3.2 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系

根据CaO-Fe₂O₃-SiO₂三元系相图，可绘制出 1300 ℃ 下的等温截面图。其中，液相区域为图中红色区域。为了研究 SiO₂ 含量对 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 熔体表面张力的影响，在富 Fe₂O₃ 液相区内等间距选择了 6 个液相点进行表面张力的计算。选择这些点的原因是它们接近烧结矿的成分，w(Fe₂O₃) 约为 70%。此外，烧结矿中 w(SiO₂) 为 5% ~ 10%，因此，以 5% 的 w(SiO₂) 为基准，在富 Fe₂O₃ 液相区内等距离选择了 6 个点进行表面张力的计算，用以探究 w(Fe₂O₃) 对 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体表面张力的影响。考虑到 SiO₂ 中 SiO₄⁴⁻ 是最小的阴离子单元，本研究中在计算 SiO₂ 的阳离子与阴离子半径之比时选择 Si⁴⁺ 与 SiO₄⁴⁻，其比值为 0.5。表4中列出了 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体的成分。

表4 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体成分(质量分数) / %

计算结果表明，随着 w(SiO₂) 的增加，CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体的表面张力从 464.82 mN/m 降至 426.70 mN/m，这是因为能形成络离子及阳离子静电势较小的氧化物，有助于降低熔体表面张力。在高温熔融态下，Si⁴⁺ 与 O²⁻ 之间的相互作用较强，形成了静电势较小的络离子。这些络离子的静电势比 O²⁻ 的小很多，与阳离子之间的键能减弱，进而被排斥至熔体表面层并发生吸附，从而降低了熔体的表面张力。

随着 w(Fe₂O₃) 的增加，CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体表面张力从 450.00 mN/m 降低到 422.55 mN/m。这是因为 Fe₂O₃ 和 SiO₂ 在熔体中属于表面活性物质，它们均能形成带静电势较小的络离子，从而帮助降低熔体表面张力。

3.3 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 系

在高碱度烧结矿中，铁酸钙黏结相的主要组成为 CaO， Fe₂O₃， SiO₂ 和 Al₂O₃，因此，研究 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 系熔体的表面张力对于完善烧结工艺的基础理论至关重要。SFCA 作为烧结矿中主要的黏结相，其化学组成在 CaO·3Fe₂O₃ (CF₃)， CaO·3Al₂O₃ (CA₃) 和 4CaO·3SiO₂ (C₄S₃) 3 个理论结点构成的平面上，图为该平面的局部放大图。Patrick等人给出了 1300 ℃ 下该区域的等温截面图，红色区域为液相区。烧结矿中 w(Al₂O₃) 为 1% ~ 2%，因此，在液相区 w(C₄S₃) 为 24% ~ 34% 内等距离选择了 6 个点进行表面张力计算。表5列出了 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 系熔体的成分。

表5 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 系熔体成分(质量分数) / %

计算结果表明，随着 w(C₄S₃) 从 24% 增加到 34%，熔体表面张力从 405.54 mN/m 略微降低至 404.88 mN/m，变化幅度较小。这是因为随着 w(CaO) 的增加，熔体中引入的 Ca²⁺ 与 O²⁻ 形成强结合力，产生强静电势场，使得熔体表面张力显著增加。然而，SiO₂ 和 Fe₂O₃ 作为表面活性物质，却能通过形成低静电势络离子，有效降低熔体表面张力。值得注意的是，当 w(CaO) 和 w(SiO₂) 同步增加而 w(Fe₂O₃) 减少时，3 种氧化物的共同作用使熔体表面张力仅呈现微弱下降趋势。

4 结论

基于组分的离子半径和 Butler 方程，建立了烧结矿复合铁酸钙熔体表面张力的计算模型。

CaO-FeO-SiO₂ 系熔体的模型计算结果与文献值基本一致，平均偏差为 3.57%；CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 系熔体的模型计算结果与实验测量值吻合较好，平均偏差为 4.53%。

烧结矿复合铁酸钙熔体的表面张力受熔体各成分含量的影响。在 1300 ℃ 时，随着 CaO-Fe₂O₃ 熔体中 w(Fe₂O₃) 从 72% 增加到 84% 时，表面张力从 468.0 mN/m 降低到 433.9 mN/m；CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 熔体中，当 w(SiO₂) 从 1.45% 增加到 8.39% 时，表面张力从 464.82 mN/m 降低到 426.70 mN/m；CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 熔体中，随着 w(C₄S₃) 从 24% 增加到 34%，表面张力从 405.54 mN/m 降低到 404.88 mN/m。