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熱力學模型計算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面張力（三）
來源：中國有色金屬學報 瀏覽 1265 次 發布時間:2024-08-13
3.2含B2O3二元體系熔渣表面張力
采用本模型計算1873K下含B2O3二元體系熔渣表面張力，考察B2O3含量對熔渣表面張力的影響。MgO-B2O3體系中，1873K時，在富MgO區(B2O3含量(質量分數)小于28%)，存在MgO相和液相的固液兩相區(L2+MgO)，在富B2O3區(B2O3含量(質量分數)大于70%)存在兩液相不互溶區(L1+L2)，且該區處于亞穩態，有關該亞穩態區，其邊界、體系熱力學性質等研究尚不清楚，因此，本研究中雖然計算了MgO-B2O3渣系全濃度范圍內的表面張力變化情況，但僅B2O3含量在28%～70%范圍內熔渣處于單一液相區(L2)范圍；CaO-B2O3體系中，在富B2O3區同樣存在兩液相不互溶區，在不互溶區存在溫度相對較低(＜1490℃)，因此，1873 K時，僅在富CaO區(B2O3含量小于22%)存在氧化鈣相和液相的固液兩相區(L+CaO)。B2O3-SiO2二元體系中，熔渣液相區(L)范圍比較大，僅富SiO2區(B2O3含量(質量分數)小于3%)存在方英石相和液相的固液兩相區(L+方英石)。Al2O3-B2O3二元體系中，熔渣液相區(L)范圍較窄，僅在富B2O3區(B2O3含量大于85%)存在液相區。含B2O3二元體系熔渣表面張力計算結果如圖2所示。結果表明，作為表面活性物質，B2O3組元能夠顯著降低熔渣表面張力。熔渣表面張力隨著B2O3含量的增加而顯著降低。MgO-B2O3體系和CaO-B2O3體系中，酸性氧化物B2O3的增加，將導致陰離子結構復雜化，陰離子團聚合程度增強，對陽離子的靜電引力減弱，從而降低了體系的表面張力。B2O3-SiO2體系和Al2O3-B2O3體系中，B2O3對表面張力的降低作用，則可能與硼氧陰離子團與硅氧陰離子團、鋁氧陰離子團之間的差異有關。
圖2 1873 K時含B2O3二元熔渣表面張力
純氧化物表面張力主要與離子間的鍵能有關，形成氧化物的離子的靜電勢(Z/r)大，且離子鍵分數高的氧化物有較大的表面張力。純組分氧化物的靜電勢和離子鍵分數如圖3所示。純液態B2O3屬于表面活性物質，在1873 K時的表面張力約為0.104 N/m，僅為MgO、CaO、Al2O3和SiO2同溫度純物質表面張力數據的1/6～1/3。Si4+和B3+離子雖然靜電勢很高，但其離子鍵分數較低(＜50%)，易形成共價鍵高、靜電勢小的絡離子，從而其表面張力值較小；Mg2+、Ca2+和Al3+離子雖然靜電勢較小，但離子鍵分數較高，從而具有較高的表面張力值。
3.3含B2O3三元體系熔渣表面張力
圖3 1873K下純氧化物的表面張力值與離子鍵分數和陽離子靜電勢(Z/r)
1873K時含B2O3三元體系等溫相圖及液相線如圖4所示。實際條件下，Si常存在于金屬相中，而SiO2則以硼硅酸鹽的形式存在于熔渣中，因此，SiO2添加對含B2O3三元體系熱力學性質的影響仍有待確定，MgO-B2O3-SiO2、CaO-B2O3-SiO2和Al2O3-B2O3-SiO2三元系相圖也需要進一步優化。1873K時含B2O3三元體系熔渣等表面張力線如圖4所示。結果表明，在MgO-B2O3-SiO2體系和CaO-B2O3-SiO2體系1873K完全液相區(Liquid II)范圍內，熔渣表面張力值在0.15～0.45 N/m范圍內；隨著B2O3含量的增加，表面張力顯著降低；隨著SiO2含量、MgO含量和CaO含量的增加，熔渣表面張力逐漸增大，但MgO含量和CaO含量對表面張力的影響更加顯著。在Al2O3-B2O3-SiO2體系1873K完全液相區(Liquid)范圍內，熔渣表面張力在0.10～0.30 N/m范圍內；熔渣表面張力隨B2O3含量的增加而逐漸減小，隨SiO2含量和Al2O3含量的增加而逐漸增大。
3.4 MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體系中組分含量對熔渣表面張力的影響
圖4 1873K時含B2O3三元系等表面張力線的計算結果
采用本模型，考察1873K時組分含量對典型富硼渣表面張力的影響，計算結果如圖5所示。圖5(a)為1873K時渣中CaO含量和Al2O3含量分別為10%和5%(質量分數)，MgO和SiO2質量比為1.0～2.5時，不同B2O3含量(分別為10%、15%、20%和25%(質量分數))下熔渣表面張力與MgO和SiO2的質量比的關系。計算結果顯示，熔渣表面張力隨著MgO和SiO2的質量比的增加而逐漸增大，但變化的幅度逐漸降低；熔渣表面張力隨著B2O3含量的增加而逐漸降低，且B2O3含量對表面張力的影響對MgO和SiO2的質量比更加顯著。圖5(b)為1873K時渣中MgO和SiO2的質量比為1.5、B2O3含量為15%、Al2O3含量在1%～15%時(質量分數)，不同CaO含量(分別為1%、5%、9%和13%(質量分數))下熔渣表面張力與Al2O3含量的關系。計算結果顯示，熔渣表面張力隨CaO含量和Al2O3含量的增加而逐漸增大，不同CaO含量下表面張力隨Al2O3含量變化的趨勢基本一致，CaO含量對表面張力的影響與Al2O3含量對表面張力的影響基本相當。
圖5 1873K下MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體系熔渣表面張力與組分含量的關系
綜上所述，硼鐵礦火法分離工藝中利用鐵水和熔渣在密度、表面張力等方面的差異，實現鐵與富硼渣的分離。通過減少硼鐵礦中脈石含量，提高富硼渣中MgO/SiO2比值，合理控制CaO和Al2O3含量，從而提高富硼渣表面張力，有利于使渣金間具有足夠大的界面張力，提高渣鐵分離提取效率。
4結論
1)基于熔渣結構離子與分子共存理論和Butler方程建立MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體系熔渣表面張力計算模型，模型計算結果與實驗測量值吻合較好。
2)含B2O3二元體系中，熔渣表面張力隨B2O3含量的增加而降低，作為表面活性物質，B2O3組元能顯著降低熔渣表面張力。純氧化物表面張力值與形成氧化物的陽離子靜電勢及氧化物中離子鍵分數有關。
3)含B2O3三元體系熔渣表面張力隨著B2O3含量的增加而顯著降低；隨著SiO2含量、Al2O3含量、MgO含量和CaO含量的增加，熔渣表面張力逐漸增大。
4)MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體系熔渣表面張力隨著MgO和SiO2質量比的增加而增大，但變化的幅度逐漸降低；B2O3組元能夠顯著降低熔渣表面張力；熔渣表面張力隨CaO含量和Al2O3含量的增加而逐漸增大，且兩者對表面張力的影響基本相當。
熱力學模型計算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面張力（一）