一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法及系统与流程

1.本发明涉及熔分赤泥成纤技术领域，特别是涉及一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法及系统。


背景技术：

2.熔分赤泥是生产铝过程中产生的固体废弃物(赤泥)经转体炉提铁后形成的熔渣，含有大量的碱性氧化物和氧化铝，如大量堆积会对环境产生污染。目前，利用赤泥、调质剂钠盐和生石灰为原料制备矿棉；赤泥、粉煤为主料，生石灰与工业废渣(含高钙)制备纤维等取得了一定的进展。在利用赤泥制备纤维的过程中，如何保证生产的纤维质量好并符合国家标准显得尤为重要。其中纤维的直径就是评价其产品质量的一个重要标准，如何快速的确定熔分赤泥成纤的成纤直径成为一个亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法及系统，以快速的确定熔分赤泥成纤的成纤直径。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法，所述方法包括如下步骤：
6.采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值；
7.根据粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，采用线性回归的方法确定粘度系数和成纤半径的关系模型；
8.计算熔分赤泥成纤过程中的粘度系数的实际值；
9.根据所述关系模型和粘度系数的实际值，确定熔分赤泥成纤的成纤直径的实际值。
10.可选的，所述采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，具体包括：
11.基于熔分赤泥成纤体系中不同化学成分的含量，构建无定形熔分赤泥立方体盒子模型；
12.对所述无定形熔分赤泥立方体盒子模型进行几何优化，获得优化后的几何模型；
13.对优化后的几何模型进行降温分子动力学模拟，并获得熔分赤泥成纤体系所有原子的总均方位移；
14.基于所述总均方位移计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值；
15.待降温完成后测量熔分赤泥成纤后的成纤半径的理论值。
16.可选的，所述基于所述总均方位移计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值，具体包括：
17.基于所述总均方位移，利用公式计算熔分赤泥成纤的扩散系数；
18.基于所述扩散系数，利用公式计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值；
19.其中，d表示熔分赤泥成纤的扩散系数，η表示熔分赤泥成纤的粘度系数，kb表示波尔斯曼常数，t表示温度，λ表示扩散离子的平均扩散距离，λ＝2r，r表示扩散离子的平均半径，t表示时间，表示总均方位移，表示总均方位移，r
i(t)
表示离子i在t时刻的位置矢量，r
i(0)
表示离子i在0时刻的位置矢量，n表示离子的数量。
20.可选的，所述关系模型为：η＝a br；
21.其中，η和r分别为熔分赤泥成纤的粘度系数和成纤半径，a和b分别表示关系模型的常数项系数和一次项系数。
22.一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定系统，所述系统包括如下步骤：
23.理论值模拟测量模块，用于采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值；
24.关系模型确定模块，用于根据粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，采用线性回归的方法确定粘度系数和成纤半径的关系模型；
25.粘度系数实际值计算模块，用于计算熔分赤泥成纤过程中的粘度系数的实际值；
26.成纤半径确定模块，用于根据所述关系模型和粘度系数的实际值，确定熔分赤泥成纤的成纤直径的实际值。
27.可选的，所述理论值模拟测量模块，具体包括：
28.无定形熔分赤泥立方体盒子模型构建子模块，用于基于熔分赤泥成纤体系中不同化学成分的含量，构建无定形熔分赤泥立方体盒子模型；
29.无定形熔分赤泥立方体盒子模型优化子模块，用于对所述无定形熔分赤泥立方体盒子模型进行几何优化，获得优化后的几何模型；
30.总均方位移获取子模块，用于对优化后的几何模型进行降温分子动力学模拟，并获得熔分赤泥成纤体系所有原子的总均方位移；
31.粘度系数理论值计算子模块，用于基于所述总均方位移计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值；
32.成纤半径理论值测量子模块，用于待降温完成后测量熔分赤泥成纤后的成纤半径的理论值。
33.可选的，所述粘度系数理论值计算子模块，具体包括：
34.扩散系数计算单元，用于基于所述总均方位移，利用公式计算熔分赤泥成纤的扩散系数；
35.粘度系数理论值计算单元，用于基于所述扩散系数，利用公式计算熔分
赤泥成纤的粘度系数的理论值；
36.其中，d表示熔分赤泥成纤的扩散系数，η表示熔分赤泥成纤的粘度系数，kb表示波尔斯曼常数，t表示温度，λ表示扩散离子的平均扩散距离，λ＝2r，r表示扩散离子的平均半径，t表示时间，表示总均方位移，表示总均方位移，r
i(t)
表示离子i在t时刻的位置矢量，r
i(0)
表示离子i在0时刻的位置矢量，n表示离子的数量。
37.可选的，所述关系模型为：η＝a br；
38.其中，η和r分别为熔分赤泥成纤的粘度系数和成纤半径，a和b分别表示关系模型的常数项系数和一次项系数。
39.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
40.本发明公开了一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法及系统，该方法基于确定熔分赤泥成纤体系的化学成分含量，建立熔分赤泥成纤体系的立方盒子；然后对立方盒子进行高温几何优化，优化后的盒子进行降温分子动力学模拟，利用体系内所有原子总的均方位移分布，确定扩散系数d和黏度系数η；测量熔分赤泥成纤的半径r，并通过线性回归的方法建立黏度与半径的关系模型，基于该关系模型进行成纤直径的确定，无需成纤直径的机械的测量，实现了快速的确定熔分赤泥成纤的成纤直径。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明提供的一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法的流程图；
43.图2为本发明实施例3提供的无定形立方体盒子模型的结构示意图；
44.图3为本发明实施例3提供的降温模拟过程中设定的温度与时间关系图；
45.图4为本发明实施例3提供的纤维照片示例图；
46.图5为本发明实施例3提供的熔分赤泥黏度系数与成纤直径之间的关系图。
具体实施方式
47.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
48.本发明的目的是提供一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法及系统，以快速的确定熔分赤泥成纤的成纤直径。
49.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
50.实施例1
51.如图1所示，本发明提供一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定方法，所述方法包括如
下步骤：
52.步骤101，采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值；
53.步骤101所述采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，具体包括：
54.基于熔分赤泥成纤体系中不同化学成分的含量，构建无定形熔分赤泥立方体盒子模型。本发明的无定形立方体盒子模型是由materials studio软件中amorphous cell模块中建立起来的，盒子内分子为fe2o3、cao、mgo、sio2、al2o3、na2o和tio2；力场类型为universal；温度为298k；密度选2.8～3.1g/cm3。
55.对所述无定形熔分赤泥立方体盒子模型进行几何优化，获得优化后的几何模型。几何模型优化的参数包括：计算软件为materials studio软件；gulp模块为计算模块；力场采用garofalini二体势；系综为numbervolume temperature(nvt)系综。温度为5000k；弛豫30～50ps。
56.对优化后的几何模型进行降温分子动力学模拟，并获得熔分赤泥成纤体系所有原子的总均方位移。所述降温制度为t
初
为步骤二中高温几何优化的温度，设为5000k，弛豫30～50ps，然后以100～200k/ps冷速降到t
中
2000k，然后进行等温弛豫30～50ps，弛豫后以5～10k/ps冷速温降至t
终
1800～1550k，并在此温度下弛豫30～50ps。降温分子动力学模拟计算的参数包括：计算软件为materials studio软件；计算模块为gulp模块；系综为number volume temperature系综。所述输出t
终
驰豫后所有原子总的均方位移分布的过程为：通过materials studio软件foriceanalysis模块中的msd函数输出t
终
驰豫后所有原子总的均方位移分布。
57.基于所述总均方位移计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值。
58.利用公式1和公式2，得到扩散系数d；
[0059][0060]
公式1中：msd为步骤四中t
终
驰豫阶段中所有原子总的均方位移分布；r
i(0)
是i原子在0时刻的位置矢量；r
i(t)
是i原子在t时刻的位置矢量；
[0061][0062]
利用公式3得到熔分赤泥成纤的粘度系数η：
[0063][0064]
公式3中：η为粘度系数，单位为j
·
m-1
·
s；kb为波尔斯曼常数；t为t
终
，单位为k；λ表示扩散离子的平均扩散距离，λ＝2r，r为扩散离子的平均半径，单位为
[0065]
待降温完成后测量熔分赤泥成纤后的成纤半径的理论值；成纤半径r是熔分赤泥成纤后测量所得。
[0066]
步骤102，根据粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，采用线性回归的方法确定粘度系数和成纤半径的关系模型。所述关系模型为：η＝a br；其中，η和r分别为熔分赤泥成
纤的粘度系数和成纤半径，a和b分别表示关系模型的常数项系数和一次项系数。
[0067]
步骤103，计算熔分赤泥成纤过程中的粘度系数的实际值；
[0068]
步骤104，根据所述关系模型和粘度系数的实际值，确定熔分赤泥成纤的成纤直径的实际值。
[0069]
实施例2
[0070]
本发明还提供一种熔分赤泥成纤的成纤直径确定系统，所述系统包括：
[0071]
理论值模拟测量模块，用于采用计算机建模的方式，确定熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值和成纤半径的理论值。
[0072]
所述理论值模拟测量模块，具体包括：无定形熔分赤泥立方体盒子模型构建子模块，用于基于熔分赤泥成纤体系中不同化学成分的含量，构建无定形熔分赤泥立方体盒子模型；无定形熔分赤泥立方体盒子模型优化子模块，用于对所述无定形熔分赤泥立方体盒子模型进行几何优化，获得优化后的几何模型；总均方位移获取子模块，用于对优化后的几何模型进行降温分子动力学模拟，并获得熔分赤泥成纤体系所有原子的总均方位移；粘度系数理论值计算子模块，用于基于所述总均方位移计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值；成纤半径理论值测量子模块，用于待降温完成后测量熔分赤泥成纤后的成纤半径的理论值。
[0073]
所述粘度系数理论值计算子模块，具体包括：扩散系数计算单元，用于基于所述总均方位移，利用公式计算熔分赤泥成纤的扩散系数；粘度系数理论值计算单元，用于基于所述扩散系数，利用公式计算熔分赤泥成纤的粘度系数的理论值；
[0074]
其中，d表示熔分赤泥成纤的扩散系数，η表示熔分赤泥成纤的粘度系数，kb表示波尔斯曼常数，t表示温度，λ表示扩散离子的平均扩散距离，λ＝2r，r表示扩散离子的平均半径，t表示时间，表示总均方位移，表示总均方位移，r
i(t)
表示离子i在t时刻的位置矢量，r
i(0)
表示离子i在0时刻的位置矢量，n表示离子的数量。
[0075]
关系模型确定模块，用于根据粘度系数的理论值和成纤半径的理论值，采用线性回归的方法确定粘度系数和成纤半径的关系模型。
[0076]
所述关系模型为：η＝a br；其中，η和r分别为熔分赤泥成纤的粘度系数和成纤半径，a和b分别表示关系模型的常数项系数和一次项系数。
[0077]
粘度系数实际值计算模块，用于计算熔分赤泥成纤过程中的粘度系数的实际值。
[0078]
成纤半径确定模块，用于根据所述关系模型和粘度系数的实际值，确定熔分赤泥成纤的成纤直径的实际值。
[0079]
实施例3
[0080]
本发明实施例3提供了本发明的方法及系统的具体实施方式。
[0081]
首先根据熔分赤泥与调质剂(生石灰、石英石和白云石)的主要化学成分确定赤泥成纤的原料配比，分别设置了7个方案进行实施，如表1和2所示。
[0082]
表1熔分赤泥各成分质量分数
[0083]
方案fe2o3caomgosio2al2o3na2otio21#3.557.151.4045.8928.867.076.032#4.0611.416.2040.1825.846.285.903#1.3716.2110.1745.3520.703.132.964#1.6714.988.9341.6825.203.803.615#3.5615.959.6942.7518.405.563.896#4.9710.925.3440.4325.207.615.337#6.038.603.1436.3230.229.146.39
[0084]
表2立方盒子内各元素原子个数
[0085][0086]
(1)基于上述原子种类和个数，通过materials studio软件中的amorphous cell模块构建熔分赤泥成纤的立方盒子，如图2所示，密度设为2.90g，力场类型为universal，温度设为298k。
[0087]
(2)对所述优化后的盒子进行降温过程分子动力学模拟，温降制度如图3所示：将高温几何优化后的立方盒子用30ps的时间，温降速度为100k/ps，从5000k(t
初
)降至2000k(t
中
)，然后弛豫30ps，再以10k/ps的冷速由2000k降到1800k(t
终
)，并在此温度下弛豫30ps，弛豫目的是使系统能量均衡化，消除应力。
[0088]
(3)温降计算结束后，输出所有原子总的均方位移(msd)分布；
[0089]
利用公式1和公式2，得到扩散系数d；
[0090][0091]
公式1中：msd为步骤四中t
终
驰豫阶段中所有原子总的均方位移分布；r
i(0)
是i原子在0时刻的位置矢量；r
i(t)
是i原子在t时刻的位置矢量；
[0092][0093]
利用公式3得到熔分赤泥成纤的粘度系数η：
[0094][0095]
公式3中：η为粘度系数，单位为j
·
m-1
·
s；kb为波尔斯曼常数；t为t
终
，单位为k；λ为扩散离子的平均扩散距离，λ＝2r，r为扩散离子的平均半径，单位为
[0096]
(4)对7个方案的熔分赤泥成纤后(如图4)的纤维直径进行测量，然后通过线性回归的方法建立熔融态熔分赤泥黏度与纤维半径r之间的关系。计算结果如图5所示：熔分赤泥黏度系数η与成纤直径r之间关系为：η＝-2.98 0.94r。
[0097]
本发明基于确定熔分赤泥成纤体系的化学成分含量，采用materials studio分子动力学软件建立熔分赤泥成纤体系的立方盒子；然后对立方盒子进行高温几何优化，优化后的盒子进行降温分子动力学模拟，利用体系内所有原子总的均方位移分布(total msd)，确定扩散系数d和黏度系数η；测量熔分赤泥成纤的半径r，并通过线性回归的方法建立黏度与半径的关系，基于该关系，通过黏度的计算直接确定成纤直径，无需对成纤直径的测量，实现了快速的确定熔分赤泥成纤的成纤直径。
[0098]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0099]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。