冶金物理化学答案

一、解释下列概念（每题5分，共20分）

1、扩散脱氧：在炼钢过程中，根据分配定律钢液中的[O]向熔渣中扩散，而与加入渣相中的脱氧元素进行的脱氧反应称为扩散脱氧。

2、炉渣：炉渣是火法冶金中以氧化物为主要成分形成的多组分熔体，是金属提炼和精炼过程中除金属熔体以外的另一产物。

3、硫容量：炉渣容纳或溶解硫的能力，即CS?(%S)?(PO2/PS2)1/2。

4、偏摩尔量：在恒温、恒压及其他组分的物质的量保持不变的条件下，溶液的广度性质X（X代表U、H、V、S、G）对其组分摩尔量的偏微商值。

二、简答题（共60分）

1、简述热力学计算中活度标准态之间的转换关系。

答：（1）纯物质标准态活度与假想纯物质标准态活度之间的转换：

aB[R]aB[H]?pB/pBpB/KH(x)*?KH(x)p*B?rB0故aB[R]?rBaB[H]

0（2）纯物质标准态活度与质量1%溶液标准态活度之间的转换：

aB[R]aB[%]?pB/pBpB/KH(%)*?KH(%)pB*?MAB100M?KH(x)pB*?MAB100M?rB

0（3）假想纯物质标准态活度与质量1%溶液标准态活度之间的转换：

aB[H]aB[%]?pB/KH(x)pB/KH(%)?KH(%)KH(x)?MAB100M

2、简述炉渣氧化脱磷的热力学条件。 答：由炉渣脱磷反应可知：

LP?(%P2O5)[%P]2?KP(tO)(êO)f542P?FeO??CaO?CaP2O954

由上述公式可知，为使脱磷反应进行完全，必要的热力学条件是： （1） 较高的炉渣碱度； （2） 较高的氧化铁含量； （3） 较低的熔池温度；

大渣量。

3、铁氧化物被CO还原的顺序是什么？写出反应方程式（配平）。

答：氧化铁被CO还原在570℃以上及其下有不同的转变顺序，因此氧化铁还原是逐级的，反应如下：

t?570Co3Fe2O3(s)?CO?2Fe3O4(s)?COFe3O4(s)?CO?3FeO(s)?COFeO(s)?CO?Fe(s)?CO222

2t?570Co3Fe2O3(s)?CO?2Fe3O4(s)?CO14Fe3O5(s)?CO?34Fe(s)?CO2

4、正规溶液的定义及其热力学特征。

答：混合焓不为零，但混合熵等于理想溶液混合熵的溶液称为正规溶液。

正规溶液的热力学特征为： ?Hm?0,

5、简述双膜传质理论的基本要点。 答：双膜传质理论的基本要点如下：

（1）在两个相（液-液、气-液）的相界面两侧都有一层边界薄膜，这层薄膜对物质从一相进入另一相建立了基本的传质阻力。

（2）在两层薄膜之间的界面上处于动态平衡。 （3）每相中组元的扩散质流（j）

j?kl?Cl?Ci?

?Sm??Sm(R)??R?xilnxi

或 j?kg?pi?pg? ，kg?pgRT?g其中：kl?Dl?l

（4）薄膜中的流体是静止不动的，不受流体体内流动状态的影响，各相中传质独立进行，互不影响。

6、不锈钢冶炼时Cr和C存在选择性氧化，怎样才能做到“去C保Cr”？

答： 不锈钢冶炼时有如下反应：

4[C]?(Cr3O4)?3[Cr]?4COKp?G0?934706?617.22T?aCrpCOaC434

根据对上述反应的分析可知：

（1）“去C保Cr”的最低温度是钢液中[Cr]与[C]氧化的转化温度，提高熔

池温度，使反应?G0?0，则反应向[Cr]还原方向进行，达到去C保Cr。

（2）降低pCO，可在?[Cr]不变时，降低?[C]，达到去C保Cr。

07、从氧势图上（?G?T）可以得到哪些信息？

0答：（1）?G0?T的关系是直线，直线的斜率是氧化物生成反应熵的负值（-?S反）。

01）当反应的?S反为负值时，直线的斜率为正，表明氧化物的稳定性随温度

升高而减小（或氧化物的氧势随温度升高而升高）。

02）当反应的?S反为正值时，直线的斜率为负，表明氧化物的稳定性随温度

升高而增大（或氧化物的氧势随温度升高而降低）。

03）当反应的?S反接近于零时，直线的斜率趋于零，表明氧化物的稳定性不

随温度而改变（或氧化物的氧势不随温度而改变）。

（2）在已知温度和气相中氧的压力时，可以确定金属或氧化物的稳定性。 （3）可以求氧化物在某温度的分解压。

（4）在指定的温度下可以比较各种氧化物的相对稳定性。 （5）可以确定CO/CO2或H2O/H2混合气对金属的氧化还原作用。

8、叙述氧气转炉吹炼过程脱碳速度的变化情况，并写出相应的关系式。 答：氧气转炉脱碳过程可以分为三个阶段：

（1） 吹炼初期因钢水中硅含量很高，而钢水温度较低，以硅的氧化为主，而脱

碳反应受到抑制，硅的氧化速度由快变慢，而脱碳速度由慢到快，最后达到最大值；

（2） 在吹炼中期，随着钢水温度上升，钢水中的碳以极大的速度转移到点火区，

供给的氧气几乎100%消耗于脱碳，因此脱碳速度始终保持最高水平，几乎为定值；

（3） 吹炼后期，脱碳反应继续进行，但随着钢水中含碳量的减少，脱碳速度也

随着钢水中的碳含量减少不断降低。

因此，整个脱碳过程中脱碳速度变化的曲线形成为台阶形。 各阶段的脱碳速度可以写出以下关系式： 第一阶段：?第二阶段：?第三阶段：?d[C]dtd[C]dtd[C]dt?k1t?k2

?k3[C]

其中：k1——决定于[Si]及熔池温度等因素的常数； t ——吹炼时间；

k2——高速脱碳阶段由氧气流量所确定的常数；

k3——碳含量减低后，脱碳反应受碳的传质控制时，由氧流量、枪位等决定的常数。

三、计算题（四选二，共20分）

1、试确定原始组成为50%CO、20%O2、30%CO2的混合气体燃烧后的气相组分的浓度。（10分）

解：取100m3的混合气体为计算基础。 该体系内的反应为：2CO+O2=2CO2

可知CO与O2反应的摩尔量比为2：1。因此20m3的O2和40m3的CO反应，形成40m3的CO2，而原始组成中50m3CO中，剩余10m3CO，而氧气则全部反应。

故平衡气相的总体积为：10m3CO+70m3 CO2。 因此，燃烧后的气相平衡成分为： CO=10/80×100%=12.5% CO2=70/80×100%=87.5%

2、在1540℃时，Fe-C系内碳的溶解度为5.2%，加入硅2%后，碳的溶解度下降

Si到4.6%。求铁液内硅对碳的相互作用系数：eC。（10分）

解：铁液中碳的溶解反应为：C石?[%C]饱

反应的平衡常数K?a[C]。

标准态相同时，Fe—C系和Fe—C—Si系的平衡常数应相等。 即：fCCfCSi[%C]Si?fCC[%C] fCSi?[%C][%C]Si?5.2/4.6?1.13

假定在0~2%Si浓度范围内，lgfCSi?[%Si]成线性关系，可得：

eSiC??lgfCSi?[%Si]??lgfCSi?[%Si]?lg1.132?2.65?10?2

3、在1873K时与纯氧化铁渣平衡的铁液的氧的质量分数为0.211％。与组分为ω（CaO）=39.18%，ω（MgO）=2.56%，ω（SiO2）=39.76%，ω（FeO）=18.57%的熔渣平衡的铁液的氧的质量分数为0.048%。试计算熔渣中FeO的活度及活度系数。（10分）

解：氧在熔渣与铁液间的反应为： ?FeO??[O]?[Fe]

根据上述反应可知，氧以不同形式在铁液与熔渣间的分配常数为：

LO?aOaFeO

aOLO故得：aFeO?

由题可知，对于纯氧化铁渣有：

LO?aOaFeO?0.2111?0.211

与熔渣平衡的铁液则有：

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