摘要

為探究燒結(jié)礦復(fù)合鐵酸鈣 (Silico-Ferrite of Calcium and Aluminum, SFCA) 的表面張力，并為燒結(jié)過程中鐵酸鈣黏結(jié)相的研究提供關(guān)鍵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建模型，對燒結(jié)礦復(fù)合鐵酸鈣熔體 (CaO-Fe?O?系、CaO-Fe?O?-SiO?系和CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O?系熔體) 的表面張力進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明：模型計(jì)算結(jié)果與CaO-FeO-SiO?系熔體文獻(xiàn)值、CaO-Fe?O?-SiO?系熔體的實(shí)際測量值吻合較好，平均偏差分別為3.57%和4.53%；在1300℃時(shí)，CaO-Fe?O?系熔體中w(Fe?O?)從72%增加到84%，表面張力從468.0 mN/m降低到433.9 mN/m；CaO-Fe?O?-SiO?系熔體中w(SiO?)從1.45%增加到8.39%，表面張力從464.82 mN/m降低到426.70 mN/m；CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O?系熔體中w(4CaO·3SiO?)從24%增加到34%，表面張力從405.54 mN/m降低到404.88 mN/m。該研究為優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù)、調(diào)控顆粒黏結(jié)過程，以及深入解析鐵礦石燒結(jié)反應(yīng)機(jī)理提供了重要的數(shù)據(jù)支持。

復(fù)合鐵酸鈣 (Silico-Ferrite of Calcium and Aluminum, SFCA) 是作為高堿度燒結(jié)礦的關(guān)鍵黏結(jié)相，兼具優(yōu)異的強(qiáng)度、還原性及還原粉化性能，這些特性對燒結(jié)礦的整體力學(xué)性能和還原行為具有顯著影響。目前，冶金領(lǐng)域的研究者已深入探討了復(fù)合鐵酸鈣的晶體結(jié)構(gòu)、熱力學(xué)穩(wěn)定性、生成機(jī)理和還原機(jī)制，這些研究為燒結(jié)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。此外，復(fù)合鐵酸鈣的表面張力在燒結(jié)過程中對黏結(jié)相流動(dòng)性、礦物黏結(jié)，以及礦石形態(tài)和強(qiáng)度也具有重要影響。深入探究該特性不僅有助于優(yōu)化燒結(jié)工藝參數(shù)，更能揭示其反應(yīng)機(jī)理的深層作用機(jī)制。然而，相關(guān)研究目前仍存在一定局限性。

在高溫材料研究領(lǐng)域，界面的潤濕性和表面張力對材料性能的影響已廣受關(guān)注。然而，高溫熔體表面張力數(shù)據(jù)的精確測量面臨多重挑戰(zhàn)，主要包括高溫環(huán)境下的測量難度以及熔體成分的復(fù)雜性，這導(dǎo)致獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)存在顯著困難。為解決這一問題，研究者們開發(fā)了多種預(yù)測模型。其中，Tanaka等人以Butler方程為基礎(chǔ)，引入組分氧化物的陰離子和陽離子半徑作為參數(shù)，對熔融混合物的表面張力進(jìn)行了評估，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。

Choi等人也是在Butler方程基礎(chǔ)上，利用純氧化物離子表面距離，對熔體表面張力進(jìn)行計(jì)算，并準(zhǔn)確預(yù)測出CaO-SiO?、CaO-Al?O?和CaO-SiO?-Al?O?體系的表面張力。此外，Chou等人提出了Chou模型，該模型將二元合金熔體的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，使其能夠計(jì)算三元系、四元系乃至多元系合金熔體的表面張力。唐義洲等人則采用Butler模型和Toop模型相結(jié)合的方法，對Ag-Au-Cu體系中二元和三元合金熔體的表面張力進(jìn)行理論計(jì)算，并通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與測量值高度吻合。

值得注意的是，Toop模型主要用于計(jì)算三元合金熔體的表面張力，并且該模型依賴Butler方程計(jì)算對應(yīng)的二元合金熔體的表面張力。除此之外，還存在其他計(jì)算熔體表面張力的模型，如Eyring模型、Guggenheim模型。其中，Eyring模型主要適用于純組元表面張力的計(jì)算，而Guggenheim模型則基于熔體符合規(guī)則溶液模型的假設(shè)進(jìn)行推導(dǎo)。

綜上所述，目前大多數(shù)表面張力的計(jì)算模型都是針對合金材料設(shè)計(jì)的，而涉及氧化物的模型通常采用Butler方程。但是，復(fù)合鐵酸鈣熔體的燒結(jié)工藝溫度較低，且黏結(jié)相由固液兩相構(gòu)成，這可能導(dǎo)致直接應(yīng)用現(xiàn)有模型存在一定的偏差。鑒于此，本文中構(gòu)建出一個(gè)針對燒結(jié)礦復(fù)合鐵酸鈣熔體表面張力的計(jì)算模型，利用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算不同成分復(fù)合鐵酸鈣熔體的表面張力，并深入探討主要成分對其表面張力的影響以及作用機(jī)理。

1 表面張力模型的建立

前文中提到計(jì)算氧化物熔體表面張力的模型都是基于Butler方程，本模型也是基于Butler方程建立，熔體的表面張力 σ 可通過式(1) 計(jì)算。

σ = σiPure + (RT/Ai) ln(MiSurf/MiBulk)(1)

式中：i 為計(jì)算熔體組分；上標(biāo)"Surf" 和"Bulk" 分別為表面相 (surface phase) 和體相 (bulk phase)；σiPure 為純組分 i 的表面張力；R 為摩爾氣體常數(shù)；T 為熱力學(xué)絕對溫度；Ai 為純組元 i 的摩爾表面積；MiBulk 和 MiSurf 為組分 i 在體相和表面相活度的替代量。

參考Tanaka等人的研究，本文中基于Butler方程建立了熔體表面張力的計(jì)算模型。模型的建立需要考慮以下假設(shè)：①熔融離子混合物中表面離子距離的自發(fā)變化能使表面相的能量狀態(tài)趨近于體相的能量狀態(tài)；②為了評價(jià)離子混合物的離子結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性質(zhì)，考慮了陽離子和陰離子的半徑之比。