3.2 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係

根據CaO-Fe₂O₃-SiO₂三元係相圖，可繪製出 1300 ℃ 下的等溫截麵圖。其中，液相區域為圖中紅色區域。為了研究 SiO₂ 含量對 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 熔體表麵張力的影響，在富 Fe₂O₃ 液相區內等間距選擇了 6 個液相點進行表麵張力的計算。選擇這些點的原因是它們接近燒結礦的成分，w(Fe₂O₃) 約為 70%。此外，燒結礦中 w(SiO₂) 為 5% ~ 10%，因此，以 5% 的 w(SiO₂) 為基準，在富 Fe₂O₃ 液相區內等距離選擇了 6 個點進行表麵張力的計算，用以探究 w(Fe₂O₃) 對 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係熔體表麵張力的影響。考慮到 SiO₂ 中 SiO₄⁴⁻ 是最小的陰離子單元，本研究中在計算 SiO₂ 的陽離子與陰離子半徑之比時選擇 Si⁴⁺ 與 SiO₄⁴⁻，其比值為 0.5。表4中列出了 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係熔體的成分。

表4 CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係熔體成分(質量分數) / %

計算結果表明，隨著 w(SiO₂) 的增加，CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係熔體的表麵張力從 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，有助於降低熔體表麵張力。在高溫熔融態下，Si⁴⁺ 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麵層並發生吸附，從而降低了熔體的表麵張力。

隨著 w(Fe₂O₃) 的增加，CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 係熔體表麵張力從 450.00 mN/m 降低到 422.55 mN/m。這是因為 Fe₂O₃ 和 SiO₂ 在熔體中屬於表麵活性物質，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麵張力。

3.3 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 係

在高堿度燒結礦中，鐵酸鈣黏結相的主要組成為 CaO， Fe₂O₃， SiO₂ 和 Al₂O₃，因此，研究 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 係熔體的表麵張力對於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·3Fe₂O₃ (CF₃)， CaO·3Al₂O₃ (CA₃) 和 4CaO·3SiO₂ (C₄S₃) 3 個理論結點構成的平麵上，圖為該平麵的局部放大圖。Patrick等人給出了 1300 ℃ 下該區域的等溫截麵圖，紅色區域為液相區。燒結礦中 w(Al₂O₃) 為 1% ~ 2%，因此，在液相區 w(C₄S₃) 為 24% ~ 34% 內等距離選擇了 6 個點進行表麵張力計算。表5列出了 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 係熔體的成分。

表5 CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 係熔體成分(質量分數) / %

計算結果表明，隨著 w(C₄S₃) 從 24% 增加到 34%，熔體表麵張力從 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，使得熔體表麵張力顯著增加。然而，SiO₂ 和 Fe₂O₃ 作為表麵活性物質，卻能通過形成低靜電勢絡離子，有效降低熔體表麵張力。值得注意的是，當 w(CaO) 和 w(SiO₂) 同步增加而 w(Fe₂O₃) 減少時，3 種氧化物的共同作用使熔體表麵張力僅呈現微弱下降趨勢。

4 結論

基於組分的離子半徑和 Butler 方程，建立了燒結礦複合鐵酸鈣熔體表麵張力的計算模型。

CaO-FeO-SiO₂ 係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-Fe₂O₃-SiO₂ 係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%。

燒結礦複合鐵酸鈣熔體的表麵張力受熔體各成分含量的影響。在 1300 ℃ 時，隨著 CaO-Fe₂O₃ 熔體中 w(Fe₂O₃) 從 72% 增加到 84% 時，表麵張力從 468.0 mN/m 降低到 433.9 mN/m；CaO-Fe₂O₃-SiO₂ 熔體中，當 w(SiO₂) 從 1.45% 增加到 8.39% 時，表麵張力從 464.82 mN/m 降低到 426.70 mN/m；CaO-Fe₂O₃-SiO₂-Al₂O₃ 熔體中，隨著 w(C₄S₃) 從 24% 增加到 34%，表麵張力從 405.54 mN/m 降低到 404.88 mN/m。