冶金原理試卷與答案1

1、冶金原理試題一 解釋下列名詞氧勢(shì)：體系中氧氣的相對(duì)化學(xué)位，RT ln PO 2 。選擇性氧化：對(duì)于金屬熔體，用控制溫度及體系壓力的方法，控制熔體中元素的氧化，達(dá)到保留某些元素或者氧化富集某些元素的目的，稱為選擇性氧化。二 簡(jiǎn)答題 (共 30 分) ( 6 分 ) 爐渣的熔點(diǎn)是如何定義的？爐渣的半球點(diǎn)溫度是如何定義的？二者是否一致？為什么？爐渣熔點(diǎn)定義：加熱時(shí)固態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫鶆蛞合嗟臏囟?，也就是爐渣相圖的液相線或液相面的溫度。半球點(diǎn)溫度：渣柱試樣在加熱過(guò)程中高度降低一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度，實(shí)際上此時(shí)爐渣未完全熔化，因此不等于理論上定義的爐渣熔點(diǎn)。 ( 5 分 ) 在進(jìn)行冶金中的相關(guān)反應(yīng)計(jì)算時(shí)，對(duì)于金

2、屬熔體中的組元，一般采用哪種標(biāo)準(zhǔn)態(tài)？對(duì)于熔渣中的組元，一般采用哪種標(biāo)準(zhǔn)態(tài)？在進(jìn)行冶金中的相關(guān)反應(yīng)計(jì)算時(shí)，對(duì)于金屬熔體中的組元，一般采用服從亨利定律，重量1%濃度溶液為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)；對(duì)于熔渣中的組元，一般采用純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)。 ( 6 分 ) 寫(xiě)出化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系式，說(shuō)明其中每個(gè)符號(hào)的意義，討論活化能的大小對(duì)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化的影響關(guān)系?；瘜W(xué)反應(yīng)速率常數(shù)與溫度的關(guān)系式為：E式中： kkz e RT 化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)；R 理想氣體常數(shù)； T 溫度E 活化能； z 頻率因子。在頻率因子一定的條件下，活化能E 越大，則 k越小。反之，活化能E 越小，則 k 越大。因?yàn)椋簂n kEln zRT所

3、以：d ln kEdTRT 2E 越大， d ln k 值越大，當(dāng)溫度升高時(shí)， k 隨溫度升高而增大得多；E 越小， d ln k 值越小，當(dāng)溫度升高dTdT時(shí)， k 隨溫度升高而增大得少。 ( 8 分 ) 對(duì)于 H2 還原 FeO 的過(guò)程，采用一界面未反應(yīng)核描述時(shí)，其速率的積分式為：0 r 0Rr 0232R31R3c0 c平36 D eK111R3當(dāng)過(guò)程處k 1K于動(dòng)力學(xué)范圍時(shí)，寫(xiě)出相應(yīng)的速率積分式，計(jì)算反應(yīng)完全所需的時(shí)間；內(nèi)擴(kuò)散是限制環(huán)節(jié)時(shí)，寫(xiě)出相應(yīng)的速率積分式，計(jì)算反應(yīng)完全所需的時(shí)間。當(dāng)過(guò)程處于動(dòng)力學(xué)范圍時(shí)，kDe, k，速率方程為 :0 r0K11 1R 3c 0 c 平k 1K當(dāng)

4、R1時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為反應(yīng)完全所需的時(shí)間。0 r 0Kc 0c平k 1K當(dāng)內(nèi)擴(kuò)散是限制環(huán)節(jié)時(shí)，Dek , De，速率方程為：220 r 012R 31 R3c 0 c平36 D e當(dāng) R1時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)間為反應(yīng)完全所需的時(shí)間。0 r026 D e ( c0c 平 ) ( 5分 ) 硫化物在高溫下的化學(xué)反應(yīng)主要有哪幾種類型？寫(xiě)出反應(yīng)通式。2MeS3O22MeO2SO2MeSO 2MeSO2MeSM e OMeOMe SMeS2MeO3MeSO2MeSMeMe SMe三 作圖題(共 10 分)圖1 是具有一個(gè)不穩(wěn)定二元化合物的三元系相圖，分析其中m 點(diǎn)在溫度降低過(guò)程中液相及固相的變化，并在圖中標(biāo)出結(jié)晶

5、路線。 (共 10 分 )圖 2 為 CO 還原鐵的各級(jí)氧化物平衡曲線圖?；卮鹣铝袉?wèn)題：(1)(4 分 )寫(xiě)出各曲線的反應(yīng)方程式；(2)(2 分 )在圖上各區(qū)域內(nèi)標(biāo)出穩(wěn)定存在的固相；(3) (4 分 )在圖中 a 點(diǎn)體系中放入 Fe，保持 a 點(diǎn)體系的溫度及氣相組成不變， 分析體系中將有哪些反應(yīng)發(fā)生？最終存在的固相物質(zhì)是什么？(1)曲線 1： 3 Fe2O3 +CO=2Fe3O4+CO 2；曲線 2： Fe3O4+CO=3FeO+CO 2；曲線 3： FeO+CO=CO 2+Fe；曲線 4： 1/4Fe3O4+CO=3/4Fe+CO 2。(2)見(jiàn)圖。(3) 過(guò) a 點(diǎn)作等溫線，交曲線 (3)

6、于點(diǎn) a，交曲線 (2) 于點(diǎn) a，利用等溫方程分析。對(duì)于曲線 (3) ：FeO+CO=Fe+CO 2G%CO2RT ln%CO2RT ln%CO%COa 'a%CO a '%CO a ；%CO2 a '%CO2a%CO2%CO2%COa%COa'G%CO2RT ln%CO20RT ln%CO%COa 'a發(fā)生反應(yīng) (3)的逆反應(yīng)： Fe+CO2= FeO+CO ， Fe 被氧化為 FeO。對(duì)于曲線 (2) ：Fe3O4+CO=3FeO+CO 2G%CO2RT ln%CO2RT ln%CO%COa ''a%CO a''%C

7、O a；%CO 2 a''%CO2a%CO2%CO2%CO a%COa ''GRT ln%CO2%CO20%CORT lna ''%CO a反應(yīng) (2)的逆反應(yīng)不可能發(fā)生，F(xiàn)eO 不會(huì)被進(jìn)一步氧化為 Fe3O4。體系最終穩(wěn)定存在的固相物質(zhì)是FeO。四 計(jì)算題（共42 分）1（共 20 分）在下述條件：溫度T1873K ；熔渣成分為： (% FeO)12.02 ， (% MnO )8.84 ， (%CaO )42.68 ，(% MgO ) 14.97 ， (% SiO2 ) 19.34 ， (% P2 O5 )2.15 。測(cè)得與此熔渣平衡的鋼液中的

8、氧濃度為% O0.058 ，氧在鋼液中的溶解屬于稀溶液。已知：(FeO)=O+Fe (l)lg K6320 2.734T(a)（ 5 分）根據(jù)實(shí)際測(cè)定的鋼液中的氧濃度，計(jì)算熔渣中FeO 的活度及活度系數(shù)。(b) （ 10 分）利用完全離子溶液模型計(jì)算FeO 的活度及活度系數(shù)，不引入離子活度系數(shù)。(c) （ 5 分）利用完全離子溶液模型計(jì)算FeO 的活度及活度系數(shù)，引入離子活度系數(shù)：lg Fe2O21.53x SiO4 0.174(a) 以 100g 熔渣作為計(jì)算基礎(chǔ)，各組分摩爾量的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表 1熔渣中各組分的摩爾量組分FeOMnOCaOMgOSiO2P2O5 nnB0.1670.125

9、0.7620.3740.3220.0151.765xFeO0.1670.09461.765在 T1873K條件下，鋼液中的氧濃度% O0.058 。(FeO)=O+Fe (l)lg K63202.734T63202.7340.640K% O0.23T 1873K lg KaFeO1873aFeOw O0.058aFeO0.2522.664K0.252FeO0.09460.23xFeO(b) 根據(jù)完全離子溶液模型，熔渣中的離子有：Fe2+、 Mn 2+ 、 Ca2+、 Mg 2+、 O2- 、 SiO4-、 PO43- 。1mol 二價(jià)堿性氧化物電離形成1mol 陽(yáng)離子和 1mol O 2-：C

10、aO=Ca2+ O 2-FeO=Fe2+ O2-MnO=Mn 2+ O 2-MgO=Mg 2+ + O2-所以：nCa 2nCaOnFe2nF e OnMn 2nM n OnMg 2nM g OnBnC a O nF e O nM n O nM g O 1.4 2 8絡(luò)和離子按下列反應(yīng)形成：24nSiOnSiO 20.322消耗 n 22n0.644S i O2OSi O4SiO2O244P2 O53O23n32nP O0.015消耗 n3nP2O50.0452PO42PO425O所以：n 2nB2nS i O3nP O0.739O22 5nBnO2nSiO44nPO43 1.091陽(yáng)離子及陰

11、離子的摩爾分?jǐn)?shù)為：nCa 20.7620.5 3 4 xFenFe20.1670.117xCa 2nB1.42821.428nBMn0.125nMg 20.347n20.088xMn 2nB1.428xMg 2nB0.2621.428xOnO 20.7360.67721.091nBaFeOxFe 2xO 2 0.1170.6770.079xFeOnFeO0.167aFeO0.079n0.0946FeOxFeO0.8351.7650.0946(c) 引入離子活度系數(shù)，計(jì)算公式為：aFeOFe 2O 2 xFe 2 xO 2lg Fe 21.53 x SiO44nSiO44nPO43O 20.17

12、 1.530.17nB1.53 0.3220.0300.170.3241.091aFeOFe 2O 2 xFe 2 xO22.10 0.117 0.677 0.166FeOa FeO0.1661.755xFeO0.09462（共 10 分）為了凈化氬氣，將氬氣通入600的盛有銅屑的不銹鋼管中除去殘存的氧氣。計(jì)算經(jīng)過(guò)上述處理后，氬氣中氧的分壓。已知：Cu (s)1 O2 C u O(s)G 0152522 85.25T J2解：計(jì)算 600溫度條件下體系的氧氣分壓值。K1GRT ln K RT ln P1 / 21/ 2O2PO2當(dāng)T 600273873K 時(shí)G152522 85.25 8738.314 873 ln PO1/ 22PO24.5110 10 atm4.571