D01:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.008 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.3 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍的表面张力 及其界面张力 康龙田曹战民武世民乔芝郁 北京科技大学冶金学院物理化学系，北京100083 摘要用多元回归和Butler方程分别计算了金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍的表面张力.运用 Girifalco-Good方程，计算了金川镍闪速炉熔炼渣与冰镍间的界面张力，分析了界面张力与炉渣 成分，表面张力及温度的关系.提出了改进金川镍闪速炉冶炼工艺的若干建议. 关键词界面张力：表面张力；冰镍；熔炼渣 分类号TF815.01 由渣中机械夹杂造成的金属损失是冶金过 Neumann关系式对于液一液体系之间的界 程中普遍存在的问题.金川镍闪速炉经多年的 面张力，假如两相之间不相溶，由于重力作用界 实践，生产控制技术逐步成熟，技术经济指标不 面不再是一个平面，如图1所示.通过矢量计算 断优化提高，但铜的冶炼回收率自投产以来一 可获得界面张力m与表面张力y和e,(下标sm 直低于93%.由熔炼流程可知，有价金属铜只有 为slag-metal缩写，sg为slag-gas缩写，mg为met- 在闪速炉弃渣中流出熔炼系统.通过实际工艺 al-gas缩写下同)和接触角a的Neumann关系式： 的热力学模拟计算，渣中有价金属铜的夹杂应 (y=m)2=(ymg)2+()2-2Ysmcosa (1) 该小于01%，但实际工艺下渣中有价金属铜的 ysin(0-a)=ysina (2) 含量远高于热力学模拟计算结果.文献[2]又表 Rayleigh经验式： 明，炉渣中极细颗粒的冰镍悬浮是造成有价金 yw-yme+ye-2(y'ym)os (3) 属铜在炉渣中损失的主要原因.因此，在生产中 Antonow方法： 创造条件，促进细小悬浮冰镍滴的凝聚和沉积 Ym =7s-7es (4) 有利于减少渣中有价金属铜的夹杂，而炉渣和 显然，式(4)是Neumann关系式的简化，即 冰镍间的界面张力起着重要作用.本文利用炉 图1中α，0趋向于零时的情况.当20°时，对于 渣相和冰镍相的表面张力，在Girifalco-Good方 高FeO渣，可以用式(4)估算界面张力 程的基础上，计算了金川镍闪速炉熔渣一冰镍 slag 间的界面张力 gas 1计算模型 11计算液一液界面张力的模型 metal 高温熔体间的界面张力测量比较困难，因 此人们试图通过熔体两相的表面张力来计算它 图1液一液界面示意图 Fig.1 Schematic of liquid-liquid interface 们之间的界面张力.以下介绍几种利用表面张 力计算界面张力的方法川， 1.2计算熔体表面张力的Butler方程 Butler等在假定液体表面为一个表面相的 收稿日期2001-10-008康龙用男，25岁，硕士 基础上，推导出表面张力y和体系超额自由能存 *国家自然科学基金重点项目课题No.59934090)
第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 路 】 金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍的表面张力 及其界面张力 康龙 田 曹战 民 武世 民 乔芝郁 北京科技大学冶金学院物理化学系 ， 北京 摘 要 用 多元 回归和 方程分别计算了金川镍 闪速炉熔炼渣 和 冰镍 的表面张力 运 用 小 。 。 方程 ， 计算 了金川镍 闪速炉熔炼渣 与冰镍间的界 面张力 ， 分析 了界面张力与炉渣 成分 、 表 面张力及温度 的关系 提 出了改进金川镍 闪速炉冶炼工 艺 的若干建议 关键词 界面张力 表面张力 冰镍 熔炼渣 分 类号 由渣 中机械夹杂造 成 的金属 损失是冶金过 程 中普遍 存在 的 问题 金 川镍 闪速炉 经多年 的 实践 ， 生 产控制技术逐步成熟 ， 技术经济指标不 断优化提高 ， 但铜 的冶炼 回收率 自投产 以来一 直低于 由熔炼流程可 知 ， 有 价金属 铜 只有 在 闪速 炉弃渣 中流 出熔炼系统 通 过实际 工 艺 的热力学模拟计算 ‘，，， 渣 中有价金属铜 的夹杂应 该小 于 ， 但实际 工 艺下 渣 中有价金 属 铜 的 含量远 高于热力学模拟计算结果 文 献 」又 表 明 ， 炉 渣 中极细颗粒 的冰镍悬 浮是造成有价金 属 铜在炉渣 中损失 的主要原 因 因此 ， 在生产 中 创造条件 ， 促进细小悬 浮 冰镍滴 的凝 聚和 沉积 有利于 减少渣 中有价 金属 铜 的夹杂 ， 而炉 渣 和 冰镍 间 的界 面 张力起着重要作用 本文利 用 炉 渣 相 和 冰镍相 的表面 张力 ， 在 方 程 的基础上 ， 计算 了金 川镍 闪速炉熔渣一冰镍 间 的界面 张力 关系式对于液一液体系之间的界 面 张力 ， 假如两相之间不相溶 ， 由于重力作用 界 面不 再是一 个平面 ， 如图 所示 通 过矢量计算 可 获得界面 张力 与表 面 张力凡 和儿 。 ， 下 标 为 缩写 ， 为 缩写 ， 为 一 缩写下 同 和接触角 的 关系式 夕 ’ 儿 ’ ’ 一 · 夕 。 · 为 一 夕 ， 经验式 二阮 夕 一 少 · 少、 。 方法 渐 二 一 儿 显 然 ， 式 是 关 系式 的简化 ， 即 图 中， 趋 向于零时 的情 况 当 时 ， 对 于 高 渣 ， 可 以用 式 估算界面 张力 计算模型 计算液一液界面张力的模型 高温熔体间的界面 张力测 量 比较 困难 ， 因 此人们试图通 过熔体两相 的表面张力来计算它 们之 间 的界 面 张 力 以 下介绍几种利用 表面 张 力计算界 面 张力 的方法 ‘ 图 液一液界面示 意 图 一 收稿 日期 一 刁 康龙 田 男 ， 岁 ， 硕 士 国家 自然科学基金 重点项 目课题 众 计算熔体表面张力的 方程 等在假定液体表面 为一 个表面相 的 基础上 ， 推导 出表面 张力 和体系超额 自由能存 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2002．02．008
124 北京科技大学学报 2002年第4期 在下列关系： RJ的研究表明，对于不同的体系，D的值是不 y=x+gn答+o,0-ox0 1(5) 同的. 其中，为组元数. 2冰镍和熔渣的表面张力 为了求解式(5)的方程组，作下列假设： (1)熔体表面层偏摩尔超额自由能G与体 2.1熔炼渣和冰镍的成分 相偏摩尔超额自由能G具有相同的表达式，并 (2)金川冰镍成分.实际工艺中冰镍中各物 且具有下列关系 质的质量分数Ni为32%，Cu为13%，Fe为29%， G(TX=BG(TX) (6) C0为0.6%S为23%.假定熔锍中全为硫化物， 式(6)中的B为经验系数，对于不同的体系B有不 忽略Co及其他元素的存在，按照S与Cu,Ni, 同的值，对于熔锍体系，B取1.5，而氧化物体系， Fe结合的优先顺序将冰镍折合成Ni,S,CuzS B取1.1 FeS三元体系，则金川冰镍的摩尔分数为： (2)纯组元的偏摩尔表面积等于纯组元的摩 Xs,=0.38;Xcas=0.10;Xes-0.52. 尔表面积，由以下公式计算 (2)金川水淬渣成分.金川水淬渣主要元素 A=1.091W(4) 的化学定量分析结果列于表1. (7) 基于以上假设，与表面摩尔分数限制条件 表1金川水淬渣化学分析结果（质量分数） Table I The chemical composition of slag 号 ΣX=1结合，在给定B、温度和熔体成分时，式 FeO Fe,O SiO, Mgo Cao Al.O (5)方程组有惟一解. 40.33711.57734.8667.198 1.487 1.071 根据上述原理，谢允安m首先设计了计算熔 Ni Co Fe Cu Fe/SiO, 体表面张力的程序STCBE(Surface Tension Cal-- 0.406 0.0830.6971.945 1.3331.187 culation based on Butler's quation). 假设渣中39.8%的∑Fe全部以FeO的形式 l.3 Girifalco-Good界面张力计算模型侧 存在并将整个渣系近似为FeO-MgO-SiO,三元 在表面张力的基础上，Girifalco LA和Good 体系，则金川水淬渣质量分数依次为：FeO RJ给出更为通用的公式来计算界面张力.他们 54.899%,Mg07.718%和Si0237.383%. 假设： (1)熔体两相是不可溶的，界面为二维平面. 2.2基于Butler方程计算冰镍表面张力 假定NigS,CuzS-FeS三元体系超额吉布斯 (2)可以由内聚自由能（△G,△G)得到粘附 自由能（△G),即类似于 自由能随着温度变化很小，其性质由表2列出， △Gm=√△G△G (8) 用STCBE程序计算了金川冰镍不同温度下的 表面张力，结果见表3.在1200℃时为： 对于熔渣一液态金属，有下列关系 ANi.S.XFeS([-17635.467+8738.1697XNs.-Xs)]+ -△G8m=ym-Y'g一Ymg (9) XsXs[-15046.13-2900.44Xes-Xs)]+ -△G=2y (10) -△Ge=2ymg XsXs,[-15839.8-10694Xs-Xs)】- (11) 同时，Girifalco和Good认为，两相之间的粘 11357.409XNs.XFes Xcus. 附自由能与两相的内聚自由能的几何平均值的 徐亚飞，吕希唐在金川渣成分范围内，研 究了合成渣中MgO含量对金川镍闪速炉熔炼 比值是体系的一个特征参数（①），即： 的影响，测定了合成渣和冰镍间的界面张力（见 功= -△Gm (12) √△G8△G品B 表4).表4中的冰镍按照S与Cu,Ni,Fe结合的 将式(9(11)代入式(12)得到Girifalco-Good方 优先顺序折合成NiS,Cu:S-FeS三元体系，则该 程： 实验冰镍成分（摩尔分数）为： 'm=yg十yg-2ΦVyg'ymg (13) Xws,=0.3901;Xaus=0.1476;Xs=0.4632 式中，Φ是体系的特征参数，当Φ趋于零时，说明 试验冰镍的表面张力计算结果也列于表3 两相之间没有相互作用力.从Girifalco-Good方 从计算结果可以认为，金川冰镍和表4中试验 程可以看出，要利用表面张力计算界面张力，必 冰镍的表面张力计算值在误差范围内是一 须知道体系特征量参数D.Girifalco LA和Good- 致的
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 堪期 在下列关系 ，一 ， ‘ 谬 普琦 〔 。 二 一。 ，二 〕 其 中 ， 为组元数 为 了求解式 的方程组 ， 作下 列假设 熔体表面层 偏摩 尔超额 自由能 “ 研与体 相偏摩 尔超额 自由能 研具有 相 同的表达式 ， 并 且具有下 列关系 研 ，“ 兀艺 二 刀 · 研 ， 兀笼 式 中的刀为经验系数 ， 对于不 同的体系刀有不 同的值 ， 对于熔梳体系 ，刀取 ， 而 氧化物体系 ， 刀取 体， 纯组元 的偏摩尔表面积等于纯组元的摩 尔表 面 积 ， 由 以下 公式计算 ‘ 。 。 二 、 ， 。 ， 、 ，， ， 、 招 ‘ 竺二 刀 一 、 基于 以 上 假设 ， 与表 面摩 尔分数 限制条件 艺矛 结合 ， 在 给定刀 、 温度 和 熔体成分时 ， 式 方程组有惟一 解 根据上 述原理 ， 谢允安【 〕首先设计了计算熔 体表面 张力 的程序 介 ， · 一 界面张力计算模型 ， 在表面张力 的基础上 ， 和 给 出更为通用 的 公式来计算界面张力 他们 假设 熔体两相是不可溶 的 ， 界面 为二维平面 可 以 由内聚 自由能 △ 孔△瞬 得 到粘 附 自由能 △研 ， 即类似于 △ 氛 丫△叽 嘿 对 于熔渣一液态金属 ， 有下列关系 一 △喘 一 人一 入 的研究表 明 ， 对于不 同的体 系 ， 必的值是不 同的 冰镍和熔渣的表面张力 熔炼渣和冰镍的成分 金 川 冰镍成 分 实 际工艺 中冰镍 中各物 质 的质量 分数 为 犯 ， 为 ， 为 ， 为 为 假定熔梳 中全为硫化物 ， 忽 略 。 及 其他元素的存在 ， 按照 与 ， ， 结合 的优先顺序将冰镍折合成 凡一 一 三元体系 ， 则金川 冰镍 的摩尔分数为 瓜 沼 二 ‘ 闭 金川水淬渣 成分 金川水淬渣 主要元素 的化学定量 分析结果列 于 表 表 金川 水淬渣化 学分析 结 果 质 分数 一 △嗽 一 △嘿 。 儿 同时 ， 和 认为 ， 两相 之间 的粘 附 自由能与两相 的 内聚 自由能 的几何平均值 的 比值是体系 的一个特征参数 必 ， 即 一 △ 氛 办 晶△吼 将式 卜 代人式 得 到 一 方 程 ， 。 一 耐 ， 。 一 必扼子元 式 中 ， 由是体系 的特征参数 ， 当必趋于零时 ， 说明 两相之间没有相互作用力 从 方 程可 以看 出 ， 要利 用表 面张力 计算界面 张力 ， 必 须知道体系特征量参数必 和 假设渣 中 的 艺 全部 以 的形式 存在并将整个渣 系近似为 三元 体 系 ， 则 金 川 水 淬 渣 质 量 分 数 依 次 为 ， 和 基于 方程计算冰镍表面张力 假定 一场 一 三元体系超额 吉布斯 自由能随着温度变化很小 ， 其性质 由表 列 出 ， 用 程序计算 了金川 冰镍不 同温 度下 的 表面 张力 ， 结果见表 在 ℃ 时为 瓜 、 ， 恙 一 瓜 、， 一 卜 恙 。 、 【一 一 侨 一瓜 ， 〕 不 、 ，瓜 ， 【 一 一 一瓜 ， 」一 曰 珠 ， 不 徐亚 飞 ， 吕希唐 『 在金川 渣 成分范 围 内 ， 研 究 了合成渣 中 含量对金川镍 闪速炉熔炼 的影 响 ， 测 定 了合成渣和 冰镍 间 的界面张力 见 表 表 中的冰镍按 照 与 ， ， 结合的 优先顺序折合成 厂 场 一 三元体系 ， 则该 实验冰镍成分 摩尔分数 为 瓜 ，， 。 试验冰镍 的表面张力计算结果也列于表 从计算结果可 以认为 ， 金川 冰镍 和 表 中试验 冰 镍 的 表 面 张 力 计 算 值 在 误 差 范 围 内是 一 致 的
Vol.24 康龙田等：金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍的表面张力及其界面张力 ·125· 表2Ni,S,-FeS-Cu:S体系纯组元性质数据刚 Table 2 Excess Gibbs energy of Ni,S-FeS-Cu,S system and physical properties of components 纯组元 p/g.cm3 1250-1600℃)/N-m-t 摩尔质量M/kg.mol' t馏化/℃ Ni,S2 6.144-0.000667 0.89183-2.25.10-T 0.240211 780 CugS 6.075-0.00054T7 0.388 0.159158 1127 FeS 5.435-0.0011T 0.329 0.329 1170 表3不同温度冰镍表面张力的计算 Table 3 Surface tension of nickel mattes calculated at different temperatures N.m t/℃ 表面张力 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500 1550 O鱼W冰睡 0.4160 0.4132 0.4102 0.4072 0.4039 0.4005 0.3970 0.3933 可失酸冰练 0.4126 0.4098 0.4068 0.4037 0.4005 0.3971 0.3935 0.3898 表4合成渣成分及理化性质测定结果 Table 5 Measured results of composition and physico-chemical properties of synthesized slags w准/% Fe/SiO, 序号 y/mN.m- ‘w纰/℃ Fe SiOz CaO MgO (质量比) 1350℃ 1400℃ 1500℃ 39.94 33.33 1.62 4.88 1.20 1120-1132 111.3 119.9 133.1 2 40.81 32.91 1.60 5.96 1.24 1130-1147 105.7 118.8 129.2 3 39.61 33.01 1.60 6.58 1.20 1148-1163 108.2 117.7 130.9 4 38.72 32.41 1.63 7.70 1.19 1162~1180 106.3 116.3 129.7 5 38.35 32.22 1.58 8.25 1.19 1178-1193 105.1 115.4 128.8 6 41.34 31.49 1.30 5.38 1.31 1102-1128 99.4 111.3 124.9 7 41.54 31.55 1.30 6.19 1.32 1105-1144 98.8 110.8 124.9 8 40.59 31.23 1.29 7.76 1.30 1126-1153 96.9 109.5 124.4 9 40.13 31.33 1.15 8.52 1.28 1128-1168 96.9 109.5 123.1 o 38.27 30.27 1.27 9.81 1.26 1135-1178 93.8 107.2 120.9 11 42.31 30.39 1.37 5.97 1.39 1083-1123 92.6 106.3 120.1 12 41.95 30.43 1.14 6.48 1.38 1097-1140 92.6 106.3 120.1 13 41.55 29.83 1.40 7.23 1.39 1109-1148 90.1 104.5 118.4 14 40.59 29.62 1.38 8.55 1.37 1184-1157 88.9 103.6 117.5 15 40.28 29.68 1.36 9.35 1.361120-1169 88.2 103.1 117.1 注：冰镍成分：Ni,Cu,Fe,S的质量分数分别是30.81%，16.61%，23.21%，25.13% 2.3Fe0-Mg0-Si02三元炉渣表面张力 张力，假定合成渣中的∑Fe全部以FeO的形式 根据文献[11]FeO-Mg0-SiO2三元体系表面 存在并忽略CaO的存在.这样表4中的合成渣 张力实验值（见表5Exp栏），通过多元回归，得 近似为FeO-SiOr-Mg0三元体系（见表6合成渣 出1350~1550℃范围内Fe0-Mg0-Si02三元体 近似成分)，表面张力计算结果列于表6. 系表面张力σ与渣系成分和温度()的关系： g=(3.17+0.000963t)[wo]+10.54-0.00311t) 3金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍间的 [wo]+(-2.10+0.00351t)[wso],mN/m(14) 界面张力 式中，w的单位为%.比较由式(14)计算的渣系 表面张力和试验值（见表5Exp栏）可知，多元回 3.1系数的计算 归式(14)是可信的.表5表明，温度一定时，当 根据式(13)，由冰镍和炉渣的表面张力（见 SiO,含量一定，表面张力随着Fe0含量的增加 表3和表6)及其界面张力（见表4），计算 而减少，随着MgO含量增加而增加；当MgO(或 Girifalco-Good方程中不同温度不同渣系成分下 FeO)含量一定，表面张力随着SiO,含量的增加 的系数Φ，结果列于表6.利用多元回归可以计 而减小.为了用式(14)计算表4中合成渣的表面 算系数Φ与渣系成分和温度的关系：
康龙 田 等 金 川镍 闪速炉熔炼渣 和 冰镍 的表面 张 力及 其 界面 张 力 一 表 钻 尸 体 系纯组元性质数据 几 一 一 川 纯组元 · 试 一 ℃ 卿 · 一 ’ 摩 尔质量 吨 · 一 ’ 一 一 一 一 · 一 ’ 场化 ℃ 表 不 同温度 冰镍表 面张 力 的计算 批 们 · 一 ’ 表面张力 ℃ 口金川冰艘 口卖脸冰井 表 合成渣 成分及理化性质测 定 结 果‘ 一 泣 序号 ， 气石，‘，曰八乙，，，︻八，，︸，八石少了、 连峥︶，气气乙八，月石 刁，且且 ‘‘，二‘直且 皿孟 气︸只，乙内汽‘、﹄、、﹃，︸︸ … 八“ ，月，内︸﹃尹 ，吸甘，‘，，‘且‘ 飞︸，乙叮，矛 … ﹃， ， 八‘工曰︶，﹃ ，︸，八︸了了 渡 质量 比 场砂℃ 尹 · 一 ’ ℃ ℃ ℃ 一 一 一 一 一 一 络‘︸，气八石，、 ‘ ，‘，内，﹃ … ︸，‘件，气、 ，，︸ ，， ，‘︸，‘月凡气︶‘，入、八︸﹃，，︸ ‘叹︺，了八︸门‘哎、了 产斗︸一、，︸， 月了 巧 注 冰镍成分 ， ， ， 的质量分数分别是 ， ， ， 卜 陌 三元炉渣表面张力 根据文献【川 卜 一 三元体系表面 张力 实验值 见 表 栏 ， 通过多元 回归 ， 得 出 一 ℃ 范 围 内 一 三元体 系表 面 张力 与渣 系成分和 温度 的关系 。 〔 〕 一 · 一 ，。 ， 式 中 ， 的单位为 比较 由式 计算的渣 系 表面张力和试验值 见表 栏 可 知 ， 多元 回 归式 是可信的 表 表 明 ， 温度一定时 ， 当 含量一定 ， 表面 张力 随着 含量 的增加 而减少 ， 随着 含量增加而增加 当 或 含量一定 ， 表面 张力 随着 含量 的增加 而减小 为了用式 计算表 中合成渣 的表面 张力 ， 假定合成渣 中的 艺 全部 以 的形 式 存在并忽略 的存在 这 样表 中的合成渣 近 似为 一 一 三元 体系 见 表 合成 渣 近 似成分 ， 表 面 张力 计算结果 列 于表 金川镍 闪速炉熔炼渣和 冰镍 间的 界面张力 系数必的计算 根据式 ， 由冰镍 和炉 渣 的表 面 张力 见 表 和 表 及 其 界 面 张 力 见 表 ， 计算 毛 方程 中不 同温度不 同渣 系成分下 的系数必 ， 结果列 于 表 利用 多元 回归可 以计 算 系数必与渣 系成分和温度 的关 系
·126· 北京科技大学学报 2002年第4期 表5Fe0-Mg0-Si0,三元体系表面张力实验数据u Table 5 Experimental data of surface tension of Fe-MgO-SiO:ternary system mN.m t/℃ 组元质量分数/% 1350 1400 1450 1500 1550 FeO Mgo SiOz Exp. Cal.Exp.Cal.Exp.Cal. Exp.Cal.Exp. Cal. 20 55 391 392.7397 400.0 405 405.5 414 415.3 420 418.7 25 20 55 380 383.3 391 391.4 398 398.9 407 408.1 413 413.7 % 15 55 373 373.9 384 382.8 393 392.4 400 400.9 409 408.7 10 55 367 364.5 378 374.2 389 385.9 395 393.7 409 403.7 5 55 350 355.1 363 365.6 380 379.3 389 386.4 399 398.7 25 50 404 401.6 409 408.6 415 413.9 425 422.3 430 425.2 50 391 392.2 400 400.0 406 407.4 410 415.1 421 420.2 子 50 387 382.8 390 391.4 401 400.8 407 407.9 411 415.2 40 1 50 382 373.4 386 382.8 392 394.3 403 400.6 410 410.2 0 5 45 412 410.5 419 417.2 421 422.3 432 429.3 431.7 20 45 400 401.1 409 408.6 415 415.8 424 422.1 426 426.7 40 15 45 388 391.7 396 400.0 408 409.3 409 414.8 420 421.7 35 25 40 424 419.3 429 425.8 434 430.8 441 436.3 446 438.3 40 20 40 403 409.9 415 417.2 423 424.2 427 429.0 429 433.3 40 25 35 428 428.2 434 434.4 440 439.2 442 443.2 450 444.8 表6合成渣表面张力及Girifalco--Good系数中 Table 6 Surface tension of synthesized slags and coefficient in Girifalco-Good Equation 渣系组元近似质量分数 0系/mNmt Girifalco-Good系数Φ 序号 FeO SiO: MgO 1350℃1400℃1500℃ 1350℃1400℃ 1500℃ 1 0.574 0.372 0.054 387.3 397.0 411.9 0.860 0.850 0.835 0.575 0.360 0.065 391.7 400.9 415.1 0.867 0.852 0.841 0.563 0.365 0.073 392.3 401.4 415.6 0.864 0.853 0.839 0.554 0.360 0.086 395.6 404.3 418.0 0.867 0.856 0.841 0.549 0.359 0.092 396.9 405.7 419.0 0.869 0.857 0.842 6 0.591 0.350 0.060 392.5 40L.7 415.8 0.875 0.861 0.846 1 0.586 0.346 0.068 394.7 403.8 417.5 0.876 0.862 0.846 f 0.573 0.342 0.085 398.3 407.3 420.4 0.879 0.864 0.848 9 0.564 0.342 0.093 400.1 408.7 421.6 0.879 0.865 0.849 9 0.551 0.339 0.110 403.9 412.2 424.5 0.884 0.868 0.853 ) 0.600 0.335 0.066 396.3 405.3 418.7 0.884 0.868 0.853 12 0.594 0.335 0.071 397.3 406.3 419.5 0.884 0.868 0.853 13 0.591 0.330 0.080 399.9 408.7 421.5 0.888 0.871 0.855 14 0.578 0.328 0.095 403.0 411.5 423.9 0.890 0.872 0.857 15 0.570 0.327 0.103 404.7 413.1 0.425 0.891 0.873 0.858 p-(1.916-0.000611t)[wo]+1.911-0.000585）): 温度下，渣系表面张力降低，界面张力有增大的 [wMeo]+H-0.3470+0.000597i[wso,] (15) 趋势；随着温度升高界面张力也有增加趋势.其 式中，w的单位为%.从式(15)可知，温度一定， 原因主要是由于温度升高，表面上的活性物分 随着渣系中FeO和MgO含量增加，中值增大. 解及分子热运动加剧. 3.2熔渣和冰镍间的界面张力与熔渣表面张力 3.31350-1500℃熔渣一冰镍间的界面张力与 的关系 渣系成分、温度的关系 由表6中渣系的表面张力和表4中熔渣一 在镍闪速炉熔炼过程中，冰镍成分是相对 冰镍间的界面张力作图（图2），可以看出，同一 稳定的，要增加渣系与冰镍之间的界面张力，有
‘ 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 表 三 元体 系表面张 力 实验数 据 卜 叮 一 ， 组元质量分数 ℃ 加 巧巧 表 合成渣 表面张 力及 企心 系数 必 泣 必 一 序号 渣系组元近似质量分数 奴 系 · 曰 系数必 ℃ ℃ ， ℃ ℃ ℃ ℃ 内︼︻、 月 ‘，产， … ︸内凡，气，、，，，‘，︸气声 必 一 【 」 一 · 一 。。 式 中 ， 的单位为 从式 可 知 ， 温度一 定 ， 随着渣 系 中 和 含量增加 ， 必值增 大 熔渣和 冰镍 间的界面张力与熔渣表面张力 的关 系 由表 中渣 系 的表面 张力 和 表 中熔渣一 冰镍 间的界 面 张力作 图 图 ， 可 以看 出 ， 同一 温度下 ， 渣 系表面 张力降低 ， 界面张力有增大的 趋势 随着温度 升高界面张力也有增加趋势 其 原 因主要 是 由于温度升高 ， 表面 上 的活性 物分 解及 分子热运 动加剧 一 ℃熔渣一冰 镍间的界面张力与 渣 系成分 、 温度的关 系 在镍 闪速炉熔炼 过程 中 ， 冰镍成分是相对 稳定 的 ， 要增加渣 系与冰镍之间的界面张力 ， 有
VoL.24 康龙田等：金川镍闪速炉熔炼渣和冰镍的表面张力及其界面张力 ·127 145 l350℃ 得1350-1500℃范围内，熔渣一冰镍间的界面张 135 +1400℃ n 力(y)与渣系成分、温度的关系： ,125 1500℃ -547+0.3414(-192+0.158t0[wo]+(-197.4+ 首s 0.160r0[wMeo]+1582-0.799t0[wso],mNm1(16) 由于金川镍闪速炉冶炼工艺中wso<50%,计 95 算可知，此时式(16)中温度系数是正的，也就是 85L 说此时界面张力随着温度的升高而增加.由式 (16)可知，当Fe0或Mg0含量一定时，随着SiO2 380390 400410420 430 含量的增加界面张力增加；当FeO(或MgO)含量 0系表图/mN·mt 一定时，MgO(或FeO)含量增加，界面张力降低. 图2不同温度下熔渣一冰镍间界面张力（σ）与FeO-MgO- SO,渣系表面张力(y)的关系 3,4金川镍闪速炉冶炼工艺中熔渣一冰镍间的界 Fig.2 Relationship of interfacial tension between slag and 面张力计算 matte and surface tension of FeO-MgO-SiO,slag at differ- 基于Girifalco-Good方程，利用式(14)、式 eent femperatures (15)和合成渣成分以及冰镍表面张力（见表3）， 计算熔渣一冰镍间的界面张力，结果列于表7 效的途径是调节渣系成分.从图2可以看出，熔 计算1栏；同时用式(16)计算熔渣一冰镍间的 渣一冰镍间的界面张力与渣系表面张力有密切 界面张力，结果列于表7计算2栏 的关系，而渣系表面张力与渣中FeO,SiOz,MgO 比较表7中界面张力计算值与实验值可知， 的含量有直接相关，因此有必要研究渣中FO, 式(16)是可信的.由于金川熔渣、冰镍成分均在 SiO2,Mg0的含量与熔渣一冰镍间界面张力的 表5中合成渣和冰镍成分范围内，所以利用 关系。 式(16)可以预测金川冶炼工艺中冰镍与渣间界 将表5中不同温度下界面张力与渣系的近 面张力，计算结果分别为1350℃114.6；1400℃ 似成分（见表6渣系近似成分）进行多元回归，获 121.6:1450℃128.7：1500℃135.84mN-m 表7合成渣与冰镍间界面张力 Table 7 Interfacial tension between synthesized slags and mattes mN.m 1350℃ 1400℃ 1500℃ 序号 计算1 计算2 试验 计算1 计算2 试验 计算1 计算2 试验 1 111.8 112.6 111.3 118.8 119.7 119.9 133.5 133.9 133.1 2 106.2 106.8 105.7 117.7 114.5 118.8 129.5 129.9 129.2 3 108.3 108.9 108.2 116.4 117.7 130.9 130.9 131.4 130.9 4 106.3 106.9 106.3 113.8 114.6 116.3 129.5 129.9 129.7 5 105.5 106.1 105.1 113.1 113.9 115.4 128.9 129.4 128.8 6 101.2 101.8 99.4 109.2 110.0 111.3 126.0 126.3 124.9 7 99.4 100.0 98.8 107.6 108.3 110.8 124.7 125.1 124.9 8 97.6 98.2 96.9 106.0 106.7 109.5 123.4 123.8 124.4 97.6 98.2 96.9 106.0 106.8 109.5 123.4 123.8 123.1 10 95.9 96.5 93.8 104.5 105.2 107.2 122.1 122.6 120.9 11 93.9 95.4 92.6 102.7 103.4 106.3 120.9 121.2 120.1 12 94.0 94.6 92.6 102.8 103.5 106.3 120.9 121.2 120.1 3 91.4 92.0 90.1 100.4 101.1 l04.5 119.0 119.4 118.4 14 90.5 91.1 88.9 99.6 100.3 103.6 1183 118.8 117.5 89.9 90.6 88.2 99.1 99.8 103.1 117.9 118.4 117.1 注：计算1为按Girifalco--Good方程，计算2为按式(16) 4结论 与冰镍间的Girifalco-Good系数中与渣系成分及 温度的关系如式(15). (1)1350-1550℃，Fe0-Mg0-Si02三元体系 (3)1350~1500℃下，金川镍闪速炉熔炼渣 表面张力（σ）与渣系成分、温度的关系如式(14). 一冰镍间的界面张力()与渣系成分及温度的关 (2)1350-1500℃下，金川镍闪速炉熔炼渣
】 一 康龙 田等 金 川镍 闪速炉熔炼渣和冰镍 的表 面张力及 其界 面 张 力 · ， 一 ℃ ‘ ℃ ℃ ， 二 ’ 。 气 一 二 、 ’ “ “ “ 众 …二… ︸ 八，乙“入气︸、 ‘︸、︶尸一︸、、︸ 一日 · ︸它支胭 … 币 嘛秘 面 · 一 ， 图 不 同温度下熔渣一冰镍间界面张力闭与 一 渣 系表面 张力 力的关 系 · 口 一 一 幻沁卜 效的途径是调 节渣 系成分 从 图 可 以看 出 ， 熔 渣一冰镍间 的界面张力 与渣系表面 张力有密切 的关系 ， 而渣 系表 面 张力与渣 中 ， 仪 ， 的含量有直接相 关 ， 因此有必 要研究渣 中 ， ， 的含量与熔 渣一冰镍间 界面 张力 的 关系 将表 中不 同温度下 界 面 张力 与渣 系 的近 似成分 见表 渣 系近 似成分 进行多元 回归 ， 获 得 一 ℃ 范 围内 ， 熔渣一冰镍间 的界面 张 力 刃与渣 系成分 、 温度 的关系 厂一 一 汇 。 。 一 〔 。 一 【 。 」 ， · 一 ， 由于金川镍闪速炉 冶炼工艺 中 ， 计 算可 知 ， 此时式 中温度 系数是正 的 ， 也就是 说此时界 面 张力 随着温 度的 升高 而增 加 由式 可 知 ， 当 或 含量一定时 ， 随着 含量 的增加 界面张力增加 当 或 含量 一 定时 ， 或 含量增加 ， 界面 张力降低 ， 金川镍闪速炉冶炼工艺中熔渣一冰镍间的界 面张力计算 基于 曰 方程 ， 利用 式 、 式 和合成渣成分 以及冰镍表面 张力 见表 ， 计算熔渣一冰镍间 的界面 张力 ， 结果列 于 表 计算 栏 同时用式 计算熔渣一冰镍间 的 界 面张力 ， 结果列于 表 计算 栏 比较表 中界面张力计算值与实验值可 知 ， 式 是可 信的 由于金川熔渣 、 冰镍成分均在 表 中合成渣 和 冰镍成分 ‘ 范 围内 ， 所 以利用 式 可 以预测 金川 冶炼工 艺 中冰镍 与渣 间界 面 张力 ， 计算结果分别为 ℃ ℃ ℃ ℃ · 一 ’ 表 合成 渣 与冰镍 间界面张力 卜 幼 幻即既 · 一 序号 ℃ 计算 ℃ 计算 试验 计算 计算 试验 计算 巧 ℃ 计算 试验 ， ‘ 、 ， ， ， ， ， 、 ‘ 巧 注 计算 为按 一 方程 ，计算 为按式 结论 一 ℃ ， 一 三元体系 表 面 张力 司与渣 系成分 、 温度 的关系如式 一 ℃ 下 ， 金川镍 闪速炉熔炼渣 与冰镍间的 系数币与渣 系成分及 温度 的关系如式 一 ℃ 下 ， 金川 镍 闪速 炉熔炼渣 一冰镍间 的界面 张力 与渣 系成分及温度的关
·128· 北京科技大学学报 2002年第4期 系如式(16). 1986,60(3+4):157 (4)对于金川镍闪速炉熔炼工艺，降低Fe/ 4 Butler JA V.The Thermodynamics of the Surfaces of So- SO2的质量比值、升高温度是增加熔渣一冰镍 lutions[J].Proc Roy Soc A,1932,135:348 5严丽君.熔体表面张力的模拟计算及其应用：[博士 间界面张力的有效途径.同时从文献[11]可知， 论文]北京：北京科技大学，2000 当Fe/SiO2质量比减少时，有利于渣系粘度和熔 6 Tanaka T,Hack S.Application of a Thermo-dynamic Dat- 化温度的降低、增加渣系与冰镍之间的比重差. abases to the Evaluation of Interfacial Tensions Between 无论从渣系粘度还是从熔炼渣一冰镍间界面张 Liquid Steels and Molten Slags[J].Z Metallkd,1999,90: 力以及渣系熔化温度角度考虑，降低熔炼渣中 348 MgO的含量将有利于熔渣中冰镍滴的凝聚和 7谢允安.Ag-ln-Sn-Zn四元无铅钎料合金热力学与表 面张力[博士论文].北京：北京科技大学.1999 沉静，降低渣中有价金属的损失 8 Girifalco L A,Good R J.A Theory for the Estimation of 参考文献 Surface and Interfacial Energies[J].J Phys Chem,1957, 61:904 1曹战民.金川镍闪速熔炼过程的热力学模拟和渣中 9 Kucharski M,Ip S W,Toguri J M.The Surface Tension 有价金属赋存状态的研究：博士论文].北京：北京科 and Density of Cu,S,FeS,Ni S:and Their mixtures[J]. 技大学.2001 Canadian Metallurgical Quarterly,1994,33(3):197 2曹战民，孙根生，K.Richter,.乔芝郁，金川镍闪速炉熔 10徐亚飞，吕希唐.镍闪速炉合理渣型的研究].云南冶 炼渣的物相和铜镍分布】.北京科技大学学报，2001， 金，1999,28(1)：36 23(4):316 11 Narottam P,Bansal R,Doremus H.Handbook of Glass 3 Alan W Gramb,Itaru Jimbo.Calculation of the Interfacial Properties[M].Orlando:Acafemic Press Inc,1986.117 Properties of Liquid Steel-Slay System[J].Steel Research, Interfacial Tension between Smelting Slag and Matte in Jinchuan Nickel Flash Furnace KANG Longtian,CAO Zhanmin, WU Shimin,QIAO Zhiyu Metallurgy School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Surface tensions of slag and matte in Jinchuan nickel flash smelting process were respectively calculated by the way of Butler equation and polynomial fit.Based on Girifalco-Good equation interfacial ten- sions between slag and matte were calculated.The relationship between interfacial tension and slag composi- tion,surface tension as well as temperature was discussed.Some advice for decreasing the noble metal loss in Jinchuan nickel flash smelting process slags was given. KEYWORDS interfacial tension:surface tension;matte;smelting slag
北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 系 如式 对 于 金 川 镍 闪速炉 熔炼工艺 ， 降低 的质量 比值 、 升高温度是增加熔渣一冰镍 间界 面张力 的有效途径 同时从文献 【川可 知 ， 当 质量 比减少时 ， 有利 于 渣系粘度 和熔 化温度 的降低 、 增加渣 系与冰镍之间 的 比重差 无论从渣 系粘度还是从熔炼渣一冰镍 间界 面张 力 以及 渣 系熔化温度角度 考虑 ， 降低熔炼渣 中 的含 量将有利 于 熔渣 中冰镍滴 的凝聚 和 沉静 ， 降低渣 中有价金属 的损失 参 考 文 献 曹战 民 金川镍 闪速熔炼过程 的热力学模拟和渣 中 有价金 属 赋存状态 的研究 博士论文 北京 北京科 技大学 曹战 民 ， 孙根生 ， 形 ， 乔芝郁 金川镍闪速炉熔 炼渣 的物相和铜镍分布 北京科技大学学报 ， ， ， 一 ， ， 俪 ， ， 严丽君 熔体表面张力的模拟计算及其应用 博士 论文 北京 北 京科技大学 ， ， 为 刀。 创 】 ， ， 谢允安 一 一 一 四元无铅钎料合金热力学与表 面张力 博士论文 北京 北京科技大学 ， 而 勿 ， ， ， ， 七 ， ， 刀 ， ， 徐亚飞 ， 吕希唐 镍闪速炉合理渣型 的研究 云南冶 金 ， ， ， ， 【 ， 犬月刃 ” ， ， 珍 ， 口乙咬 唱 ， ， ， 一