冶金物理化学习题

(2 分)
C Cr Ni aC ： lg fC = eC [%C ] + eC [%Cr ] + eC [% Ni ] ＝ 0.14 × 0.025 ＋ ( － 0.024) × 10 ＋ 0.012 × 9 ＝－
0.1285
aC =0.744×0.025=0.0186
3
(2 分)
9.96 ＝934706－427.38T (2 分) 0.01864 ΔG＝0 时，T＝2187K (2 分) 为了使 Cr10％，Ni9％的不锈钢中碳氧化到 0.025％，熔池温度应在 1914℃以上。(1 分)
2 3
∆G = -218013+136.22T+19.147Tlg
3 a1/ V2 O3 aC /3 a2 V ×1
(2 分)
C Si V P S aC ： lg fC = eC [%C ] + eC [% Si ] + eC [%V ] + eC [% P] + eC [% S ]
＝0.14×4.0＋0.080×0.25＋(-0.077)×0.5＋0.051×0.03＋0.046×0.08＝0.5436 f C =3.496 aC =3.496×4.0=13.984 (2 分)
dn A = k A c A − c* A dt
(
) )
(1 分) (1 分) (1 分)
dn A * = k + c* A − c AB / K dt
(
)
产物从界面扩散速率: J AB =
dn AB = k AB c * AB − c AB dt
(
为了消去界面浓度，将上述各式进行整理，得: 反应物向界面扩散速率:
V Si C P S aV ： lg fV = eV [%V ] + eV [% Si ] + eV [%C ] + eV [% P] + eV [% S ]
＝0.015×0.5+0.042×0.25+(-0.34)×4.0+(-0.041)×0.03+(-0.028)×0.08＝-1.3515 fV =0.0445 aV =0.0445×0.5=0.0223 (2 分) 由熔渣组成计算， nV2O3=25.5/150=0.1700，nFeO=37.5/72=0.5208，nSiO2=15.6/60=0.2600，nTiO2=13.4/80=0.1675， nCaO=0.5/56=0.0089，nMgO=0.5/40=0.0125，nMnO=3.0/40=0.075，nAl2O3=3.0/102=0.0294， nz=1.2441， xV2O3 =0.1366，故 aV2O3 = 0.1366 ×10−7 = 1.366 ×10−8 (5 分)
JA = c A − c* A KA
(1 分)
υA
界面反应速率： 产物从界面扩散速率:
K+
* = c* A − c AB / K
(
) )
(1 分) (1 分) (1 分)
J AB * = c AB − c AB / K Kk AB
(
三式相加得
J A vA J + + AB = c A − c AB / K k A k + Kk AB
2006~2007 学年第一学期期末考试 《冶金物理化学 2》 试卷（B）
标准答案和评分标准
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一、填空题(每小题 2 分，共 20 分) 1. 水煤气反应式为 CO2 + H2 = CO + H2O ，压力对该反应 温度 、 CO 和 压力 H2 没有 / 无 影响。 2. 分解产物有气体的化合物分解需要在一定的 化合物分解，必须把它加热到 沸腾 温度。 、 ，其中 Fe2O3 C 的还原能 3. 冶金过程使用的还原剂主要有 力最强，又称为 万能还原剂 4. 铁氧化物的还原顺序为 Fe2O3 原， FeO 最难还原。 元素或杂质 通过 氧化 固体 C 。 、 Fe3O4 、 FeO ，其中 最容易还 下进行， 实际生产中要使
(1 分)
Байду номын сангаас
七(10 分). 根据双膜理论， 钢液中的[Mn] 氧化生成(MnO)并向熔渣中迁移， 当界面反应速率很快 时，达到稳态的总过程速率为：
v=
LMn 1 1 + k[ Mn ] k( MnO ) ⋅ LMn
w[ Mn ] −
w( MnO )
1. 说明分子项和分母项，以及分母中两项的物理意义； 2 3
三(15 分)． 在电弧炉内用不锈钢返回料吹氧冶炼不锈钢时， 熔池含有 9％Ni， 如吹氧终点碳为 0.025 ％，铬保持在 10％，问吹炼应达到多高的温度？设 PCO=1atm。 已知：4[C]＋Cr3O4(s)＝3[Cr]＋4CO，ΔGθ＝934706－617.22T J/mol 3 4 aCr pCO 解：ΔG＝934706－617.22T+RT ln (2 分) 4 aC
而
(2 分) (2 分)
所以
2 nCO P′ 2 V 40 × 10−3 = CO i = 1.3447 × 105 × = 0.658mol ′ 2 RT nco2 PCO 8.314 × 983
①
又由氧的质量守恒得： nCO + 2nCO2 = 4nFe3O4 =1.0mol 联立①②方程解得 nCO =0.430mol
∆G=934706－617.22T+RTln 四(15 分)．将组成为 4.0％C、0.25％Si、0.5％V、0.03％P、0.08％S 的生铁进行氧化提钒处理， 为使生铁中钒大量氧化而碳不大量氧化， 以便获得含氧化钒高的钒渣和半钢液， 试求提钒的温度 条件。已知钒渣的成分为 25.5％V2O3、37.5％FeO、15.6％SiO2、13.4％TiO2、0.5％CaO、0.5％ MgO、3.0％MnO、3.0％Al2O3。反应 2/3 [V]+CO=1/3(V2O3)+[C] ΔGθ＝-218013+136.22T，假设 γ V2O3 = 10−7 。 解： 2/3 [V]+CO=1/3(V O )+[C] ΔGθ＝-218013+136.22T
5. 氧化熔炼是把粗金属中过多的或超过产品金属允许含量的 作用 分离除去。
6．已知 CaCO3 分解的分解压 logPCO2＝－8908/T＋7.53，高炉中某区域炉气中的 CO2 为 18％， 总压为 1.15atm，则在该区域内，石灰石分解的开始温度为 1084K ,沸腾温度为 1192K 。 7. 炼钢脱磷反应的分子方程式为： 2[P] + 3(CaO) + 5(FeO) = (3CaO.P2O5) + Fe ，离子方程式为 2[P] + 8(O2-) + 5(Fe2+) = 2(PO43-) + 5[Fe] 8. 脱硫的热力学条件是 高温 、 9. 钢液脱氧的类型主要有 。 、 低氧化性 。 沉淀脱氧。
高碱度
沉淀脱氧 和 扩散脱氧 ，用脱氧剂脱氧属于
10. 未反应核模型中， 半径为 r0 的矿球的还原度 R 和穿透度 f 与反应界面处的矿球半径 r 的关系 分别为 R=1-(r/r0)3 和 f= 1-(r/r0) 。 (每小题 2 分，根据空格数每空为 0.5 或 1.0 分) 二(15 分)．将 0.25mol Fe3O4 和 1.2mol 的固体碳放入体积为 40×10-3m3 的真空反应器内，抽去空 气后加热到 710℃进行还原反应。求(1) 气相组成？(2) 反应器内总压力？(3) 反应器内未反应残 留总碳量？ 已知 C＋CO2＝2CO ΔGθ＝172130－177.46T 解：(1)气相由 CO、CO2 组成； 平衡时必然存在反应：C＋CO2＝2CO ΔGθ＝172130－177.46T＝－RTlnK，
LMn >> k[ Mn ] / k( MnO ) 时，哪一个环节为限制性环节？总速率方程可简化成什么形式？如果 LMn LMn << k[ Mn ] / k( MnO ) 时，哪一个环节为限制性环节？总速率方程可简化成什么形式？
当反应过程处于稳定态时， J A = υ A = J AB = v 即
υ=
υ
1 k A
1 1 1 + + k A k + Kk AB

= c A − c AB / K
(l 分)
(1 分)
c A − c AB / K 1 1 + + k + Kk AB
Cr C Ni aCr ： lg f Cr = eCr [%Cr ] + eCr [%C ] + eCr [% Ni ] ＝－0.0003×10＋(－0.12)×0.025＋0.0002×9＝－
0.0042
(2 分) f Cr =0.996 (2 分) f C =0.744
aCr =0.996 ×10=9.96
(1.366 ×10−8 )1/ 3 ×13.984 ∆G = -218013+136.22T+8.314Tln ＝－218013＋129.05T 0.02232 / 3 ×1 ΔG＝0 时，T＝1689K (2 分)
(2 分)
五(15 分)．为使温度为 1600℃，含碳量为 0.06％的钢液氧量下降到痕迹量(0.0007％)，需加入多 少铝？如改用真空脱氧，需用多大的真空度？ 已知：2[Al]＋3[O]＝Al2O3(s) ΔGθ＝-1218799+394.13T [C]＋[O]＝CO ΔGθ＝-22363-39.63T 解：1)铝脱氧的反应为：2[Al]＋3[O]＝Al2O3(s) ΔGθ＝-1218799+394.13T 脱氧剂消耗于使钢液中氧下降到 0.0007％，并保持与 0.0007％氧平衡； 1600℃时，设碳氧浓度积为 0.0025，则与 0.0625％碳相当的氧量为 0.0025/0.06=0.042％。 (2 分) 由 2[Al] ＋ 3[O] ＝ Al2O3(s) 2×27 3×16 x 0.042-0.0007=0.0413 (2 分) 54 × 0.0413 降低上述氧量消耗的 Al 量＝ =0.0465% (1 分) 3 × 16 又与 0.0007％氧平衡的 Al 为： [% Al ]2 [%O]3 = K Al = 4.0 × 10−14 (2 分) 故 [% Al ] = 4.0 ×10−14 / 0.00073 = 1.08 ×10−2 ， (1 分) 因此，需加入的 Al＝(0.0465＋0.0108)×1000/100＝0.573kg/t。 (1 分) 2) 改用真空脱氧时，所需真空度 [C]＋[O]＝CO ΔGθ＝-22363-39.63T PCO＝KC[%C][%O] KC＝494 (2 分) [%O]＝0.0007 [%C]＝0.06－0.0413×12/16＝0.0290 (2 分) ’ PCO＝494×0.0007×0.0290＝0.010atm ，PCO ＝1013 Pa，即为所求真空度。 (2 分) 六(10 分). 根据稳定态原理，建立反应 A(g) + B(s) = AB(g) 的总速率方程 v 的表达式。设 A 的相
所以 ln
2 PCO ∆Gθ 172130-177.46 × 983 = ln K = − =− =0.283 PCO2 RT 8.314 × 983
(2 分) (2 分)
故
2 PCO P ′2 =1.327，所以 CO = 1.327 × (1.01325 ×105 )=1.3447 × 105 Pa ′2 PCO2 PCO 2 2 ′2 nCO PCO i RT / V nCO RT = = i ′2 PCO nco2 nco2 V
nCO2 =0.285
②
(1 分)
P′ =1.63atm Pθ
(2 分)
P总 =
(2) n = nCO + nCO2 =0.715mol， P′ =
nRT =1.65 ×105 Pa V
(2 分)
(3) 残碳量为： nC − nCO − nCO2 = 1.2-0.715 = 0.485mol
(2 分)
* 内浓度为 c A ，界面浓度为 c * A ，AB 的相内浓度为 c AB ，界面浓度为 c AB ，A 的传质系数为 k A ，AB
的传质系数为 k AB ，界面反应正反应速率常数为 k + ，平衡常数为 K 。 解： 根据稳定态原理，影响反应速率的三个环节: 反应物向界面扩散速率: J A = 界面反应速率: υ A = −