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燒結礦復合鐵酸鈣熔體表面張力的模型化研究與基礎數據（三）
來源： 《材料與冶金學報》 瀏覽 469 次 發布時間:2026-06-08
3.2 CaO-Fe?O?-SiO? 系
根據CaO-Fe?O?-SiO?三元系相圖，可繪制出 1300 ℃ 下的等溫截面圖。其中，液相區域為圖中紅色區域。為了研究 SiO? 含量對 CaO-Fe?O?-SiO? 熔體表面張力的影響，在富 Fe?O? 液相區內等間距選擇了 6 個液相點進行表面張力的計算。選擇這些點的原因是它們接近燒結礦的成分，w(Fe?O?) 約為 70%。此外，燒結礦中 w(SiO?) 為 5% ~ 10%，因此，以 5% 的 w(SiO?) 為基準，在富 Fe?O? 液相區內等距離選擇了 6 個點進行表面張力的計算，用以探究 w(Fe?O?) 對 CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體表面張力的影響。考慮到 SiO? 中 SiO??? 是最小的陰離子單元，本研究中在計算 SiO? 的陽離子與陰離子半徑之比時選擇 Si?? 與 SiO???，其比值為 0.5。表4中列出了 CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體的成分。
表4 CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體成分(質量分數) / %
| 編號 | Fe?O? | CaO | SiO? |
|---|---|---|---|
| 1 | 70 | 28.55 | 1.45 |
| 2 | 70 | 27.16 | 2.84 |
| 3 | 70 | 25.77 | 4.23 |
| 4 | 70 | 24.39 | 5.61 |
| 5 | 70 | 23 | 7 |
| 6 | 70 | 21.61 | 8.39 |
| 7 | 68 | 27 | 5 |
| 8 | 70 | 25 | 5 |
| 9 | 72 | 23 | 5 |
| 10 | 74 | 21 | 5 |
| 11 | 76 | 19 | 5 |
| 12 | 78 | 17 | 5 |
計算結果表明，隨著 w(SiO?) 的增加，CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體的表面張力從 464.82 mN/m 降至 426.70 mN/m，這是因為能形成絡離子及陽離子靜電勢較小的氧化物，有助于降低熔體表面張力。在高溫熔融態下，Si?? 與 O2? 之間的相互作用較強，形成了靜電勢較小的絡離子。這些絡離子的靜電勢比 O2? 的小很多，與陽離子之間的鍵能減弱，進而被排斥至熔體表面層并發生吸附，從而降低了熔體的表面張力。
隨著 w(Fe?O?) 的增加，CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體表面張力從 450.00 mN/m 降低到 422.55 mN/m。這是因為 Fe?O? 和 SiO? 在熔體中屬于表面活性物質，它們均能形成帶靜電勢較小的絡離子，從而幫助降低熔體表面張力。
3.3 CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O? 系
在高堿度燒結礦中，鐵酸鈣黏結相的主要組成為 CaO， Fe?O?， SiO? 和 Al?O?，因此，研究 CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O? 系熔體的表面張力對于完善燒結工藝的基礎理論至關重要。SFCA 作為燒結礦中主要的黏結相，其化學組成在 CaO·3Fe?O? (CF?)， CaO·3Al?O? (CA?) 和 4CaO·3SiO? (C?S?) 3 個理論結點構成的平面上，圖為該平面的局部放大圖。Patrick等人給出了 1300 ℃ 下該區域的等溫截面圖，紅色區域為液相區。燒結礦中 w(Al?O?) 為 1% ~ 2%，因此，在液相區 w(C?S?) 為 24% ~ 34% 內等距離選擇了 6 個點進行表面張力計算。表5列出了 CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O? 系熔體的成分。
表5 CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O? 系熔體成分(質量分數) / %
| 編號 | Fe?O? | CaO | SiO? | Al?O? |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 69.45 | 16.96 | 12.59 | 1.00 |
| 2 | 67.62 | 17.74 | 13.64 | 1.00 |
| 3 | 65.79 | 18.52 | 14.69 | 1.00 |
| 4 | 63.96 | 19.30 | 15.74 | 1.00 |
| 5 | 62.14 | 20.07 | 16.79 | 1.00 |
| 6 | 60.31 | 20.85 | 17.84 | 1.00 |
計算結果表明，隨著 w(C?S?) 從 24% 增加到 34%，熔體表面張力從 405.54 mN/m 略微降低至 404.88 mN/m，變化幅度較小。這是因為隨著 w(CaO) 的增加，熔體中引入的 Ca2? 與 O2? 形成強結合力，產生強靜電勢場，使得熔體表面張力顯著增加。然而，SiO? 和 Fe?O? 作為表面活性物質，卻能通過形成低靜電勢絡離子，有效降低熔體表面張力。值得注意的是，當 w(CaO) 和 w(SiO?) 同步增加而 w(Fe?O?) 減少時，3 種氧化物的共同作用使熔體表面張力僅呈現微弱下降趨勢。
4 結論
基于組分的離子半徑和 Butler 方程，建立了燒結礦復合鐵酸鈣熔體表面張力的計算模型。
CaO-FeO-SiO? 系熔體的模型計算結果與文獻值基本一致，平均偏差為 3.57%；CaO-Fe?O?-SiO? 系熔體的模型計算結果與實驗測量值吻合較好，平均偏差為 4.53%。
燒結礦復合鐵酸鈣熔體的表面張力受熔體各成分含量的影響。在 1300 ℃ 時，隨著 CaO-Fe?O? 熔體中 w(Fe?O?) 從 72% 增加到 84% 時，表面張力從 468.0 mN/m 降低到 433.9 mN/m；CaO-Fe?O?-SiO? 熔體中，當 w(SiO?) 從 1.45% 增加到 8.39% 時，表面張力從 464.82 mN/m 降低到 426.70 mN/m；CaO-Fe?O?-SiO?-Al?O? 熔體中，隨著 w(C?S?) 從 24% 增加到 34%，表面張力從 405.54 mN/m 降低到 404.88 mN/m。