子類型和x、y、z三個方向的坐標值的初始結(jié)構(gòu)data文件。

(3)選取改進嵌入原子法(MEAM)作為描述Fe-C二元體系中所有原子間相互作用力的勢函數(shù)。

(4)設置模擬計算的參數(shù)，編寫執(zhí)行LAMMPS軟件分子動力學模擬計算所需的in文件，將建立的Fe-C二元體系初始結(jié)構(gòu)模型信息導入LAMMPS軟件進行分子動力學模擬計算。原子類型設置為atomic，采用周期性邊界條件，整個模擬過程使用正則系綜(NVT)，模擬過程中原子數(shù)、體積和溫度不變，采用Parrinello-Rahman法和Nose-Hoover熱浴法進行壓力和溫度的控制。根據(jù)高斯速度分布給出了鐵原子的初始速度分布。體系的牛頓運動方程的數(shù)值解法采用Verlet算法進行求解，步長設置為1fs，每1000步保存一次數(shù)據(jù)，一共運行510000步。首先在初始溫度為4273K下運行60000步，采用共軛梯度法使初始結(jié)構(gòu)的能量最小化，使體系充分混合及能量穩(wěn)定。接下來，通過100000個時間步長使體系降溫到1950K，并在1950K下繼續(xù)弛豫50000步。沿z軸方向在盒子的兩側(cè)加入兩個真空區(qū)，形成平行于z軸方向的真空-液體-真空夾層結(jié)構(gòu)，對擴大后的系統(tǒng)在1950K下弛豫300000步，為了防止液膜的游走，在每個MD步驟中都要調(diào)整系統(tǒng)的質(zhì)心位于系統(tǒng)的中心，并在此階段收集計算微觀結(jié)構(gòu)信息和表面張力所需的數(shù)據(jù)，最后得到模擬體系的原子坐標文件、壓力張量等模擬結(jié)果數(shù)據(jù)。

(5)將得到的原子坐標文件導入OVITO、VESTA和VMD軟件中進行可視化分析并計算模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)信息，得到模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)圖；計算表面張力所需數(shù)據(jù)收集前后模擬體系的微觀結(jié)構(gòu)，將各個類型的原子進行區(qū)分，計算出不同原子對之間的徑向分布函數(shù)；根據(jù)計算得到的徑向分布函數(shù)第一峰橫坐標值得出不同原子對之間的鍵長(最近鄰距離)，將徑向函數(shù)的第一峰進行積分可得出不同原子對之間的配位數(shù)。可導出模擬盒子不同區(qū)域的原子坐標文件用于微觀結(jié)構(gòu)信息計算。

Fe-C二元體系經(jīng)計算得到的徑向分布函數(shù)，F(xiàn)e-Fe、Fe-C、C-C原子對的平均鍵長分別為若原子間距離小于相應的鍵長值則表示兩個原子之間互相連接，根據(jù)碳原子連接的鐵原子個數(shù)，可將鐵原子區(qū)分為自由態(tài)鐵原子(與碳原子沒有配位關系)、A型鐵(只與1個碳原子形成配位關系)、B型鐵(與2個或更多的碳原子形成配位關系)三種類別，根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)可對鐵原子的配位方式進行分析。

(6)根據(jù)收集的計算表面張力所需的數(shù)據(jù)，采用此鋼液表面張力計算方法計算Fe-C二元體系的表面張力。計算得到的法向壓力張量和和切向壓力張量之差PN-PT、表面張力σ和密度ρ沿z軸的分布，F(xiàn)e-C二元體系的表面張力σ經(jīng)計算為1.531N/m。

小結(jié)

根據(jù)壓力張量與表面張力的關系，提供了一種從原子尺度預測計算鋼液表面張力的方法，可獲取不同成分和溫度條件下鋼液的表面張力，可有效避免傳統(tǒng)高溫實驗測定影響因素難以分離、流程復雜及成本高等問題，可用于填補實驗數(shù)據(jù)的空白；結(jié)合鋼液的微觀結(jié)構(gòu)信息，可對鋼液表面張力進行微觀結(jié)構(gòu)解析，從而為鋼液表面張力的控制提供理論指導。