Компьютерное моделирование движения кислорода, сопровождающее производство алюминия

А.Е. Галашев1, О.Р. Рахманова1
1Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук, 620990, г. Екатеринбурга, ул. С. Ковалевской, 22

Аннотация

В молекулярно-динамическом расчете исследовано движение ионов кислорода в алюминиевом расплаве под действием постоянного электрического поля при температуре Т = 1233 К.  Ионы кислорода проходят через расплав с различной скоростью и интенсивностью в зависимости от их концентрации.Методом молекулярной динамики изучено поведение ионов кислорода в расплаве алюминия под действием постоянного электрического поля. Скорость движения ионов кислорода O2- от графитовой стенки к поверхности расплава возрастает, а время, когда первый ион достигает поверхности уменьшается с ростом концентрации ионов O2-. В случае малых концентраций ионов кислорода, на поверхности алюминиевого расплава чаще всего образуются небольшие кластеры, содержащие по несколько ионов кислорода. Когда же число ионов O2- составляет 90, формируются вертикальные цепочки атомов кислорода, протянувшиеся снизу вверх вдоль молекулярно-динамической ячейки. Траектория движения ионов кислорода нетривиальна. Перед тем, как достигнуть поверхности расплава, ион совершает случайные движения в окрестности основания ячейки. Затем, достигнув поверхности, он случайным образом начинает перемещаться в тонком приповерхностном слое ячейки. Коэффициент самодиффузии атомарного алюминия и внутренняя энергия расплава алюминия возрастают, в то время как коэффициент самодиффузии ионов кислорода уменьшается с ростом концентрации ионов в системе. Интенсивность пиков парциальной функции радиального распределения возрастает с ростом концентрации ионов кислорода в расплаве. Картина конечного местоположения ионов может быть прямо противоположной в зависимости от граничных условий, действующих в системе, и порядке их применения. При воздействии свободных граничных условий для системы, содержащей 90 ионов кислорода, давление, создаваемое ионами кислорода, оказывается достаточным, чтобы вытеснить алюминиевый расплав. В этом случае кислородный пузырь поднимается со дна молекулярно-динамической ячейки по расплавленному алюминию.

Получена: 11 июля 2017   Исправлена: 11 сентября 2017   Принята: 24 сентября 2017

Просмотры: 27   Загрузки: 12

Ссылки

1.
S. Hasani, M. Panjepour, M. Shamanian. Oxid. Met. 78, 179 – 195 (2012). DOI: 10.1007/s11085‑012‑9299‑1
2.
S. Hong, A. C. T. van Duin. J. Phys. Chem. C. 120, 9464 – 9474 (2016). DOI: 10.1021/acs.jpcc.6b00786
3.
L. P. H. Jeurgens, W. G. Sloof, F. D. Tichelaar, E. J. Mittemeijer. J. Appl. Phys. 92, 1649 – 1656 (2002). DOI: 10.1063/1.1491591
4.
D. Krewski, R. A. Yokel, E. Nieboer, D. Borchelt, J. Cohen, J. Harry, S. Kacew, J. Lindsay, A. M. Mahfouz, V. Rondeau. J. Toxicol Environ Health B Crit Rev. 10, 1 – 269 (2007). DOI: 10.1080/10937400701597766
5.
W. M. Zhong, G. L’Esperance, M. Suery. Metall. Mater. Trans. A. 26, 2625 – 2635 (1995). DOI: 10.1007/BF02669420
6.
P. N. Anyalebechi. Scr. Metall. Mater. 33, 1209 – 1216 (1995). DOI: 10.1016 / 0956-716X(95)00373-4
7.
A. de Kanti, A. Mukhopadhyay, S. Sen, I. K. Puri. Modelling Simul. Mater. Sci. Eng. 12, 389 – 405 (2004). DOI: 10.1088/0965-0393/12/3/003
8.
M. I. Mendelev, D. J. Srolovitz, G. J. Ackland, S. Han. J. Mater. Res. 20, 208 – 218 (2005). DOI: 10.1557/JMR.2005.0024
9.
J. Tersoff. Phys. Rev. Lett. 61, 2879 – 2882 (1988). DOI: 10.1103/PhysRevLett.61.2879
10.
Y. M. Kim, S.‑C. Kim. J. Korean. Phys. Soc. 40, 293 – 299 (2002). DOI: 10.3938/jkps.40.293
11.
R. B. Bird, W. F. Stewart, E. N. Ligthfoot. Transport Phenomena. New York, Wiley. (2002) 866 p.
12.
A. E. Galashev. Tech. Phys. 59, 467 – 473 (2014). DOI: 10.1134/S1063784214040112
13.
S. A. Nosé. J. Chem. Phys. 81, 511 – 519 (1984). DOI: 10.1063/1.447334
14.
S. Plimpton. J. Comp. Phys. 117, 1 – 19 (1995). DOI: 10.1006/jcph.1995.1039
15.
F. Kargl, E. Sondermann, H. Weis, A. Meyer. High Temp. High Press. 42, 3 – 21 (2013).
16.
Y. Rosenfeld. J. Phys. Condens. Matter. 11, 5415 – 5427 (1999). DOI: 10.1088/0953-8984/11/28/303
17.
A. E. Galashev, O. R. Rakhmanova. High. Temp., 52, 374 – 380 (2014). DOI: 10.1134/S0018151X14030110
18.
C. B. Alcock, T. N. Belford. Trans. Faraday Soc. 60, 822 – 835 (1964). DOI: 10.1039/TF9646000822
19.
T. N. Belford, C. B. Alcock. Tran. Faraday Soc. 61, 443 – 453 (1965). DOI: 10.1039/TF9656100443
20.
H. Rickert, H. Wagner. Electrochim. Acta. 11, 83 – 91 (1966). DOI: 10.1016/0013-4686(66)85009-0
21.
S. Otsuka, Z. Kozuka. Met Trans B. 10, 565 – 574 (1979). DOI: 10.1007/BF02662559
22.
A. Kishimoto, A. Wada, T. Michimoto, T. Furukawa, K. Aoto, T. Oishi. Met. Trans. B. 47, 122 – 128 (2006). DOI: 10.1007/BF02662559