Thermal conductivity of alumino-borosilicate melts and establishment of its prediction method through the local structure evaluation

铝硼硅酸盐熔体的热导率及其通过局部结构评价预测方法的建立

• 批准号: 21H01680
• 负责人: 森田 一樹
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01680/
• 关键词: 熱伝導度; アルミノホウケイ酸; 溶融酸化物; 局所構造; 予測モデル

鋼の連続鋳造用モールドフラックスの成分であるアルミノホウケイ酸(CaO-B2O3-Al2O3-SiO2)系の熱伝導度測定およびそのガラス化試料の局所構造解析を行った。また、第一原理計算を用いて構造単位の原子間の共有結合性の定量的評価を試みた。熱伝導度測定は昨年度に引き続き、1300~1500℃の温度において実施した。実験した全ての組成において温度の上昇に伴い熱伝導度が低下することが確認された。CaO濃度が高いほど熱伝導度が低くなる傾向が見られ、さらに光学的塩基度を評価したところ、光学的塩基度と熱伝導度の明確な負の相関が明らかになった。これら2つの事実は、溶融酸化物における熱伝導がフォノンの伝達によるということを示している。局所構造解析は、1500℃で溶融した試料を急冷しガラス化したものについてMAS-NMRにより測定を行った。それにより、各試料についてB及びAl原子の各配位数の存在比やSiの架橋酸素数についての情報を得ることができ、これらの情報を元に、第一原理計算により、各結合の電子分布の平均位置から共有結合性を評価し熱伝導度値との比較を行った。今年度の新たな組成においても、平均の共有結合性と熱伝導度に正の相関関係を確認することができたが、新たに、網目構造の重合度DPおよびその共有結合性のばらつきSLを組み合わせたDP/SLを指標とすることにより、熱伝導度と構造の関係を定量的に評価することができた。また、CaO-B2O3-Al2O3-SiO2系が含む4成分のいずれかから成る2元系もしくは3元系に対してもDP/SLによる熱伝導度評価が適用できることが判明した。

测量了连铸保护渣成分铝硼硅酸盐（CaO-B2O3-Al2O3-SiO2）体系的热导率，并分析了其玻璃化样品的局部结构。我们还尝试使用第一原理计算来定量评估结构单元中原子之间的共价键。继去年之后，在1300至1500℃的温度下进行了热导率测量。已证实，在所有测试的组合物中，热导率随着温度升高而降低。随着CaO浓度的增加，热导率有降低的趋势，进一步对光学碱度的评估发现光学碱度与热导率之间存在明显的负相关关系。这两个事实表明熔融氧化物中的热传导是由于声子传递所致。使用 MAS-NMR 对 1500℃ 熔化、快速冷却和玻璃化的样品进行局部结构分析。结果，可以获得有关每个样品的B和Al原子的每个配位数的丰度比以及Si的桥接氧的数量的信息。基于该信息，进行第一性原理计算以计算电子从分布的平均位置评价各键的共价键合性，并与热导率值进行比较。虽然我们能够在今年的新组合物中确认平均共价键合性能和导热率之间的正相关性，但我们通过使用结合DP/SL作为指标，我们能够定量评价导热系数与结构之间的关系。还发现DP/SL热导率评估可以应用于由CaO-B2O3-Al2O3-SiO2体系中的四种组分中的任何一种组成的二元或三元体系。

项目成果

CaO-BO1.5-AlO1.5-SiO2系融体における熱伝導度と共有結合性の関係

CaO-BO1.5-AlO1.5-SiO2体系熔体导热系数与共价键的关系

• 发表时间: 2022
• 作者: 中山彰勤;森田一樹
• 通讯作者: 森田一樹

Relationship between Thermal Conductivity and Structure for the CaO-BO1.5- AlO1.5 Melts

CaO-BO1.5-AlO1.5熔体的热导率与结构的关系

• DOI: 10.33313/531/045
• 发表时间: 2022
• 期刊: Proceeding. The 8th International Congress on the Science and Technology of Steelmaking (ICS 2022)
• 作者: K.Morita;A.Nakayama;H.Aoki and S.Shirayama
• 通讯作者: H.Aoki and S.Shirayama