随着高炉大型化、长寿化发展,熔炼含钛原料进行炉缸维护已经成了世界公认的主要技术。在钛元素已成为炉缸铁液常见的基本组成元素的同时,对高炉炉缸铁水物性的控制也提出了更加严格的要求。一方面,钛矿护炉的原理是以铁液为运输介质,使钛化物在耐材表面附着形成保护层,但由于铁水含钛量过高而导致炉缸不活的现象时有发生;另一方面,炉缸内超低粘度铁液的渗透溶蚀及环流冲刷又是加剧炉缸耐材侵蚀的主要原因之一。因此,亟需深入理解高炉含钛铁液的粘度演变行为和机制,为高炉铁液的流动性能评价和调控提供参考,有效地为高炉炉缸长寿维护提供理论支撑。本文采用高温实验、理论计算、分子模拟以及深度学习等多种研究手段,依据高炉炉缸内部实际铁水的温度与成分条件,设计实验与模拟方案,从物相和结构两方面揭示了含钛铁液的粘度演变机制,完善了高炉含钛铁液的物性理论。本文采用振荡法、高温X射线衍射和分子动力学模拟手段探究了 Fe-C二元体系下的铁基熔体液态结构和粘度的构效关系。结果表明,在Fe-C熔体的液态结构存在中程有序结构。根据铁原子位置和作用方式可将其分为三类,分别为Free-Fe、A类铁原子和B类铁原子,铁原子会在三种状态下不断转变。碳原子则均以与铁原子配位结构的形式存在,分布在临时的小型原子团簇和MRO簇中。熔体温度降低时,部分Free-Fe会与碳形成配位结构变为A-Fe和B-Fe,部分A-Fe也转变为B-Fe,最终使铁碳熔体中碳原子的平均配位数随温度的降低而增加,随之使得原子簇的平均大小和数目随着温度的降低而增加,熔体自由体积减小,综合影响下导致了 Fe-C熔体的粘度随温度的降低而增大。碳含量的增加明显提高Fe-C熔体的粘度,这是因为Fe-C熔体中临时团簇核心原子的数量会随着碳含量的增加而直接增加,同时铁原子也会发生配位变化,使得A-Fe和B-Fe的数量增加,进而使得熔体内部的自由体积占比降低。通过热力学计算、原位分析法以及热分析法明确Fe-C-Ti三元熔体在炉缸温度范围内的物相演变行为。基于分子动力学理论,结合粘度测定结果,揭示铁、碳、钛原子在熔体内的赋存形态以及对流动特性的影响机制。结果表明,Fe-C-Ti三元合金铁基熔体在高温下的液态结构同样主要由空穴和大小不同的原子团簇组成,团簇类型包含了稳定钛核心团簇和碳核心团簇两种。温度降低时Fe-C-Ti三元熔体内部Free-Fe和A-Fe会转变为B-Fe,从而使得自由体积明显降低。温度降温达到1320℃时,Ti-C和C-Fe的配位关系会发生大幅变化,粘度随着温度降低的升高趋势变缓,熔体的液态结构进入一个稳态。温度降低至液相线温度后,Fe-C-Ti熔体的粘度温度关系曲线出现拐点,此时石墨开始析出,铁水粘度呈现陡升趋势。在Fe-C-Ti熔体处于高温液相区时,钛含量增加会导致熔体内部以钛为核心的团簇数量增加,导致铁液粘度随着钛含量增加而增加。温度低于液相线温度时,由于钛含量增加会降低石墨析出温度,粘度最终会受石墨析出质量分数的影响。对全成分及温度范围内Fe-C-Ti-j（j=Si、Mn、P或S）四元熔体液态结构和物相演变行为进行分析,系统解析高温液相区及固液共存区内铁液结构与粘度的构效关系。结果表明,硅含量的增加,大大促进了石墨析出,而Fe-C-Ti-Mn四元铁基熔体中的固相析出温度以及固液混合的温度区间均会随着锰含量增加而降低。含磷和含硫的四元铁基熔体析出物相有两种,分别为石墨、TiC及C2S2Ti4。纯液相状态下,硅和磷会与铁原子形成配位结构,锰在铁液中会代替自由铁以一种稳定游离状态存在,硫原子以间隙原子状态存在于熔体中。当温度降低时,所有体系铁基熔体内部的自由铁原子数量均会大幅降低,与碳原子结合形成团簇,导致自由体积占比降低,同时团簇尺寸和个数出现了明显提高,宏观表现为铁水粘度增加。组元含量增加时,硅和锰对熔体粘度的影响规律在所有温度下能够保持一致,而磷和硫组元含量则对于铁基熔体在液相和固液混合区内的粘度变化呈现不同的影响规律。利用高炉铁液粘度的实验数据对现有自由体积理论、准晶理论和反应速率理论等熔体粘度模型进行了适用性的验证分析,之后利用深度学习手段,对高炉含钛铁液粘度预测模型进行了构建。结果表明,相比于其他理论下的半经验模型,基于准晶理论的半经验模型对于炼铁生产高炉铁水粘度的预测结果与实际值更为接近,但仍不完全适用于高炉铁水这种组元较多且包含非金属或半金属成分的熔体,使用时需要大量的修正适应。通过对粘度数据集进行训练和验证,确定了多元含钛铁基熔体粘度预测模型最佳的模型超参数分别为:两层全连接层、激活函数选择ReLU、优化器算法选择SGD、隐藏神经元的数量确定为64个、迭代次数1000次。将模型应用于预测三座高炉实际铁水粘度时,预测值的相对误差均处于10%以内,模型预测结果准确。综上所述,关于高炉含钛铁基熔体液态结构及粘度演变行为,本次论文在前人研究基础上,对尚未明确的科学问题进行了系统研究。明确揭示了不同温度下组元在铁基熔体内部的赋存形态,从原子尺度解析了含钛铁基熔体高温下的液态结构及演变机制,精准测定了多个体系的铁液粘度,最终针对性构建了含钛铁液粘度预测模型,为合理调控高炉铁液粘度提供了理论基础。