中南大学冶金原理题库

中南大学冶金原理题库 第一篇 冶金熔体 第一章 概述

1．什么是冶金熔体？它分为几种类型？

2．何为熔渣？简述冶炼渣和精炼渣的主要作用。

3．什么是富集渣？它与冶炼渣的根本区别在哪里？

4．试说明熔盐在冶金中的主要应用。

5．熔锍的主要成分是什么？

6．为什么熔盐电解是铝、镁、钠、锂等金属的惟一的或占主导地位的生产方法？

第二章 冶金熔体的相平衡

1．在三元系的浓度三角形中画出下列熔体的组成点，并说明其变化规律。

X：A 10%，B 70%，C 20%；

Y：A 10%，B 20%，C 70%；

Z：A 70%，B 20%，C 10%；

若将3kg X熔体与2kg Y熔体和5kg Z熔体混合，试依据杠杆规则用作图法和计算法求出混合后熔体的组成点。

2．试找出图2-44所示的三元系相图中的错误，说明原因并更正。

3．图2-45是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图

（1）写出各界线上的平衡反应；

（2）写出P、E两个无变点的平衡反应；

（3）分析熔体1、2、3、4、5、6的冷却结晶路线。

4．某三元系相图如图2-46中所示，AmBn为二元不一致熔融化合物。试分析熔体1、2、3的冷却结晶过程。

5．图2-47为生成一个三元化合物的三元相图，

（1）判断三元化合物N的性质；

（2）标出边界线的温度降低方向；

（3）指出无变点K、L、M的性质，写出它们的平衡反应；

（4）分析熔体1、2的冷却过程。

6．试分析图2-23熔体3、4、5、6的冷却过程。

7．试根据CaO-SiO2-A12O3系相图说明组成为（wB / %）CaO 40.53，SiO2 32.94，A12O3 17.23，MgO 2.55的熔渣冷却过程中液相及固相成分的变化。

8．试根据图2-30绘制CaO- A12O3- SiO2三元系1500°C时的等温截面图。

9．给出CaO-SiO2-FeO系相图中1500°C的等温截面图，标出各相区内的相平衡关系。组

成为（wB / %）CaO 45、SiO2 25、FeO 20的熔渣在此温度下析出什么晶相？怎样才能使此熔渣中的固相减少或消除?

10．假定炉渣碱度为= 2。在1600°C下，当渣中含FeO 58%（wB）时，炉渣是否全部处于液态？如果炉渣碱度不变，因脱碳反应渣中FeO含量降至20%（wB），在此温度下熔渣中是否有固相析出？若有固相析出，试确定其组成。

11．根据CaO-SiO2-FeO系相图，指出下列组成（wB / %）的熔体冷却时，首先析出什么物质？冷却结晶结束后的固相物质是什么？

（1）CaO 15、FeO 25、SiO2 60； （5）CaO 10、FeO 55、SiO2 35；

（2）CaO 60、FeO 10、SiO2 20； （6）CaO 20、FeO 45、SiO2 35；

（3）CaO 5、FeO 80、SiO2 15； （7）CaO 30、FeO 65、SiO2 5；

（4）CaO 40、FeO 40、SiO2 20； （8）CaO 75、FeO 10、SiO2 15。 12．如何正确判断无变点的性质？它与化合物的性质和界线的性质有何联系？如果某三元系中只生成了生成一致熔融化合物，该体系中有可能出现转熔点吗？

13．在分析三元系相图时，用到过哪几个规则？试简述这些规则并用图表示之。

14．试用几何方法证明浓度三角形的等比例规则。

15．试说明绘制三元系状态图的等温截面图的主要步骤。

16．在进行三元系中某一熔体的冷却过程分析时，有哪些基本规律？

第三章 冶金熔体的结构

1．试分析Ba-O、Al-O键的性质。

2．计算CaO、MgO、FeO、MnO、ZnO、Cr2O3、TiO2、P2O5等氧化物中Me-O键的离子键分数，并比较这些氧化物离解为简单离子的趋势。

3．已知熔渣成分为（xB / %）MnO 20、CaO 50、SiO2 30。试分别用捷姆金和弗鲁德理想离子溶液模型计算渣中MnO的活度。

4．某炉渣的成分为（wB / %）FeO 13.3、MnO 5.1、CaO 38.2、MgO 14.7、SiO2 28.1、P2O5 0.6。分别用捷姆金和弗鲁德理想离子溶液模型计算渣中FeO的活度。

5．已知K11=0.196。利用马森模型计算= 0.2的PbO-SiO2二元熔体中PbO的活度。

6．如何判断离子熔体中阳离子与阴离子间作用力的大小？

7．为什么对于同一种金属，其低价氧化物呈碱性而高价氧化物呈酸性？

8．金属的熔化熵和熔化热远小于其蒸发熵和蒸发热，这说明液态金属在什么方面更接近于固态金属？为什么？

9．熔体远距结构无序的实质是什么？

10．试比较液态金属与固态金属以及液态金属与熔盐结构的异同点。

11．熔盐熔化时体积增大，但离子间的距离反而减小，为什么？

12．简述熔渣结构的聚合物理论。其核心内容是什么？

13．熔体的聚合程度是如何表示的？它与熔体结构有何关系？

14．简要说明硅酸盐熔渣中桥氧、非桥氧和自由氧的关系？

15．试简要说明当硅酸盐熔渣的O/Si比逐渐增大时，熔体中自由氧的含量、低聚物数量和NBO/T值的变化趋势。

16．捷姆金理想离子溶液模型通常只对强碱性渣有较好的适用性，为什么？ 第四章 冶金熔体的物理性质

1．利用 CaO-FeO-SiO2系熔渣的等密度曲线图（图4-8）说明CaO含量一定时FeO含量对熔渣密度的影响。

2．试利用熔渣的等粘度曲线图（图4-12）估计组成为（wB / %）CaO 38.0、SiO2 38.39、

A12O3 16.0、MgO 2.83的高炉渣在1500°C时的粘度。如果将温度提高到1900°C，此熔渣的粘度降低到多大?

3．试利用加和性规则计算1400°C时，组成为（wB / %）CaO 35、SiO2 50、A12O3 15的高炉渣的表面张力，并与由等表面张力曲线图所得的结果（图4-23）进行比较。

4．用加和性规则计算1400°C时，组成为（wB / %）CaO 30、SiO2 20、FeO 50的炉渣的表面张力，并与根据图4-24的等表面张力曲线图所得的值进行比较。

5．试计算800°C的铝液、1200°C的铜液和1650°C的铁液的粘度。有关数据见下表： 金属

熔点 / °C h / 10-3Pa·s Ah / 10-3Pa·s Eh / kJ·mol-1 Al 660 1.18 0.1492 16.5 Cu 1084 4.10 0.3009 30.6 Fe 1536 4.95 0.3699 41.4

6．实验测得组成为（wB / %）：CaO 42.5、SiO2 42.5、MgO 9.5、A12O3 5.5的熔渣在不同温度下的粘度如下表。试求出粘度与温度的指数方程及粘流活化能。 t / °C 1300 1350 1400 1450

1500

h / Pa·s 1.63 1.34 1.09 0.91 0.75

7．某熔渣的组成为（wB / %）：CaF2 80、CaO 10、A12O3 10。实验测得此熔渣在不同温度下的电导率如下表所示，试求出电导率与温度的关系式及电导活化能。 t / °C 1500 1550 1600 1650 1700 1750

k / 10-2S·m-1 3.155 3.508 3.873 4.256 4.656 5.070 8．高炉低钛渣的成分为（wB / %）：TiO2 2.0、CaO 46.11、SiO2 35.73、MgO 3.99、A12O3 9.99。用毛细管法测得渣中硫的扩散系数如下表： t / °C 1350 1400 1450 1500 1550

D / 10-9m2·s-1 1.69 2.42 3.40

的 T 求：（a）温度对铌中残余氧含量的影响；（b）计算1500K、2000K时残余氧含量

9．试根据图7-2分析1800℃时用镁作还原剂还原TiO2制取金属钛的可能性。

第十章 高温分离提纯过程

1．已知反应 4[C] + （Cr3O4） = 3[Cr] + 4CO的 J·mol-1

现金属炉料的成份w[Cr] = 18% Cr，w[Ni] = 9%Ni，w[C] = 0.35%，进行氧化精炼，系统中，求[Cr]和[C] 氧化的转变温度，以纯物质为标准态时，Cr3O4的活度视为1。（[Cr]、[C]表示钢中溶解度的Cr和C）。

2．已知下反应的标准吉布斯自由能变化

2Cu(l) + O2 = Cu2O(s) （1） T J·mol-1

Co(s) + O2 = Co （2） T J·mol-1

求1200℃时用氧化精炼法从铜中除钴时，最终含钴量（设CoO、Cu2O、Cu均为单质，Co在铜中的活度系数参见表10-3）。

3．试计算熔渣成分（摩尔分数）为x(CaO + MgO + MnO) = 50%，，，=25%时，1600℃下钢液中含w[C] = 2%，求钢液中残留的硅浓度。

（已知反应2[C]+[SiO2]=[Si]+2CO的=519303—291.6T J·mol-1 ）

4．粗铜中含杂质硫，加入O2使之氧化成SO2除去，已知铜液中反应2[O] + [S] = SO2(g)的 T J·mol-1

（[O]、[S]均以符合享利定律、质量浓度为1%的假想溶液为标准态）。

求1200℃下，当w[O]保持1%，气相=101Pa时，液铜中残留的硫量。

5．已知Sn-Cd合金含 w[Cd] = 1%，在955K时Cd在Sn中的活度系数为2. 26(纯物质为标准态)，Cd的饱和蒸气压KPa， Sn的饱和蒸气压为Pa。 求：（a）955K时上述合金中Cd的蒸气压；（b）气相中镉与锡的摩尔比；

（c）。

6．为提高蒸馏精炼的效果，从热力学上分析，你认为可采取什么措施。

7．温度为800K下，用氧化精炼法按下反应从粗铅中除锡

[Sn] + 2PbO(s) = 2Pb(l)+SnO2(s)

已知800K时反应 J·mol-1 J·mol-1

同时已知800K时，Sn在Pb中=2. 3。 求：（a）不加添加剂时，除Sn的限度；

（b）设加入NaOH作为熔剂，使熔渣中SnO2活度降为10-5（以纯物质为标准态），求除Sn限度。

8．已知Cu2S，SnS的与温度的关系分别为：

Cu2S J·mol-1

SnS J·mol-1

同时已知280℃时Cu在Sn中的溶解度w[Cu] = 3%，求在280℃锡加硫除铜时，铜的最小含量。

9．试分析熔析精炼与区域精炼在原理和工艺上的共同点及不同点。

第十一章 湿法分离提纯过程

1．综合掌握离子交换过程、萃取过程中分配比D熔渣还原过程中分配比L，氧化精炼过程中分配比L’及熔析精炼过程和区域精炼过程中分配比K的概念。

2．综合掌握离子交换过程、萃取过程、蒸馏过程中分离因数βA/B的概念。

3．设LiCl溶液中含少量杂Ca2+、pH值为2，可用什么方法分离，请拟定简单的分离方案。

4．试述离子交换过程及阳离子交换的萃取过程的基本原理。

5．影响离子交换过程中相对选择性的因素主要有哪些？

6．离子的相对选择系数、分配比和分离因素？它们之间有什么关系？

7．试分析络合剂在离子交换过程中的作用，如何利用络合剂提高离子交换过程中的分离因

素？

8．溶液中含Fe2+2g.l-1;Cu2+4g.l-1;Ni4g.l-1,试拟定分离方案？

9．试根据表11-3计算在25℃, ph=9，用Mg(OH)2除溶液中AsO43-, PO43-时，溶液中残留的AsO43-, PO43-浓度

10．已知C6H5COOH在水及苯中的分配比如下（20℃）：

0.289 0.195 0.150 0.098 0.079 g/100cm3

9.70 4.12 2.52 1.05 0.739 g/100cm3

试从热力学角度解释这些数据的计算结果。

11．为了将氯化铜(Cu2+)溶液变为硫酸铜(Cu2+)溶液，试问可采取哪些方法？并加以简要说明。

12．试述胺盐萃取过程的机理。 第三篇 冶金过程的动力学基础

第十三章 冶金过程的气(液)/固相反应动力学

1、铁钒精矿球团在1123K用CO还原。通过减重法测得还原深度 R与还原时间 t 的关系如下表：

t /min 10 20 30 40 50 60 70

R /% 12 23 32 40 46 52 59

试判断还原反应的速率限制步骤。

2、使用7.11mol/L的硫酸浸出钛铁矿。铁的浸出率 R 与浸出时间 t 的关系如下表所示。试判断浸出反应的速率限制步骤，并计算浸出反应的活化能。 T / °C t / min 20 30 40 50

60 70 80 95 9.40 13.31 17.80 21.91 25.55 30.01 33.78 100 10.79 16.77 23.43 28.13 31.00 36.29 40.54 105 12.50 19.85 26.25 31.87 38.14 41.68 45.74 110 15.41 23.14 29.77 35.86 42.06 47.71 52.60 118 19.84 31.08 40.24

47.17 55.55 60.57 65.11

3、试绘出完整的气/固反应模型示意图，说明反应包括哪几个环节，写出各环节分别为速率限制步骤时的速率方程。

4、某片状矿物呈现强烈的各向异性，在浸出时浸出反应只在如图的环面上进行，而上下两平面呈惰性。假定浸出反应受化学反应步骤控制，试导出浸出反应的动力学方程。

5、使用收缩核模型的前提条件是什么？

6、试分析可以采取那些措施强化浸出过程？

7、如何判断气/固反应的速度控制步骤？

8、如果被浸出颗粒为单一粒度、正立方体，浸出剂大大过量以至浸出过程中浓度几乎不变，那么在表面化学反应控制和生成物膜扩散控制条件下的动力学方程是什么？

9、有人实验测得FeCl3浸出黄铜矿时的表观反应活化能为87kJ/mol，而浸出闪锌矿的表观反应活化能为63kJ/mol。根此，某同学说因为浸出闪锌矿的的活化能数值小，所以其速度较快。此结论正确否？

第十四章 冶金过程的液(气)/液相反应动力学

1、双膜模型示意图如教材图14-1所示。在A相强烈搅拌的条件下，A的传质速度足够快而不成为速率限制步骤。试推导反应的动力学方程。（提示：反应受界面化学反应及B相的扩散步骤控制）。

2、双膜理论模型中两流动相间的界面为的平面界面，设想萃取时有一有机相浸没在水相中并呈球形，并假设其萃取反应远离平衡，你能否推导出萃取反应的动力学方程？如果推导出来了，请比较与气（液）反应的收缩核模型有何异同。

3、要增加萃取过程的速度，有那些可能的措施？ 第十五章 结晶过程

1、在某一温度下，实验测得一水溶液中沉淀过程的沉淀率 r 与沉淀时间 t 的关系如下：

t /min 10 20 30 40 50 60 70

r /% 0.4 6.5 27.0 63.2 92.3 99.0 100

试求此沉淀过程的动力学方程，并初步判断其成核机理。

2、简述在沉淀结晶过程中，如何控制粒度大小？

3、有人想借用Avrami方程描述浸出过程的动力学，能不能呢？ 第十六章 电极过程动力学

1．什么叫做极化？试比较原电池和电解池中的极化作用，各有什么特点？ 2．已知当Zn2+的活度为1时，为-0.76V，在酸性溶液中，进行阴极极化，电极电势为-0.90V，试根据表16-4的数据求极化电流。

3．在某电解锌厂中，每个电解槽每昼夜生产锌250kg，28个电解槽串联成一个系列。通过此系列的电流为9000A，系列的电压降为96V。已知锌的电积反应Zn2+ + H2O=Zn+O2+2H+，在该厂生产条件下的=384.38 kJ·mol-1。求（1）金属的电流效率；（2）电能效率。

4．在镍的电解精炼中，阳极是含镍80%（原子）的Cu-Ni合金，而阴极为纯镍。设合金为理想溶液。求25℃下的可逆电动势。

5．溶液中含有活度均为1的Zn2+和Fe2+离子，已知氢在铁上的超电压为0.40V，如要使离子析出次序为Fe、H2、Zn，已知=-0.44V，=-0.763V。问25℃时溶液的pH值最大不超过多少？在此最大pH值的溶液中，H+开始放电时，Fe2+浓度为多大？

6．什么是交换电流密度，分析其大小与电极可逆程度的对应关系。

7．阳离子同时放电的基本条件是什么？

8．将理论分解电压、超电压、析出电位、实际电解电压用示意图或相互关系式表示出他们之间的联系。

9．列出铜的可溶阳极电解和不可溶阳极电解的阳极反应式，并指出哪种电解方式的槽电压低。

10．已知25℃时V，铂电极上H+/H2电极交换电流密度i0 = 0.79mA·cm-2，反应，z =1，H+的传递系数a = 0.5。问在含有Cd2+（a =1）和H+(a =1)的溶液中，需要多大电流密度才能使Cd2+在Pt电极上析出？

11．25℃时，由的溶液中以DK = 70A·m-2的速度沉积Cu，在电子转移步骤控制整个电极过程速度的情况下，求得塔菲尔公式中b = 0.06V，i0 = 1A·m-2，问阴极电势是多少？ 附录 溶液的热力学性质

1．已知30℃时某NaOH溶液的密度为1.30，wNaOH = 28%，求NaOH的质量摩尔浓度。

2．已知955K时纯镉的饱和蒸气压为，Cd-Sn合金中Cd的蒸气压如下表，并已知按亨利定律计算w[Cd] = 1%时，其蒸气压为0.78Kpa，求表中不同浓度下，分别以纯物质为标准状态

及质量浓度“1%标准态”时镉的活度和活度系数。

浓 度 wCd/% 1 20 40 60 100 xCd 0.0106 0.21 0.42 0.61 1.00

PCd/KPa 0.800 14.66 24.00 30.66 33.33

3．有人说“质量1%标准态”就是以质量浓度为1%的实际溶液为标准态，这种说法是否正确？为什么？

4．试述采用“质量浓度1%标准态”时，当实际溶液浓度w为1%，在什么条件下，其活度才为1？

5．试利用表3中的数据计算奥式体中C的活度aH和a%。

6．试根据表10-3的数据求1200℃温度下铝及铁溶于铜中形成质量1%浓度时的标准溶解吉布斯自由能变化。

7．试计算1600℃时，组成w[S]=0.05%，w[Si]=1%，w[C]=5.0%，w[Mn]=2%的生铁中S的活度系数。

8．试从理论上证明有溶液中组分参加反应时，虽然反应的标准吉布斯自由能因标准态的选择而不同，但平衡浓度相同。

9．已知1600℃时铁液中，，试计算锰及铜溶解于铁中的标准吉布斯自由能变化（按“质量1%标准态”）。

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