《冶金原理》课程试题(A卷)答案

《冶金原理》试题A卷答案

一 解释下列名词(共10分，每题5分)

①氧势：体系中氧气的相对化学位，RTlnPO2。

②选择性氧化：对于金属熔体，用控制温度及体系压力的方法，控制熔体中元素的氧化，达到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的，称为选择性氧化。

二 简答题(共30分)

①(6分)炉渣的熔点是如何定义的？炉渣的半球点温度是如何定义的？二者是否一致？为什么？

炉渣熔点定义：加热时固态完全转变为均匀液相的温度，也就是炉渣相图的液相线或液相面的温度。半球点温度：渣柱试样在加热过程中高度降低一半时所对应的温度，实际上此时炉渣未完全熔化，因此不等于理论上定义的炉渣熔点。

②(5分)在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，一般采用哪种标准态？对于熔渣中的组元，一般采用哪种标准态？

在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，一般采用服从亨利定律，重量1%浓度溶液为标准态；对于熔渣中的组元，一般采用纯物质为标准态。

③(6分)写出化学反应速率常数与温度的关系式，说明其中每个符号的意义，讨论活化能的大小对反应速率常数随温度变化的影响关系。

化学反应速率常数与温度的关系式为：

kzeERT

式中：k—化学反应速率常数；R—理想气体常数；T－温度 E—活化能；z—频率因子。

在频率因子一定的条件下，活化能E越大，则k越小。反之，活化能E越小，则k越大。 因为： lnklnz所以：

E RTdlnkE dTRT2E越大，

dlnkdlnk值越大，当温度升高时，k随温度升高而增大得多；E越小，值越小，当温度升高dTdT时，k随温度升高而增大得少。

④(8分)对于H2还原FeO的过程，采用一界面未反应核描述时，其速率的积分式为：

0r0c0c平Rr06De31K32R31R233当过程处11Rk1K于动力学范围时，写出相应的速率积分式，计算反应完全所需的时间；内扩散是限制环节时，写出相应的

速率积分式，计算反应完全所需的时间。

当过程处于动力学范围时，kDe,k，速率方程为: 0r0c0c平1K11R3 k1K 1

当R1时所对应的时间为反应完全所需的时间。 0r0c0c平K

k1K当内扩散是限制环节时，Dek,De，速率方程为：

0r02c0c平16De2

332R31R当R1时所对应的时间为反应完全所需的时间。

0r026De(c0c平)

⑤(5分)硫化物在高温下的化学反应主要有哪几种类型？写出反应通式。

2MeS3O22MeO2SO2 MeSO2MeSO2 MeSMeOMeOMeS MeS2MeO3MeSO2 MeSMeMeSMe

三 作图题(共20分)

①(共10分)图1是具有一个不稳定二元化合物的三元系相图，分析其中m点在 温度降低过程中液相及固相的变化，并在图中标出结晶路线。

②(共10分)图2为CO还原铁的各级氧化物平衡曲线图。回答下列问题： (1)(4分)写出各曲线的反应方程式；

(2)(2分)在图上各区域内标出稳定存在的固相； (3) (4分)在图中a点体系中放入Fe，保持a点体系的温度及气相组成不变，分析体系中将有哪些反应发生？最终存在的固相物质是什么？

(1) 曲线1：3 Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2 ； 曲线2：Fe3O4+CO=3FeO+CO2； 曲线3：FeO+CO=CO2+Fe ； 曲线4：1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO2。 (2) 见图。

2

(3)过a点作等温线，交曲线(3)于点a’，交曲线(2)于点a’’，利用等温方程分析。

对于曲线(3)：FeO+CO=Fe+CO2 GRTln%CO2%CO2RTln

%COa'%COa %COa'%COa；%CO2a'%CO2a %CO2%CO2 %CO%COaa'%CO2%CO2RTln0

%COa'%COa GRTln 发生反应(3)的逆反应：Fe+CO2= FeO+CO，Fe被氧化为FeO。

对于曲线(2)：Fe3O4+CO=3FeO+CO2 GRTln%CO2%CO2RTln

%COa''%COa %COa''%COa；%CO2a''%CO2a %CO2%CO2 %CO%COaa''%CO2%CO2RTln0

%COa''%COa GRTln 反应(2)的逆反应不可能发生，FeO不会被进一步氧化为Fe3O4。

体系最终稳定存在的固相物质是FeO。

四 计算题（共42分） 1（共20分）

在下述条件：温度T1873K；熔渣成分为：(%FeO)12.02，(%MnO)8.84，(%CaO)42.68，

3

(%MgO)14.97，(%SiO2)19.34，(%P2O5)2.15。测得与此熔渣平衡的钢液中的氧浓度为[%O]0.058，氧在钢液中的溶解属于稀溶液。

已知： (FeO)=[O]+Fe(l) lgK63202.734 T(a)（5分）根据实际测定的钢液中的氧浓度，计算熔渣中FeO的活度及活度系数。

(b)（10分）利用完全离子溶液模型计算FeO的活度及活度系数，不引入离子活度系数。 (c) （5分）利用完全离子溶液模型计算FeO的活度及活度系数，引入离子活度系数： lgFe2O21.53x4SiO40.17

(a) 以100g熔渣作为计算基础，各组分摩尔量的计算结果见表1。 表1 熔渣中各组分的摩尔量 组分

FeO 0.167

MnO 0.125

CaO 0.762

MgO 0.374

SiO2 0.322

P2O5 0.015

∑n 1.765

nB

xFeO0.1670.0946 1.765在T1873K条件下，钢液中的氧浓度[%O]0.058。

(FeO)=[O]+Fe(l) lgK T1873K lgK63202.734 T6320[%O]2.7340.640 K0.23 1873aFeO aFeOwOKa0.0580.2520.252 FeOFeO2.664 0.23xFeO0.0946(b) 根据完全离子溶液模型，熔渣中的离子有：Fe2+、Mn2+ 、Ca2+、Mg2+、O2-、SiO4-、PO43-。

1mol 二价碱性氧化物电离形成1mol阳离子和1mol O2-：

CaO=Ca2++ O2- FeO=Fe2++ O2- MnO=Mn2++ O2- MgO=Mg2++ O2- 所以： nCa2nCaO nFe2nFeO nMn2nMnO nMg2nMgO

nBnCaOnFeOnMnOnMgO1.428

24SiO4 nSiO4nSiO20.322 消耗nO22nSiO20.644

4 络和离子按下列反应形成： SiO22O3 P2O53O22PO4 nPO32nP2O50.015 消耗nO23nP2O50.045

4所以： nO2

nB2nSiO23nP2O50.739

44nBnO2nSiO4nPO31.091

阳离子及阴离子的摩尔分数为：

4

xCa2nCa2nBnFe20.7620.167 0.534xFe20.1171.428nB1.428nMg20.3470.1250.262 0.088 xMg21.428nB1.428 xMn2nMn2nnO2B xO2nB0.7360.677 1.091aFeOxFe2xO20.1170.6770.079 xFeOanFeO0.1670.0790.835 0.0946 FeOFeOx0.0946n1.765FeO(c) 引入离子活度系数，计算公式为： aFeOFe2O2xFe2xO2

lgFe2O2nSiO44nPO431.53xSiO40.171.534nB0.17  1.530.3220.0300.170.324 1.091aFeOFe2O2xFe2xO22.100.1170.6770.166

FeOaFeO0.1661.755 xFeO0.0946

2（共10分）为了净化氩气，将氩气通入600℃的盛有铜屑的不锈钢管中除去残存的氧气。 计算经过上述处理后，氩气中氧的分压。 已知： Cu(s)10O2CuO85.25T J (s) G1525222解：计算600℃温度条件下体系的氧气分压值。 K11/2 GRTlnKRTlnPO2 1/2PO2 当T600273873K时

1/2 G152522 85.258738.314873lnPO2 PO24.511010atm4.57105Pa

3（10分）在均相形核过程中，假设形成的晶核是边长为a的立方体，形成单位体积晶核的吉布斯自由能

为GV，单位表面吉布斯自由能为。计算：①临界边长a；②形成临界晶核所需能量GV

 5

解：形成边长为a的立方体晶核时，吉布斯能变化为： Ga3GV6a2 令：

dG0 da即： 3a2GV12a0 得到临界边长： a4 GV2形成临界种核时所需的能量起伏为：

4 GGV

4G6VGV3323G2 V 6