冶金热力学及动力学习题和答案.docx
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冶金热力学及动力学习题和答案
冶金热力学及动力学第一次作业及答案
一、填空题
1、黑色金属指______________三种金属。
铁、铬、锰
2、钢铁冶金一般分为三个工序，即______、_______和___________。
炼铁、炼钢、二次精炼
3、对于任一反应，若∆G<0，则反应能________向进行。
正
4、对于任一反应，若∆G>0，则反应________向进行。
逆
5、对于任一反应，若∆G=0，则反应达到_____________。
平衡
6、对于某化学反应，若v=kCAaCBb，则该反应的总级数为________。
a+b
7、边界层理论认为，流体在相界面上流动时，出现______边界层、_______边界层和_______边界层。
速度，温度，扩散
8、气体在固体表面的吸附分为_________吸附和_________吸附。
物理，化学
9、气体在固体表面吸附时，主要被吸附到固体表面的__________。
活性点
10、气-固相间的反应动力学模型有__________模型和____________反应模型。
未反应核，多孔体积
11、反应产物在均匀相内形核，称为______形核，在异相界面上形核称为______形核。
均相，异相
12、气体在金属中是以___________溶解的。
单原子
13、工业纯铁的熔点是_______K，化学纯铁的熔点为_______K。
1803，1811
14、在浓度三角形中，平行于任意一边的平行线上的各物系点，所含对应顶角组分的浓度_____________。
相同
15、浓度三角形中有两个物系点M和N组成一个新的物系O，则O点必定落在_____连线上。
MN
16、熔渣的离子结构理论认为，熔渣是由________组成的。
离子
17、按照氧化物的酸碱性不同，CaO、FeO、MgO等属于__________氧化物。
碱性
18、按照氧化物的酸碱性不同，SiO2、P2O5、Fe2O3属于___________氧化物。
酸性
19、Al2O3属于_________氧化物。
两性
20、某二元渣系含CaO和SiO2的质量分数为60%和40%，则此熔渣的二元碱度为________。
21、已知K2O中K的电负性为0.8，则K2O的理论光学碱度为_______。
二、名词解释
1、亨利定律：
当溶液组分B的浓度趋近于零（XB→0）的所谓稀溶液中，组分B的蒸气压与其浓度成线性关系：
PB=KH（X）XB，这一关系称为稀溶液的亨利定律。
2、扩散通量：
单位时间内通过单位截面积的物质的量。
3、对流传质：
在流动的体系中的扩散。
4、速率限制环节：
当串联反应中有一个或多个环节进行得较快，而仅有一个环节进行最慢时，则这一环节就是整个反应过程的限制者，或称为速率限制环节。
5、粘滞现象：
在流动的液体中，各层的定向运动速度并不相等，相邻层间发生了相对质量的运动，各层间产生了摩擦力，力图阻止这种运动的延续，流体的流速因而简慢，这就是黏滞现象。
6、炉渣的碱度：
是碱性氧化物的质量分数与酸性氧化物的质量分数之比。
7、炉渣的硫容量：
炉渣容纳或吸收硫的能力。
4、三、简答题
1、简述拉乌尔定律的内容。
答：
在溶液中当组分B的浓度XB→1时，它的蒸气压与其浓度成线性关系：
PB=P*BXB，这一规律称为拉乌尔定律。
2、钢铁冶金中通常选用的活度的三种标准态是什么？
答：
（1）以纯物质为标准态；
（2）以假想的纯物质为标准态；（3）以质量分数为1%的溶液为标准态
3、多相反应发生在相界面上，多相反应有哪几个环节？
答：
（1）反应物对流扩散到反应界面上；
（2）在反应界面上进行化学反应；
（3）反应产物离开反应界面向相内扩散。
4、什么是多孔体积反应模型？
答：
反应的气体向孔隙度高的矿球内扩散的同时，在孔隙内发生了化学反应，即扩散和化学反应同时进行。
5、过渡族元素（Mn、Ni、Co、Cr、Mo）在铁液中的溶解和存在形式？
答：
这些元素在高温下的晶格和δFe的晶格大致相同，而且它们的原子半径和铁原子半径又相差很小，所以能在铁液中无限溶解，与铁液互溶，以阳离子的金属键结构，形成置换式溶液，溶解焓ΔH（B）≈0,与铁液形成近似的理想溶液。
6、简述气体溶解的平方根定律。
答：
在一定温度下，双原子气体在金属中的溶解度与该气体分压的平方根成正比，这称为气体溶解的平方根定律。
7、N、O、S和Cr、Si、Mn、P、C对铁液的黏度有什么影响？
答：
N、O、S能提高铁液的黏度，而Cr、Si、Mn、P、C降低铁液的黏度。
8、简述熔渣的分子结构理论。
答：
熔渣的分子结构理论认为熔渣是由各种分子组成的理想溶液，这些分子有的是简单氧化物（也叫自由氧化物）或化合物，如CaO、MgO、SiO2等，有的是由这些简单氧化物形成的复合化合物，只有自由氧化物才具有化学反应能力，参加化学反应。
四、计算题
1、利用化合物的标准生成吉布斯自由能∆fG⊙m，计算下列反应的∆rG⊙m及平衡常数。
TiO2（s）+3C（石）=TiC（s）+2CO（g），已知：
∆fG⊙m（TiO2-1
∆fG⊙m-1,
∆fG⊙m-1
解：
∆rG⊙m-1
lgK⊙-1
2、用线性组合法求下列反应的∆rG⊙m：
Fe2SiO4（s）+2C（石）=2Fe（s）+SiO2（s）+2CO
已知：
FeO（s）+C（石）=Fe（s）+CO∆rG⊙m-1
2FeO（s）+SiO2（s）=Fe2SiO4（s）∆rG⊙m-1
解：
∆rG⊙m-1
3、轴承钢的成分为w[C]=1.05%、w[Si]=0.6%、w[Mn]=1.0%、w[P]=0.02%、w[S]=0.02%、w[Cr]=1.10%,计算1873K，钢液中硫的活度系数及活度。
已知：
ess=-0.028,eSis=0.063,eCs=0.11,eMns=-0.026,ePs=0.029,eCrs
解：
fs=1.30,as
4、计算成分为ω（CaO）=47%，ω（MgO）=14%，ω（SiO2）=18%、ω（Al2O3）=5%、ω（CaF2）=14%、ω（MnO）=0.2%、及ω（FeO）=1.8%的炉渣的光学碱度和硫容量，温度为1873K。
已知：
CaO、MgO、SiO2、Al2O3、CaF2、MnO、FeO的光学碱度分别为1.00、0.78、0.48、0.605、0.2、0.59和0.51。
解：
Λ×10-3
-1，两者的接触角α=35o，求钢-渣的界面张力，并确定此种还原渣能否在钢液中乳化？
解：
σ-1,S=-0.107<0,此种还原渣不能在钢液中乳化。
因素
1.离心泵的安装高度与什么因素有关？
吸入管路的直径、长度、弯头数量、截止阀
2.影响浸出速度的因素:
粒度、温度、浸出剂浓度、矿物的离解程度和固体产物层。
浸出速度随矿石粒度减小而增加；
浸出过程受搅拌速度控制；
浸出速度随温度升高而加快；
浸出速度随浸出剂浓度的增加而加快；
浸出速度随矿浆密度减少而增加；
浸出速度受到浸出产物影响。
3.影响离子交换扩散速度的因素：
1.树脂的交联度越大，网孔越小，则内扩散越慢。
2.树脂颗粒越小，由于内扩散距离缩短和液膜扩散的表面积增大，使扩散速度越快。
3.溶液离子浓度是影响扩散速度的重要因素，浓度越大，扩散速度越快。
4.提高水温能使离子的动能增加，水的粘度减小，液膜变薄，这些都有利于离子扩散。
5.交换过程中的搅拌或流速提高，使液膜变薄，能加快液膜扩散，但不影响内孔扩散。
6.被交换离子的电荷数和水合离子的半径越大，内孔扩散速度越慢。
4.干燥速率与哪些因素有关？
自身性质、物料的含水特性、干燥条件、干燥的操作水平和临界湿度
5.影响沉降速度的因素：
干扰沉降、端效应、分子运动、颗粒形状的影响、连续介质运动
6.影响悬浮液沉降分离的的因素：
温度、浓度、密度、粒度、悬浮液特性
7.颗粒扩散为控制步骤时的影响因素：
树脂颗粒的大小、树脂的性质、温度、交换离子的性质
炉子结构
1.高炉本体：
炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉
2.高炉结构：
高炉本体、装料、上料、送风、煤气除尘、铁渣处理、喷吹系统
3.鼓风炉由炉基、炉底、炉缸、炉身、炉顶、支架、鼓风系统、水冷或汽化冷却系统、放出熔体装置和前床等部分组成。
4.瓦纽柯夫炉内分为熔炼室、铜锍室和渣池三个部分。
5.奥斯麦特炉与艾萨炉的基本结构：
炉壳、炉衬、炉底、炉墙、炉顶、喷枪、喷枪夹持架及升降装置、加料装置、上升烟道及产品放出口。
1.离心泵的性能参数：
流量、扬程、有效功率和效率
散料输送设备
1.有色金属散料的特点：
（1）粒度大小不一，有大块，有粉料
（2）含水范围广，有的是浓泥浆，有的不含水
（3）黏度大（如烟尘或浓泥）
（4）温度较高（如烧结块温度高于400℃）
2.冶金散料输送的特点：
（1）输送、给料的设备类型多，输送线路复杂
（2）高温燃料及时输送
（3）必须避免环境污染和保证操作人员的身体健康
3.冶金散料输送设备的选择：
有色金属冶金块状散料采用机械输送，而粉状散料则采用皮带输送和气力输送。
4.气力输送：
（1）按气源的动力学特点：
吸气输送和压气输送
（2）按气流中固体颗粒的浓度：
稀相输送、浓相输送、超浓相输送。
（后两者是气力输送的最好方式）
浓相输送（靠静压力输送）
超浓相输送：
继皮带输送、稀相输送、斜槽输送后发展起来的一项粉体输送技术
液体输送设备
1.离心泵的主要性能参数：
流量、扬程、有效功率、效率
2.“气缚”：
由于空气密度很小，所产生的离心力很小。
此时，在吸入口处形成的真空不足以将液体吸入泵。
虽启动离心泵，但不能输送液体。
3.“气蚀”：
当气泡在金属表面附近凝聚而破裂时，液体质点如同无数小弹头连续打击在金属表面，在压力很大，频率很高的连续冲撞下，叶轮很快就被冲蚀成蜂窝状或海绵状。
（降低安装高度）
4.压缩机：
膨胀——吸气——压缩——排气
混合与搅拌设备
1.搅拌与混合的目的：
2.
（1）制备均匀混合物：
如调和、乳化、固体悬浮、捏合以及固体混合；
3.
（2）促进传质：
如萃取、溶解、结晶、气体吸收等；
4.（3）促进传热：
搅拌槽内加热或冷却。
5.搅拌方式及原理：
（1）气体：
气体喷响或喷入熔池造成金属液的运动，形成金属液环流
（2）机械：
通过浸入到液体中旋转的搅拌器来实现液体的循环流动，均匀混合，反应速度的加快以及反应效率的提高。
（3）电磁搅拌：
一个载流的导体处于磁场中，就受到电磁力的作用而发生运动。
6.浸出：
化学、物理浸出
（1）浸出过程因素：
①反应速率②试剂消耗③固液分离④能耗
（2）浸出速度因素：
粒度、温度、浸出剂浓度、矿物的离解度、固体产物层
7.浸出方法：
（1）使用的浸出剂：
酸法、碱法、水浸、细菌浸出
（3）按固液相接触方式：
渗滤浸出、拌酸熟化、流态化、搅拌
（4）按工作压力：
高压、常压
5.流型：
（1）切向流（平行流）：
垂直方向混合效果不好
（2）轴向流：
与搅拌轴平行方向流动
（3）径向流：
延半径方向运动，然后向上、向下输送
6.气体搅拌装置：
帕秋卡槽（矿浆搅拌槽）
固液分离设备
1.固体颗粒的物理性质：
颗粒大小、颗粒形状、颗粒密度与堆密度
2.球形度：
与该颗粒等积的球体表面积与该物质的表面积之比
3.絮凝剂：
无机、天然有机高分子、合成有机高分子、生物絮凝剂
4.悬浮液的分离：
（1）沉降分离：
颗粒相对于流体运动的过程。
（目的：
浓缩。
澄清）
（2）过滤：
流体相对于固体颗粒床层运动而实现固液分离的过程。
（3）离心分离
5.影响沉降速度的因素：
干扰沉降、端效应、分子运动、颗粒形状的影响、连续介质运动
6.影响悬浮液沉降分离的因素：
温度、浓度、密度、粒度、悬浮液特性
7.过滤：
重力、加压、真空、离心过滤
8.滤饼：
过滤的阻力主要取决于滤饼的厚度及其特性
9.助滤剂：
减少可压缩滤饼的流动阻力
萃取与离子交换设备
1.萃取的基本参数：
相比R、萃取因素e、萃取率q、分离系数βA/B（数值越大或越小，两溶质越容易分离）
2.交联度：
交联剂与单体质量比的百分数（数值越大，扩散越慢）
3.离子交换树脂：
由高聚物骨架和联结在骨架上的可交换基组成
4.离子交换产品的型号由3位阿拉伯数字组成，第一位代表产品的分类；二位代表骨架的差异；三位为顺序号，用于区别基因、交联剂的差异
蒸发和结晶设备
1.单效蒸发：
若将蒸汽直接冷凝，而不利用其冷凝热的操作
2.多效蒸发：
将第二次蒸汽引到下一蒸发器作为加热蒸汽，以利用其冷凝热
并流（顺流）、逆流、平流、错流（混流）加料法
3.结晶：
从溶液、蒸汽或熔融物质中析出晶体状态的固体物质
包括成核、长大
4.过饱和度：
过饱和溶液与饱和溶液间的浓度差。
（过饱和度是结晶过程必不可少的推动力）
电解与电积设备
火法冶炼采用电解精炼，湿法采用电解沉积
1.两者的工艺参数：
电流密度、电解时间、电解温度、电解液的流速及浓度
2.金属的钝化：
当电位增加到一定数值后，电流密度突然急剧减小
3.电极过程中：
阴极析氢、阳极析氧
4.阳极钝化：
失去活性和活动能力（失去被熔解的能力）
除钝化：
①火法精炼尽可能除杂②控制适当电解液成分和温度
③适当增加电解液的循环速度④使用精化剂
5.阳极效应：
阳极周围电弧光耀眼，伴有声响，阳极停止沸腾。
（阳极气体阻断了电解质与阳极的接触）
6.电解槽的槽体普遍采用钢筋混凝土，必须进行妥当测防腐处理
7.锌电解沉积：
焙烧——浸出——净化——电积。
（随着过程的进行，电解液中锌含量不断减少，硫酸含量不断增加）
8.
（1）烧板：
阳极析氧，阴极析氢
（2）极间短路：
阳极和阴极板无气泡放出
（3）正常电极：
阳极析氧，阴极无气泡
9.熔盐电解：
添加剂（降低初晶温度）
干燥设备
1.需要干燥的物料：
（1）原料（精矿）
（2）半产品（冰铜、烟尘）
（3）产品（氢氧化铝）
2.去湿方法：
机械去湿——离心过滤；吸附去湿——干燥剂；供热干燥——供热以汽化水分
3.湿空气的温度：
（1）干球温度
（2）露点温度
（3）绝热饱和温度
（4）湿球温度
4.水分与物料的结合方式：
（1）化学结合水分
（2）吸附水分
（3）毛细管水分
（4）溶胀水分
5.平衡水分：
物料在一定的干燥条件下，能够用干燥方法除去所含水分的极限值。
6.自由水分：
在干燥操作中能除去，多于平衡水分
7.影响干燥速率的因素：
物料自身性质、物料的含水特性、干燥条件、干燥的操作水平和临界湿度
8.干燥特性曲线：
（1）预热阶段
（2）恒速阶段：
物料含水量迅速恒速下降
（3）降速阶段：
干燥率逐渐降
（4）平衡阶段：
物料的含水量和干燥率不再变化
焙烧与烧结设备
2.焙烧的影响因素：
①气体成分和浓度②气体的运动特性③温度④物料的物化性质
3.根据工艺目的：
氧化、盐化、还原、挥发、烧结焙烧
4.盐化焙烧：
硫酸化、氯化、苏打焙烧；还原焙烧：
磁化焙烧
5.焙烧技术：
固定床、移动床、流态化和飘悬焙烧
6.烧结机：
干燥——预热——焙烧——均热——冷却
——回转窑：
链篦机——干燥、预热、脱水；回转窑——高温焙烧；冷却机—冷却
熔炼设备
1竖炉：
（1）结构简单，投资少
（2）热效率高，操作维修方便
（3）因料柱高，气流阻力大，风机电耗大
（4）易造成球团焙烧固结不均匀
（5）单炉生产能力小，对原料适应性差
2.高炉本体：
炉缸、炉腹、炉腰、炉身、炉喉
3.高炉的炉衬及冷却装置：
高炉冷却系统是确保高炉正常生产的关键装置
4.发展方向：
①高炉大型化、矮胖型②高压操作③综合鼓风、高风温、富氧鼓风
④技术装备现代化⑤高炉控制智能化⑥高炉长寿化
5.鼓风炉：
热效率高、单位生产率大、金属回收率高、成本低、占地面积小。
制备粗金属，脱硫率高；能耗较高，焦炭用量大
6.传统冶金原理——流体流动，传质，传热，化学反应（简称三传一反）
问答题
奥斯麦特炉与艾萨炉的工作原理
埃斯麦特法及艾萨法与其他熔池熔炼一样，都是在熔池内的熔体-炉料-气体之间造成强烈的搅拌与混合，大大强化热量传递，质量传递和化学反应速率，以便在燃料需求和生产能力方面产生较高的经济效益。
与浸没侧吹的诺兰达法不同，奥斯麦特法与艾萨法的喷枪竖直浸没在熔渣层内，喷枪结构较为特殊，炉子尺寸比较紧凑，整体设备简单。
奥斯麦特炉与艾萨炉的基本结构：
炉壳、炉衬、炉底、炉墙、炉顶、喷枪、喷枪夹持架及升降装置、加料装置、上升烟道及产品放出口。
奥斯麦特炉与艾萨炉的主要特点
奥斯麦特炉与艾萨炉熔炼速度快；生产率高；建设投资少，生产费用低；原料适应性强；与已有设备配套灵活、方便；操作简便，自动化程度高；燃料适应范围广；有良好的劳动卫生条件。
但是炉寿命较短；喷枪保温要用柴油或天然气，价格较贵。
实用性:
电解、电积和融盐电解的特点和实用性特点:
（1）都是离子在电场作用下的电化学反应，都遵循法拉第定律；
（2）水溶液电解是靠水的极化使金属盐形成离子，熔盐电解是靠高温使金属盐形成离子；
（3）电解是火法冶炼的最后工序；电积是湿法冶炼的最后工序；熔盐电解是活泼金属冶炼的最后工序；
（4）都需要槽面作业，保证电解液正常循环，保证不短路、不断路，按正常周期装槽和出槽；
（5）电积时阳极上放出气体，阳极不溶解；电解时阳极溶解，阳极上不放出气体；都有阳极泥产生。
（1）电解、电积和熔盐电解的槽电压依次增高，电解过程消耗的能量也一样。
故能用电解就不用电积，能用电积就不用熔盐电解；
（2）对实际析出电位比氢的实际析出电位更负的金属，必须用熔盐电解。
焙烧：
焙烧是物料在适宜的气氛和熔点以下加热，使原料中的目的组分发生物理和化学变化的过程，它的目的在于改变物料的化学组成和物理性质，以便于下一步处理。
使原料中的某些难溶目的矿物转变为易于溶出的化合物；除出有机质或某些含杂质的组分的矿物转变为难于浸出的形态；改善被浸物料的结构、构造。
为多相化学反应，由气体的扩散和吸附-反应两个步骤来控制。
影响因素有：
气体成分和浓度、气体的运动特性、温度以及物料的物理及化学性质（如粒度、孔隙度、矿物组成和化学组成等）。
焙烧过程一般能耗高、不易控制、劳动条件差、环境污染、投资经费高。
例题：
一直径为1.0mm，密度为2500kg/m3的玻璃球在20℃的水中沉降，试求其沉降终速。
解：
已知条件：
20℃水的密度ρ=998.2kg/m3，μ×10-3Pa·s
dp=1×10-3m，ρs=2500kg/m3
（1）假设流形为层流
校核Re：
（2）显然，颗粒沉降不在层流区域，再假设在过渡流区域沉降，则：
校核Re：
例6-1用5%TBP煤油溶剂，按相比
逆流萃取分离钍铀，已知料液成分U3O8为10g/dm3，ThO2170g/dm3，D=3，求欲使残液中U3O8达0.00642g/dm3，需要几级萃取？
解：
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