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熱力學模型計算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表麵張力（三）
來源：中國有色金屬學報 瀏覽 1869 次 發布時間:2024-08-13
3.2含B2O3二元體係熔渣表麵張力
采用本模型計算1873K下含B2O3二元體係熔渣表麵張力，考察B2O3含量對熔渣表麵張力的影響。MgO-B2O3體係中，1873K時，在富MgO區(B2O3含量(質量分數)小於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)大於70%)存在兩液相不互溶區(L1+L2)，且該區處於亞穩態，有關該亞穩態區，其邊界、體係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渣係全濃度範圍內的表麵張力變化情況，但僅B2O3含量在28%～70%範圍內熔渣處於單一液相區(L2)範圍；CaO-B2O3體係中，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含量小於22%)存在氧化鈣相和液相的固液兩相區(L+CaO)。B2O3-SiO2二元體係中，熔渣液相區(L)範圍比較大，僅富SiO2區(B2O3含量(質量分數)小於3%)存在方英石相和液相的固液兩相區(L+方英石)。Al2O3-B2O3二元體係中，熔渣液相區(L)範圍較窄，僅在富B2O3區(B2O3含量大於85%)存在液相區。含B2O3二元體係熔渣表麵張力計算結果如圖2所示。結果表明，作為表麵活性物質，B2O3組元能夠顯著降低熔渣表麵張力。熔渣表麵張力隨著B2O3含量的增加而顯著降低。MgO-B2O3體係和CaO-B2O3體係中，酸性氧化物B2O3的增加，將導致陰離子結構複雜化，陰離子團聚合程度增強，對陽離子的靜電引力減弱，從而降低了體係的表麵張力。B2O3-SiO2體係和Al2O3-B2O3體係中，B2O3對表麵張力的降低作用，則可能與硼氧陰離子團與矽氧陰離子團、鋁氧陰離子團之間的差異有關。
圖2 1873 K時含B2O3二元熔渣表麵張力
純氧化物表麵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麵張力。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屬於表麵活性物質，在1873 K時的表麵張力約為0.104 N/m，僅為MgO、CaO、Al2O3和SiO2同溫度純物質表麵張力數據的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，從而其表麵張力值較小；Mg2+、Ca2+和Al3+離子雖然靜電勢較小，但離子鍵分數較高，從而具有較高的表麵張力值。
3.3含B2O3三元體係熔渣表麵張力
圖3 1873K下純氧化物的表麵張力值與離子鍵分數和陽離子靜電勢(Z/r)
1873K時含B2O3三元體係等溫相圖及液相線如圖4所示。實際條件下，Si常存在於金屬相中，而SiO2則以硼矽酸鹽的形式存在於熔渣中，因此，SiO2添加對含B2O3三元體係熱力學性質的影響仍有待確定，MgO-B2O3-SiO2、CaO-B2O3-SiO2和Al2O3-B2O3-SiO2三元係相圖也需要進一步優化。1873K時含B2O3三元體係熔渣等表麵張力線如圖4所示。結果表明，在MgO-B2O3-SiO2體係和CaO-B2O3-SiO2體係1873K完全液相區(Liquid II)範圍內，熔渣表麵張力值在0.15～0.45 N/m範圍內；隨著B2O3含量的增加，表麵張力顯著降低；隨著SiO2含量、MgO含量和CaO含量的增加，熔渣表麵張力逐漸增大，但MgO含量和CaO含量對表麵張力的影響更加顯著。在Al2O3-B2O3-SiO2體係1873K完全液相區(Liquid)範圍內，熔渣表麵張力在0.10～0.30 N/m範圍內；熔渣表麵張力隨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體係中組分含量對熔渣表麵張力的影響
圖4 1873K時含B2O3三元係等表麵張力線的計算結果
采用本模型，考察1873K時組分含量對典型富硼渣表麵張力的影響，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))下熔渣表麵張力與MgO和SiO2的質量比的關係。計算結果顯示，熔渣表麵張力隨著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；熔渣表麵張力隨著B2O3含量的增加而逐漸降低，且B2O3含量對表麵張力的影響對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))下熔渣表麵張力與Al2O3含量的關係。計算結果顯示，熔渣表麵張力隨CaO含量和Al2O3含量的增加而逐漸增大，不同CaO含量下表麵張力隨Al2O3含量變化的趨勢基本一致，CaO含量對表麵張力的影響與Al2O3含量對表麵張力的影響基本相當。
圖5 1873K下MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體係熔渣表麵張力與組分含量的關係
綜上所述，硼鐵礦火法分離工藝中利用鐵水和熔渣在密度、表麵張力等方麵的差異，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，合理控製CaO和Al2O3含量，從而提高富硼渣表麵張力，有利於使渣金間具有足夠大的界麵張力，提高渣鐵分離提取效率。
4結論
1)基於熔渣結構離子與分子共存理論和Butler方程建立MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體係熔渣表麵張力計算模型，模型計算結果與實驗測量值吻合較好。
2)含B2O3二元體係中，熔渣表麵張力隨B2O3含量的增加而降低，作為表麵活性物質，B2O3組元能顯著降低熔渣表麵張力。純氧化物表麵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B2O3三元體係熔渣表麵張力隨著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，熔渣表麵張力逐漸增大。
4)MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體係熔渣表麵張力隨著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麵張力；熔渣表麵張力隨CaO含量和Al2O3含量的增加而逐漸增大，且兩者對表麵張力的影響基本相當。
熱力學模型計算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表麵張力（一）