基于熔渣结构的离子与分子共存理论和Butler方程建立了MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系表面张力计算模型，计算了该体系及其子体系表面张力值，考察了熔渣表面张力随熔渣组分的变化规律，以期为富硼渣调控和综合利用提供参考。结果表明：本模型计算的熔渣表面张力值与实验值吻合较好，模型平均相对误差为9.03%。含B2O3的二元体系中，B2O3组元显著降低熔渣表面张力，纯氧化物表面张力值与形成氧化物阳离子的静电势及氧化物中离子键的分数有关。含B2O3的多元体系中，熔渣表面张力随着B2O3含量的增加而显著降低，但随着MgO和SiO2质量比、CaO含量和Al2O3含量的增加而逐渐增大，且CaO和Al2O3含量对含B2O3渣表面张力的影响基本相当。

我国蕴藏丰富的硼铁矿资源，硼铁精矿高炉冶炼后得到含硼生铁和富硼渣。富硼渣中主要物相为遂安石(2MgO…B2O3)、镁橄榄石(2MgO…SiO2)以及少量的钙黄长石(2CaO…Al2O3…SiO2)。其化学成分约为B2O314%～17%、MgO 43%～46%、SiO220%～23%、CaO 4%～6%、Al2O36%～8%(质量分数)。硼铁矿高炉铁硼分离过程中，表面张力过小时，渣铁分离困难，金属熔体容易进入熔渣中，不利于硼铁分离提取。富硼渣是宝贵的二次资源，富硼渣主要通过碳碱法、硫酸法、熔态钠化-热处理-加压水浸法等方法用来生产硼砂、硼酸和一水硫酸镁等。富硼渣还可通过多组分整体转型，制备具有富硼渣资源特点的含硼复合材料。

硼铁矿火法分离工艺中铁硼分离程度决定富硼渣中有价硼、镁等资源的品味，对富硼渣中有价元素的分离利用产生重要影响。而富硼渣的熔体物性对铁硼分离提取具有显著影响，其中表面张力对渣金界面反应、硼铁分离提取等过程具有决定作用。目前，虽然一些研究者研究了含硼渣的表面张力，但鉴于熔渣表面张力测定的实验难度大，富硼渣成分复杂且变化范围广，因此，利用模型对多元富硼渣体系表面张力进行计算和预测很有必要，目前关于多元含硼渣体系的表面张力计算模型尚未见报道。

BULTER根据化学势和表面能建立了熔体表面张力计算方程(Butler方程)。成国光等基于熔渣结构离子和分子共存理论以及Butler方程，提出了一个热力学模型计算熔渣的表面张力，该模型计算过程中基于纯组分的表面张力和摩尔体积，结合实际熔渣结构合理假设，模型简单且适用性强，在多组元熔渣表面张力计算中得到广泛验证和推广。因此，本文作者基于含B2O3熔渣结构的离子与分子共存理论和熔体表面张力的Butler方程，建立MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣体系表面张力的计算模型，并将计算结果与对应的实验测量值进行对比，以验证模型的准确性；并在此基础上，计算1873K下MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3渣系及其子体系的熔渣表面张力，考察熔渣表面张力随熔渣组分的变化规律，以期为富硼渣调控和综合利用提供参考。

1 MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系熔渣结构单元的确定

本模型的关键环节即为依据熔渣结构离子与分子共存理论确定熔渣中离子、简单分子和复杂分子。目前，MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3五元富硼渣体系相图及物相关系未见文献报道，本文作者通过相关的含硼三元体系确定富硼渣体系的物相。MgO-B2O3-SiO2三元相图显示，渣系中存在众多物相，但三元渣系中不存在三元复杂化合物。MgO-SiO2二元体系中，确定的主要物相为2MgO…SiO2和MgO…SiO2两种复杂化合物，B2O3-SiO2二元体系中无复杂化合物，B2O3-MgO二元体系中确定存在3MgO…B2O3和2MgO…B2O3复杂化合物，但对是否存在MgO…B2O3和MgO…2B2O3物相是否稳定存在尚存在争议，在MgO-B2O3二元体系物相尚存争议的情况下，本研究中确定MgO-B2O3-SiO2三元体系熔渣高温下稳定存在2MgO…SiO2、MgO…SiO2、3MgO…B2O3和2MgO…B2O34种复杂化合物。CaO-B2O3-SiO2三元体系中，CaO…SiO2、3CaO…2SiO2、2CaO…SiO2和3CaO…SiO24种复杂化合物确定存在于CaO-SiO2二元体系中，B2O3-CaO二元体系中存在的复杂化合物为3CaO…B2O3、2CaO…B2O3、CaO…B2O3和CaO…2B2O3，三元复杂化合物B2O3…CaO…2SiO2作为自然矿物(硅酸硼钙石，又称赛黄晶)存在，MOREY等通过水热法合成了该复杂化合物。FLINT等报道了B2O3…5CaO…2SiO2复杂化合物的存在，但SUZUKI等否定B2O3…5CaO…2SiO2存在，而认为存在1713K(1440℃)以下稳定存在的B2O3…11CaO…4SiO2复杂化合物。目前，相关CaO-B2O3-SiO2三元优化相图对B2O3…5CaO…2SiO2和B2O3…11CaO…4SiO2是否稳定存在也没有定论。在此情况下，本研究中规定CaO-B2O3-SiO2三元体系熔渣高温下稳定存在CaO…SiO2、3CaO…2SiO2、2CaO…SiO2、3CaO…SiO2、3CaO…B2O3、2CaO…B2O3、CaO…B2O3、CaO…2B2O3和B2O3…CaO…2SiO29种复杂化合物。Al2O3-B2O3-SiO2三元体系中不存在三元复杂化合物，Al2O3-SiO2二元体系中确定的主要物相为3Al2O3…2SiO2，Al2O3-B2O3二元体系中确定的主要物相为9Al2O3…2B2O3和2Al2O3…B2O3。本研究中确定Al2O3-B2O3-SiO2三元体系熔渣高温下稳定存在3Al2O3…2SiO2、9Al2O3…2B2O3和2Al2O3…B2O33种复杂化合物。另外，MgO-SiO2-CaO-Al2O3体系中确定的主要物相为3CaO…Al2O3、12CaO…7Al2O3、CaO…Al2O3、CaO…2Al2O3、CaO…6Al2O3、MgO…Al2O3、CaO…Al2O3…SiO2、2CaO…Al2O3…SiO2、CaO…MgO…SiO2和2CaO…MgO…2SiO2。综上所述，本研究中确定MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系熔渣中存在的结构单元包括Mg2+、Ca2+和O2-3种简单离子，B2O3、SiO2和Al2O33种简单分子以及上述26个复杂化合物分子。

热力学模型计算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面张力（一）

热力学模型计算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面张力（二）

热力学模型计算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面张力（三）