冶金物理化學(xué)試卷(A)

1、北京科技大學(xué) 2008-2009學(xué)年 第一學(xué)期冶金物理化學(xué) 試卷(A試卷卷面成績(jī)占課程 考核成 績(jī) %平時(shí)成績(jī) 占 課程考核成績(jī) 題號(hào) 一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 小計(jì) 得分一、簡(jiǎn)答(1-6題每小題 5分,7-9題每小題 8分,共 54分 1. 試用熱力學(xué)原理說(shuō)明在氧勢(shì)圖上為什么位置低的金屬元素可以還原位置高的氧化物? 解:M 和 N 為兩種金屬單質(zhì)。(2x/yM+O2=(2/yMx O y , G0M (1 氧勢(shì)圖上位置高 (2x/yN+O2=(2/yNx O y , G0N (2 氧勢(shì)圖上位置低 據(jù)題意:G0N <G0M (1 - (2 得(2x/yM + (2/yNx

2、O y =(2/yMx O y +(2x/yN, G03 (3G03=G0M -G0N >0, 所以熱力學(xué)上,反應(yīng)(3不能向右進(jìn)行, 即在氧勢(shì)圖上位置 高的金屬元素不能還原位置低的氧化物。2. 試推導(dǎo) 1%標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度與純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度的關(guān)系。解:純物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)態(tài)活度 a R,i =Pi /P0, 質(zhì)量 1%標(biāo)準(zhǔn)態(tài)的活度 a %,i=Pi /k%,i,aR,i /a%,i= k%,i / P0= (k%,i /kH,i ( kH,i /P0=X0 i 0 i3. 簡(jiǎn)述分子理論的假設(shè)條件。 解:熔渣的分子理論假設(shè)條件:(1熔渣是由各種電中性的簡(jiǎn)單氧化物分子(FeO CaO MgO Al 2O

3、3 SiO 2 P 2O 5 以及復(fù)雜氧化物分子(CaO·SiO 2 2FeO·SiO 2 CaO·P 2O 5等組成的理想溶液。得 分裝 訂 線 內(nèi) 不 得 答 題自 覺(jué) 遵 守 考 試 規(guī) 則 , 誠(chéng) 信 考 試 , 絕 不 作 弊(2簡(jiǎn)單氧化物分子與復(fù)雜氧化物分子在高溫時(shí)存在化學(xué)反應(yīng)平衡,平衡時(shí)簡(jiǎn)單氧化物分子摩爾分?jǐn)?shù)就是該氧化物的活度。4. 試寫(xiě)出正規(guī)溶液定義。解:正規(guī)溶液定義:過(guò)?；旌蠠岵粸榱?mix H m E 0 ,過(guò)?；旌响貫榱愕娜芤?mix S m E=0叫做正規(guī)溶液。5. 試寫(xiě)出硫容量的一種表達(dá)式。解:當(dāng)氣相分壓小于 0.1Pa 時(shí),硫以硫化 物

4、的形 式存在。硫化物容量表示為 :=2222 32( (2/1%S O S O S a n K p p S w C 當(dāng)體系的氣相分壓大于 0.1Pa 時(shí),渣中硫以硫酸鹽形式存在,定義硫酸鹽的容量 為:2/12/3%22 (=p p p p S w C S O S 6. 簡(jiǎn)述有效邊界層的定義。 答: 當(dāng)流體速度為 u b 的粘性流體繞固體表面流動(dòng)時(shí),由于表面的摩擦作用在固體表面附近會(huì)形成具有很大速度梯度的區(qū)域。在固體表面上流體速度 u x 為零,而在距 固體表面一小距離處,流體速度就等于 99%的流體本體速度 u b 。 這個(gè)區(qū)域叫速度邊 界層,距固體表面這一距離稱為速度邊界層厚度u。當(dāng)含某一組

5、元 A 濃度為 C b 的流體繞固體表面流動(dòng)時(shí),如果由于流體與固體表面含組元 A 的濃度不同,則會(huì)在固體垂直方向建立起濃度梯度。在固體表面上組元 A 的濃度為 C s ,而在距固體表面一小距離處,組元 A 的濃度就降到 99%的流體本體濃度 C b 。 這個(gè)區(qū)域叫濃度邊界層,距固體表面這一距離稱為濃度邊界層厚度c。為了數(shù)學(xué)上的處理方便,將分子擴(kuò)散(D和湍流傳質(zhì)(ED折算成穩(wěn)態(tài)的分子擴(kuò)散,為此由濃度為 C s 的固體表面點(diǎn)作濃度曲線的切線,使之與本體濃度 C b 的延 長(zhǎng)線相交于一點(diǎn), 過(guò)這點(diǎn)作一平行于固體表面的平面, 該平面與固體表面之間的區(qū)域 稱為有效邊界層,其厚度用c表示。7. 對(duì)于諸如“

6、碳氧生成 CO 的反應(yīng)” ,熱力學(xué)計(jì)算表明該反應(yīng)可以發(fā)生,為 什么在單一的鐵液中很難發(fā)生?解:因?yàn)殇撘号c CO 氣泡之間的表面張力存在,導(dǎo)致了剛形成的 CO 小氣泡受到一個(gè)附加壓力 P 附 =2/R。 R 為 CO 小氣泡的曲率半徑。 由于鐵液中碳氧反應(yīng)C+ O=CO 產(chǎn) 生的 CO 壓力遠(yuǎn)小于 CO 小氣泡受到的附加壓力 P 附 , 因此碳氧生成 CO 的反應(yīng)在單一 的鐵液中很難發(fā)生。8. 試寫(xiě)出非均相生核活性孔隙半徑的的最大值的表達(dá)式,討論其與鋼液深度 的關(guān)系,通過(guò)這個(gè)問(wèn)題的討論你對(duì)煉鋼爐型的設(shè)計(jì)有什么啟發(fā)? 解:鐵液在爐壁的潤(rùn)濕情況如果 CO 氣泡能在活性孔隙內(nèi)生成,則活性孔隙內(nèi) CO

7、氣體所受附加壓力 P 附(指向上方應(yīng)大于等于活性孔隙內(nèi) CO 氣體所受鋼液靜壓強(qiáng) P 靜 (指向下方 。P 附 =-rcos 2,r 為活性孔隙半徑,為接觸角。P靜 =gh, 為鋼液密度,h 為鋼液深度。 P附 P 靜,r ghcos 2,活性孔隙半徑的的最大值 rmax =ghcos 2討論: 鋼液深度 h 越大,活性孔隙半徑的的最大值 r max 越小。 實(shí)踐上,很小的活性孔隙半徑很難做成,因此鋼液深度 h 不能太大,煉鋼爐應(yīng)做成比表面積大的,深 度淺的爐子。9. 對(duì)于氣/固反應(yīng)A(g + bB(s = gG(g + sS(s若 B 是球形,試寫(xiě)出其反應(yīng)機(jī)理及每一步的擴(kuò)散流密度(傳質(zhì)通量

8、。 解:反應(yīng)機(jī)理: (1 氣體反應(yīng)物 A (g 通過(guò)氣相邊界層向固體生成物 S (s表面擴(kuò)散,稱為外擴(kuò)散。(As Ab g A C C k J =(2 氣體反應(yīng)物 A (g 通過(guò)固體生成物 S (s層向化學(xué)反應(yīng)界面擴(kuò)散,稱為內(nèi)擴(kuò)散。iAeffA dr dC D J = (3 氣體反應(yīng)物 A (g 在反應(yīng)界面上同固體反應(yīng)物 B (s發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氣體生成物 G (g和固體生成物 S (s,稱為界面化學(xué)反應(yīng)。Ai rea A C k J =(4 氣體生成物 G (g 通過(guò)固體生成物 S (s層向固體生成物 S (s表面擴(kuò)散,稱為內(nèi)擴(kuò)散。iGeffG dr dC D J =(5 氣體生成物 G (

9、g 通過(guò)氣相邊界層向氣相擴(kuò)散,稱為外擴(kuò)散。(Gb Gs g G C C k J =二、熱力學(xué)部分計(jì)算與論述題(共 25分1. (15分高爐渣中(SiO 2與生鐵中的 Si可發(fā)生下述反應(yīng)(SiO 2 + Si = 2SiO(g問(wèn):1800K 上述反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí), SiO 的分壓可達(dá)多少 Pa?已知 渣中(SiO 2活度為 0.09。生鐵中 w C = 4.1%, w Si = 0.9%, Si Si e = 0.109, C Si e = 0.18,Si (l + SiO2(s = 2SiO(gr G =(633000-299.8T JSi (l= Sisol G =(-131500-17.24

10、T J x mol -1解:1 Si(l+SiO2(s=2SiO(g rG0=633000-299.8T2 Si(l= Si(l(鐵液中雜質(zhì)通常以 wi%=1為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)0R,Si(l 0%,Si(lsol G 0=0%,Si(l- 0R,Si(l =-131500-17.24T3 SiO 2(s=(SiO2(s (渣中通常以純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)0R,SiO2(s 0R,SiO2(s sol G =0R,SiO2(s -0R,SiO2(s=0 4 (SiO2(s+ Si(l=2SiO(g 4=1-2-3rG0(4 =(633000-299.8T-(-131500-17.24T =764500-282.5

11、6T=764500-(282.56*1800=255892rG0(4 =-RTlnK=-8.314*1800lnK=-14965.2lnK lnK=-17.1, K=3.746X10-8 (SiO2(s+ Si(l=2SiO(g K=(PSiO(g /P0 2/SiO2%, Si(l SiO2=0.09%, Si(l=wSi%f %,Sif %,Si=fSi Si fSi C,得 分PSiO(g /P0=1.44X10-4 PSiO(g =1.44X10-4 X101325=14.6Pa 2 （15 分）對(duì)于如下三元系相圖，成分為 x 點(diǎn)的液相，用相圖的相關(guān)原理分 析其冷卻過(guò)程，并劃出冷卻曲線

12、。 解： （1）冷卻到液相面時(shí)（成分為 x 點(diǎn)） ，剛析出固相 A。 此時(shí)固相成分點(diǎn)為 A 點(diǎn)，液相成分點(diǎn)(液相點(diǎn)為 x 點(diǎn)， 相數(shù)=2，組分?jǐn)?shù) C=3，自由度 f=C-+1=2。 （2）隨著 A 的析出，液相點(diǎn)沿 Ax 延長(zhǎng)線由 x 向 m 變化，固相點(diǎn)乃為 A 點(diǎn)。相數(shù)=2，組分?jǐn)?shù) C=3，自由度 f=2。 根據(jù)杠桿規(guī)則，固液質(zhì)量之比 Ws/WL=xk/Ax, k 為 xm 之間點(diǎn)。 （3）當(dāng)液相點(diǎn)到達(dá) m,有固相 C 析出。由于此相變放熱，溫度下降變緩。 相數(shù)=3，組分?jǐn)?shù) C=3，自由度 f=C-+1=1。 根據(jù)杠桿規(guī)則，固液質(zhì)量之比 Ws/WL=xm/Ax。 （4）隨著 C 的析出，固

13、相點(diǎn)沿 An 延長(zhǎng)線由 A 向 n 變化，相應(yīng)地液相點(diǎn)沿 mE 延長(zhǎng) 線由 m 向 E 變化。相數(shù)=3，組分?jǐn)?shù) C=3，自由度 f=1。 （5）當(dāng)固相點(diǎn)剛變到 n，相應(yīng)地液相點(diǎn)變到 E。此時(shí)剛析出固相 B，根據(jù)杠桿規(guī)則， 此時(shí)固液質(zhì)量之比 Ws/WL=xn/Ex。相數(shù)=4，組分?jǐn)?shù) C=3，自由度 f=0。 （6）繼續(xù)冷卻，由于自由度 f=0，體系溫度不變。這樣的溫度一直保持到液相完全 消失為止，此時(shí)液相點(diǎn)不存在，固相點(diǎn)為 x 點(diǎn)，相數(shù)=3，組分?jǐn)?shù) C=3，自由 度 f=1。 試卷 第 6 頁(yè) 共 8 頁(yè) 冷卻曲線 得 分 三、動(dòng)力學(xué)部分計(jì)算題（共 16 分） 一個(gè) 30 噸電爐, 鋼水深度 5

14、0cm, 1600°C 時(shí)鋼-渣界面上與鋼渣相平衡 鋼水中金屬錳含量為 0.03%(質(zhì)量分?jǐn)?shù), 氧化期加礦石沸騰時(shí)錳氧化屬于鋼 液邊界層內(nèi)傳質(zhì)控速。 已知鋼液原始Mn為 0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù), 經(jīng)過(guò) 30 分鐘鋼 液中錳含量降至 0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，鋼-渣界面積等于鋼液靜止時(shí)的 2 倍。 （1）寫(xiě)出錳氧化的反應(yīng)步驟； （2）求 Mn 在鋼液邊界層中的傳質(zhì)系數(shù)。 解： （1）金屬 M 氧化的反應(yīng)步驟如下： （1）鋼中錳原子向鋼渣界面遷移 （2）渣中 Fe2+向向鋼渣界面遷移 （3）鋼渣界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng) Mn+（Fe2+）=（Mn2+）+ Fe 2+ （4）生成的 Mn 從界面向渣中遷移 （5）生成的鐵原子從界面向鋼液中遷移 （2） 屬于流動(dòng)體系中同一相內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散問(wèn)題，可用邊界層理論解決。 Mn+（O）=（MnO） t/s C= Mn 0 0.3% 1800 0.06% 靜止時(shí)，設(shè)鋼水鋼渣界面積為 S，鋼水深度為 H=50cm=0.5m 試卷 第 7 頁(yè) 共 8 頁(yè) 沸騰時(shí)，鋼水鋼渣界面積為 S=2S，鋼水深度為 h=25cm=0.25m Mn 的傳質(zhì)僅在鋼水和鋼渣界面邊界層中進(jìn)行，為均相傳質(zhì)。 根據(jù)對(duì)流傳質(zhì)通量公式： （1） J Mn = k d (Mn Mn = V 1 dn Mn = S S dt d Mn d Mn = h dt dt d （2） M