铝硅酸盐熔体的结构和性能,一直是冶金、陶瓷、玻璃、地质学等领域最重要和最核心的课题。在冶金领域中,CaO-SiO2-Al2O3三元系熔体是非常重要的一个基础渣系,高炉渣、部分铁合金冶炼渣、炉外精炼渣以及连铸保护渣等的主要成分都可归结于此渣系。两性氧化物Al2O3作为重要组元,一般认为其在碱性环境中显酸性,在酸性环境中显碱性,但组分变化对Al2O3两性行为的影响规律鲜有报道。另外一方面,CaF2作为常见助熔剂,对调节熔渣性能具有重要作用,但关于F对铝硅酸盐熔体结构作用机制的认识尚不一致。因此,研究Al2O3在CaO-SiO2-Al2O3体系的酸碱性及F对铝硅酸盐熔体微观结构和性能的影响具有重要意义。论文首先以CaO-SiO2-Al2O3三元系熔体为对象,通过分子动力学模拟研究熔体组分变化对微观结构和宏观性能的影响,分析平均键长、配位数、氧类型分布和结构单元分布等结构信息以及均方位移、自扩散系数等动力学性质信息,揭示Al2O3对熔体结构的作用机制。其次,以CaO-Al2O3-CaF2和CaO-SiO2-CaF2体系为对象研究F对熔体微观结构的影响。同时,通过光谱学分析探究典型熔渣中各种结构单元相对含量及其变化规律,并同分子动力学模拟结果相互验证。CaO-SiO2-Al2O3系熔体结构分析结果表明:体系中[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体为熔体中主要结构单元,且[SiO4]4-四面体能稳定存在。Ca2+更倾向于靠近Al,优先发挥补偿[AlO4]5-四面体过剩负电荷的作用。随Al2O3含量增加,体系聚合度升高,Al-O结构的无序性增加,高Al2O3体系中没有足够的Ca2+提供电荷补偿,三配位氧Ot和高配位Al显著增多,以达到平衡体系电荷的效果。体系碱度增加,复杂网络结构解聚,[AlO4]5-四面体趋于规则化。当体系中缺少O2-离子形成[AlO4]5-四面体结构时,部分Al2O3显碱性,提供O2-和平衡电荷。光谱学分析结果表明,游离态的[AlO6]八面体结构特征峰在高Al2O3熔渣中显著增强。CaO-SiO2-Al2O3系熔体的结构与性能关系的分析结果显示:熔体中原子的自扩散系数顺序为:DCa>DAl>DO>DSi。体系中[SiO4]4-和[AlO4]5-四面体结构是粒子扩散的基本单元,O原子与Al和Si协作运动。Al和O原子自扩散系数的变化受三配位氧和高配位Al的影响。碱度CaO/SiO2=1时,熔体黏度随Al2O3浓度增加而升高,在Al2O3=26 mol%时达到最大值。随着Al2O3进一步增加,Ca原子数量相对不足,三配位氧和五配位铝显著增多,结构趋于不稳定,DAl和DO增大,熔体黏度降低。认为Al2O3的酸碱性变化依赖于熔体组分,当碱性阳离子充足时Al2O3显酸性,形成网络结构,碱性阳离子不足时,部分Al2O3显碱性,提供O原子和平衡电荷。CaO-Al2O3-CaF2和CaO-SiO2-CaF2体系的分子动力学模拟研究发现:F对硅酸盐和铝酸盐熔体结构作用特性不同。在硅酸盐熔体中,F不参与网络结构的形成,以Ca-F离子簇的形式游离在网络间隙起稀释剂作用。在铝酸盐熔体中,F对熔体结构有双重作用。一方面,F与Ca形成Ca-F离子簇起稀释剂作用;另一方面,F与[AlO4]5-反应置换O,形成[AlO3F]4-四面体结构,被释放的O原子由其他[AlO4]5-结构吸收形成不稳定的高配位Al。呈电中性的[AlO3F]4-结构和Ca2+平衡Al-O结构过剩负电荷,使Al-O-Al结构稳定存在。