3.2含B2O3二元體系熔渣表面張力

采用本模型計(jì)算1873K下含B2O3二元體系熔渣表面張力，考察B2O3含量對(duì)熔渣表面張力的影響。MgO-B2O3體系中，1873K時(shí)，在富MgO區(qū)(B2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于28%)，存在MgO相和液相的固液兩相區(qū)(L2+MgO)，在富B2O3區(qū)(B2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))大于70%)存在兩液相不互溶區(qū)(L1+L2)，且該區(qū)處于亞穩(wěn)態(tài)，有關(guān)該亞穩(wěn)態(tài)區(qū)，其邊界、體系熱力學(xué)性質(zhì)等研究尚不清楚，因此，本研究中雖然計(jì)算了MgO-B2O3渣系全濃度范圍內(nèi)的表面張力變化情況，但僅B2O3含量在28%～70%范圍內(nèi)熔渣處于單一液相區(qū)(L2)范圍；CaO-B2O3體系中，在富B2O3區(qū)同樣存在兩液相不互溶區(qū)，在不互溶區(qū)存在溫度相對(duì)較低(＜1490℃)，因此，1873 K時(shí)，僅在富CaO區(qū)(B2O3含量小于22%)存在氧化鈣相和液相的固液兩相區(qū)(L+CaO)。B2O3-SiO2二元體系中，熔渣液相區(qū)(L)范圍比較大，僅富SiO2區(qū)(B2O3含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于3%)存在方英石相和液相的固液兩相區(qū)(L+方英石)。Al2O3-B2O3二元體系中，熔渣液相區(qū)(L)范圍較窄，僅在富B2O3區(qū)(B2O3含量大于85%)存在液相區(qū)。含B2O3二元體系熔渣表面張力計(jì)算結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，作為表面活性物質(zhì)，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(dǎo)致陰離子結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，陰離子團(tuán)聚合程度增強(qiáng)，對(duì)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(duì)表面張力的降低作用，則可能與硼氧陰離子團(tuán)與硅氧陰離子團(tuán)、鋁氧陰離子團(tuán)之間的差異有關(guān)。

圖2 1873 K時(shí)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(guān)，形成氧化物的離子的靜電勢(shì)(Z/r)大，且離子鍵分?jǐn)?shù)高的氧化物有較大的表面張力。純組分氧化物的靜電勢(shì)和離子鍵分?jǐn)?shù)如圖3所示。純液態(tài)B2O3屬于表面活性物質(zhì)，在1873 K時(shí)的表面張力約為0.104 N/m，僅為MgO、CaO、Al2O3和SiO2同溫度純物質(zhì)表面張力數(shù)據(jù)的1/6～1/3。Si4+和B3+離子雖然靜電勢(shì)很高，但其離子鍵分?jǐn)?shù)較低(＜50%)，易形成共價(jià)鍵高、靜電勢(shì)小的絡(luò)離子，從而其表面張力值較??；Mg2+、Ca2+和Al3+離子雖然靜電勢(shì)較小，但離子鍵分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)和陽離子靜電勢(shì)(Z/r)

1873K時(shí)含B2O3三元體系等溫相圖及液相線如圖4所示。實(shí)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(duì)含B2O3三元體系熱力學(xué)性質(zhì)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(jìn)一步優(yōu)化。1873K時(shí)含B2O3三元體系熔渣等表面張力線如圖4所示。結(jié)果表明，在MgO-B2O3-SiO2體系和CaO-B2O3-SiO2體系1873K完全液相區(qū)(Liquid II)范圍內(nèi)，熔渣表面張力值在0.15～0.45 N/m范圍內(nèi)；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(duì)表面張力的影響更加顯著。在Al2O3-B2O3-SiO2體系1873K完全液相區(qū)(Liquid)范圍內(nèi)，熔渣表面張力在0.10～0.30 N/m范圍內(nèi)；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(duì)熔渣表面張力的影響

圖4 1873K時(shí)含B2O3三元系等表面張力線的計(jì)算結(jié)果

采用本模型，考察1873K時(shí)組分含量對(duì)典型富硼渣表面張力的影響，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為1873K時(shí)渣中CaO含量和Al2O3含量分別為10%和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，MgO和SiO2質(zhì)量比為1.0～2.5時(shí)，不同B2O3含量(分別為10%、15%、20%和25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))下熔渣表面張力與MgO和SiO2的質(zhì)量比的關(guān)系。計(jì)算結(jié)果顯示，熔渣表面張力隨著MgO和SiO2的質(zhì)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(duì)表面張力的影響對(duì)MgO和SiO2的質(zhì)量比更加顯著。圖5(b)為1873K時(shí)渣中MgO和SiO2的質(zhì)量比為1.5、B2O3含量為15%、Al2O3含量在1%～15%時(shí)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，不同CaO含量(分別為1%、5%、9%和13%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)))下熔渣表面張力與Al2O3含量的關(guān)系。計(jì)算結(jié)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(shì)基本一致，CaO含量對(duì)表面張力的影響與Al2O3含量對(duì)表面張力的影響基本相當(dāng)。

圖5 1873K下MgO-B2O3-SiO2-CaO-Al2O3體系熔渣表面張力與組分含量的關(guān)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(shí)現(xiàn)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(jié)論

1)基于熔渣結(jié)構(gòu)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(jì)算模型，模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(zhì)，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(shì)及氧化物中離子鍵分?jǐn)?shù)有關(guān)。

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(zhì)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(duì)表面張力的影響基本相當(dāng)。

熱力學(xué)模型計(jì)算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面張力（一）

熱力學(xué)模型計(jì)算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面張力（二）

熱力學(xué)模型計(jì)算MgO-B2O3-SiO2-CaOAl2O3富硼渣表面張力（三）