3.2含B2O3二元体系熔渣表面张力

采用本模型计算1873K下含B2O3二元体系熔渣表面张力，考察B2O3含量对熔渣表面张力的影响。MgO-B2O3体系中，1873K时，在富MgO区(B2O3含量(质量分数)小于28%)，存在MgO相和液相的固液两相区(L2+MgO)，在富B2O3区(B2O3含量(质量分数)大于70%)存在两液相不互溶区(L1+L2)，且该区处于亚稳态，有关该亚稳态区，其边界、体系热力学性质等研究尚不清楚，因此，本研究中虽然计算了MgO-B2O3渣系全浓度范围内的表面张力变化情况，但仅B2O3含量在28%～70%范围内熔渣处于单一液相区(L2)范围；CaO-B2O3体系中，在富B2O3区同样存在两液相不互溶区，在不互溶区存在温度相对较低(＜1490℃)，因此，1873 K时，仅在富CaO区(B2O3含量小于22%)存在氧化钙相和液相的固液两相区(L+CaO)。B2O3-SiO2二元体系中，熔渣液相区(L)范围比较大，仅富SiO2区(B2O3含量(质量分数)小于3%)存在方英石相和液相的固液两相区(L+方英石)。Al2O3-B2O3二元体系中，熔渣液相区(L)范围较窄，仅在富B2O3区(B2O3含量大于85%)存在液相区。含B2O3二元体系熔渣表面张力计算结果如图2所示。结果表明，作为表面活性物质，B2O3组元能够显著降低熔渣表面张力。熔渣表面张力随着B2O3含量的增加而显著降低。MgO-B2O3体系和CaO-B2O3体系中，酸性氧化物B2O3的增加，将导致阴离子结构复杂化，阴离子团聚合程度增强，对阳离子的静电引力减弱，从而降低了体系的表面张力。B2O3-SiO2体系和Al2O3-B2O3体系中，B2O3对表面张力的降低作用，则可能与硼氧阴离子团与硅氧阴离子团、铝氧阴离子团之间的差异有关。

图2 1873 K时含B2O3二元熔渣表面张力

纯氧化物表面张力主要与离子间的键能有关，形成氧化物的离子的静电势(Z/r)大，且离子键分数高的氧化物有较大的表面张力。纯组分氧化物的静电势和离子键分数如图3所示。纯液态B2O3属于表面活性物质，在1873 K时的表面张力约为0.104 N/m，仅为MgO、CaO、Al2O3和SiO2同温度纯物质表面张力数据的1/6～1/3。Si4+和B3+离子虽然静电势很高，但其离子键分数较低(＜50%)，易形成共价键高、静电势小的络离子，从而其表面张力值较小；Mg2+、Ca2+和Al3+离子虽然静电势较小，但离子键分数较高，从而具有较高的表面张力值。

3.3含B2O3三元体系熔渣表面张力

图3 1873K下纯氧化物的表面张力值与离子键分数和阳离子静电势(Z/r)

1873K时含B2O3三元体系等温相图及液相线如图4所示。实际条件下，Si常存在于金属相中，而SiO2则以硼硅酸盐的形式存在于熔渣中，因此，SiO2添加对含B2O3三元体系热力学性质的影响仍有待确定，MgO-B2O3-SiO2、CaO-B2O3-SiO2和Al2O3-B2O3-SiO2三元系相图也需要进一步优化。1873K时含B2O3三元体系熔渣等表面张力线如图4所示。结果表明，在MgO-B2O3-SiO2体系和CaO-B2O3-SiO2体系1873K完全液相区(Liquid II)范围内，熔渣表面张力值在0.15～0.45 N/m范围内；随着B2O3含量的增加，表面张力显著降低；随着SiO2含量、MgO含量和CaO含量的增加，熔渣表面张力逐渐增大，但MgO含量和CaO含量对表面张力的影响更加显著。在Al2O3-B2O3-SiO2体系1873K完全液相区(Liquid)范围内，熔渣表面张力在0.10～0.30 N/m范围内；熔渣表面张力随B2O3含量的增加而逐渐减小，随SiO2含量和Al2O3含量的增加而逐渐增大。

3.4 MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系中组分含量对熔渣表面张力的影响

图4 1873K时含B2O3三元系等表面张力线的计算结果

采用本模型，考察1873K时组分含量对典型富硼渣表面张力的影响，计算结果如图5所示。图5(a)为1873K时渣中CaO含量和Al2O3含量分别为10%和5%(质量分数)，MgO和SiO2质量比为1.0～2.5时，不同B2O3含量(分别为10%、15%、20%和25%(质量分数))下熔渣表面张力与MgO和SiO2的质量比的关系。计算结果显示，熔渣表面张力随着MgO和SiO2的质量比的增加而逐渐增大，但变化的幅度逐渐降低；熔渣表面张力随着B2O3含量的增加而逐渐降低，且B2O3含量对表面张力的影响对MgO和SiO2的质量比更加显著。图5(b)为1873K时渣中MgO和SiO2的质量比为1.5、B2O3含量为15%、Al2O3含量在1%～15%时(质量分数)，不同CaO含量(分别为1%、5%、9%和13%(质量分数))下熔渣表面张力与Al2O3含量的关系。计算结果显示，熔渣表面张力随CaO含量和Al2O3含量的增加而逐渐增大，不同CaO含量下表面张力随Al2O3含量变化的趋势基本一致，CaO含量对表面张力的影响与Al2O3含量对表面张力的影响基本相当。

图5 1873K下MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系熔渣表面张力与组分含量的关系

综上所述，硼铁矿火法分离工艺中利用铁水和熔渣在密度、表面张力等方面的差异，实现铁与富硼渣的分离。通过减少硼铁矿中脉石含量，提高富硼渣中MgO/SiO2比值，合理控制CaO和Al2O3含量，从而提高富硼渣表面张力，有利于使渣金间具有足够大的界面张力，提高渣铁分离提取效率。

4结论

1)基于熔渣结构离子与分子共存理论和Butler方程建立MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系熔渣表面张力计算模型，模型计算结果与实验测量值吻合较好。

2)含B2O3二元体系中，熔渣表面张力随B2O3含量的增加而降低，作为表面活性物质，B2O3组元能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的阳离子静电势及氧化物中离子键分数有关。

3)含B2O3三元体系熔渣表面张力随着B2O3含量的增加而显著降低；随着SiO2含量、Al2O3含量、MgO含量和CaO含量的增加，熔渣表面张力逐渐增大。

4)MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3体系熔渣表面张力随着MgO和SiO2质量比的增加而增大，但变化的幅度逐渐降低；B2O3组元能够显著降低熔渣表面张力；熔渣表面张力随CaO含量和Al2O3含量的增加而逐渐增大，且两者对表面张力的影响基本相当。

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）