冶金原理复习.docx

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冶金原理复习

第一篇冶金熔体

第一章冶金熔体概述

1.什么是冶金熔体？

它分为几种类型？

在火法冶金过程中处于熔融状态的反应介质和反应产物（或中间产品）称为冶金熔体。

它分为：

金属熔体、熔渣、熔盐、熔锍。

2.何为熔渣？

简述冶炼渣和精炼渣的主要作用。

熔渣是指主要由各种氧化物熔合而成的熔体。

冶炼渣主要作用在于汇集炉料中的全部脉石成分，灰分以及大部分杂质，从而使其与熔融的主要冶炼产物分离。

精炼渣主要作用是捕集粗金属中杂质元素的氧化物，使之与主金属分离。

3.什么是富集渣？

它与冶炼渣的根本区别在哪里？

富集渣：

使原料中的某些有用成分富集与炉渣中，以便在后续工序中将它们回收利用。

冶炼渣：

汇集大部分杂质使其与熔融的主要冶炼产物分离。

4.试说明熔盐在冶金中的主要应用。

在冶金领域，熔盐主要用于金属及其合金的电解生产与精炼。

熔盐还在一些氧化物料的熔盐氯化工艺以及某些金属的熔剂精炼法提纯过程中广泛应用。

第二章冶金熔体的相平衡图

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：

A10%，B70%，C20%；

Y：

A10%，B20%，C70%；

Z：

A70%，B20%，C10%；

若将3kgX熔体与2kgY熔体和5kgZ熔体混合，试求出混合后熔体的组成点。

2.下图是生成了一个二元不一致熔融化合物的三元系相图

（1）写出各界限上的平衡反应

（2）写出P、E两个无变点的平衡反应

（3）分析下图中熔体1、2、3、4、5、6的冷却结晶路线。

3.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？

答：

1背向规则2杠杆规则3直线规则4连线规则

5三角形规则6重心规则7切线规则8共轭规则等

第三章冶金熔体的结构

1. 熔体远距结构无序的实质是什么？

2. 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。

3. 简述熔渣结构的聚合物理论。

其核心内容是什么？

第四章 冶金熔体的物理性质

1.什么是熔化温度？

什么是熔渣的熔化性温度？

解：

熔化温度是指由其固态物质完全转变成均匀的液态时的温度。

熔渣的熔化性温度是指黏度由平缓增大到急剧增大的转变温度。

2.实验发现，某炼铅厂的鼓风炉炉渣中存在大量细颗粒铅珠，造成铅的损失。

你认为这是什么原因引起的？

应采取何种措施降低铅的损失？

解;当金属熔体与熔渣接触时，若两者的界面张力太小，则金属易分散于熔渣中，造成有价金属的损失，只有当两者的界面张力足够大时，分散在熔渣中的金属微滴才会聚集长大，并沉降下来，从而与熔渣分离。

造成该厂铅损失的原因是因为鼓风炉炉渣与铅熔体两者界面张力太小，采取的措施为调整炉渣的组成。

第五章 冶金熔体的化学性质与热力学性质

1.某工厂炉渣的组成为：

44.5%SiO2，13.8%CaO，36.8%FeO，4.9%MgO。

试计算该炉渣的碱度和酸度。

原子量：

Mg24Si28Ca40Fe56Mn55P31Zn65

解：

R=（Wcao+WMgo）/WSIO2=（13.8+4.9）/44.5=0.42

r=∑Wo（酸性氧化物）/∑Wo（碱性氧化物）

=Wo（sio2）/[Wo（CaO）+Wo（MgO）+Wo（FeO）]

=（44.5*32/60）/（13.8*16/56+36.8*16/71.8+4.9*16/40）

=1.68

2.什么是熔渣的碱度和酸度？

碱度——熔渣中主要碱性氧化物含量与主要酸性氧化物含量（质量）之比，用R（B、V）表示。

当R>1，呈碱性。

R<1，呈酸性

酸度——熔渣中结合成酸性氧化物的氧的质量与结合成碱性氧化物的氧的质量之比，一般用r表示。

一般说来，酸度小于或等于1的渣属于碱性渣。

3.已知某炉渣的组成为（WB/%）：

CaO20.78、SiO220.50、FeO38.86、Fe2O34.98、MgO10.51、MnO2.51、P2O51.67，试用四种不同的碱度表达式计算该炉渣的碱度。

原子量：

Mg24Si28Ca40Fe56Mn55P31Zn65

1）R=Wcao/WSIO2=20.7/20.5=1.01

2）对于Al2O3或MgO含量较高的渣

R=Wcao/（WSIO2+WAL2O3）R=（Wcao+WMgO）/（WSIO2+WAL2O3）

此题中无Al2O3，仅MgO含量较高，

故R=（Wcao+WMgO）/WSIO2=（20.78+10.51）/20.50=1.53

3）对于含P2O5较高的渣

R=Wcao/（WSIO2+WP2O3）=20.78/（20.50+1.67）=0.94

4）一般炉渣，既要考虑CaO和sio2对碱度的影响，也要考虑其他主要氧化物如MgO、MnO、P2O5、Al2O3等对碱度的影响

R=（Wcao+WMgo+WMNO）/（WSIO2+WAL2O3+WP2O3）

=（20.78+10.51+2.51）/（20.50+0+1.67）=1.52

利用CaO-Al2O3-SiO2系等溶度曲线图求1600℃时组成为（WB%）CaO26、sio243、MgO4、Al2O320、P2O57的熔渣中SiO2和Al2O3的活度

解：

设熔渣为100g,则有

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

P2O5

WB（g）

26

43

4

20

7

MB

56

60

40

102

142

Nb（mol）

0.464

0.717

0.1

0.196

0.049

Xb

0.304

0.470

0.066

0.128

0.032

由表中数据可得

∑xCaO=x（CaO+MgO）=0.370

∑xSiO2=x（SiO2+P2O5）=0.502

xAl2O3=0.128

由CaO-Al2O3-SiO2等活度曲线图查得：

аSiO2=0.2+0.2/5=0.24

аAl2O3=0.03+0.02/3=0.037

第二篇冶金过程的热力学基础

第六章概述

1.已知反应Ni（CO）4（g）=Ni（s）+4CO（g）的

=133860-368.1TJ·mol-1

试求：

（1）标准状态下，分别在300K和400K时能否利用上述反应制取金属镍；

（2）在400K时反应进行的限度及当开始时Ni（CO）4（g）的分压为Pθ，并设分解反应过程中总体积不变，求Ni（CO）4（g）的分解率；

（3）分析进一步提高转化率的途径。

第七章 化合物生成—分解反应

1．已知反应Li2CO3（l）=Li2O（s）+CO2的

=325831-288.4T J·mol-1（1000~1125K）

试求：

（a）其分解压与温度的关系；

（b）当气相

和总压分别为0.2

和

时，计算其开始分解温度和化学沸腾温度。

（c）将1molLi2CO3置于容积为22.4L的密闭容器中控制温度为700℃求Li2CO3的分解率。

2．已知反应LaN（s）=La（s）+

N2的

=301328-104.5T KJ·mol（298~1000K）

试求 1000K时LaN的分解压。

3．试根据式ΔfG*（MeO）=RTlnPO2（MeO）－RTlnPθ说明氧化物的氧势

中

项的物理意义。

4．试解释氧势图上Na2O、MgO的

-T线上各转折点的原因。

5．试计算碳酸镁在空气中的开始离解温度和化学沸腾温度。

已知：

MgO+CO2=MgCO3

（T）=-110750.5+120.12T,J

6.已知反应2Al（l）+

O2=Al2O3（s）的

为

=-1680685+321.3TJ·mol-1（923-1973K）

求1900K时Al2O3的分解压。

第八章热力学平衡图在冶金中的应用

1．说明电势-pH图中a线和b线的意义，为什么在Au-H2O中（没有配合物CN-存在）不能控制电势在Au3+的稳定区内，从而使Au浸出进入溶液。

2．某物料的主要组分为CuO和FeO在浸出过程中采取什么措施可使两者分离。

第九章 还原过程

1．求碳气化反应在1273K，总压为2×105Pa时气相CO的平衡浓度。

解：

C（s）+CO（g）=2CO（g）

ΔrGm0=170707-174.47TJ/mol

根据上式得，1273K时

LgKP0=（-170707+174.47T）/19.147T

=（-170707+174.47*1273）/19.147*1273=2.109

KP0=128.4

代入下式

Pco/P0==√[（KP02/4）+KP0*P/P0]-KP0/2

=√[（128.42/4）+128.4*2*105/101325]=1.970

φCO=[-KP0/2+√[（KP02/4）+KP0*PC/PO0]*P0*100%

=（197*1.01325*105*100%）/（2*105）=98.5%

2.用硅热还原法按下反应制取金属镁

  2MgO（s）+Si（s）=2Mg（g）+SiO2（s）

已知上反应

=610846-258.57TJ·mol-1

要求还原温度为1300℃，求应保持的真空度。

解：

反应ΔrGm=ΔrGm0+2RTLn（P/P0）

=610846-258.57+38.294TLg（P/P0）

当t=1300℃，ΔrG=0时

Lg（P/P0）=（-610846+258.57*1573）/（1573*28.294）=-3.89

（P/P0）=4.087*10-4P=41.4Pa

3.根据氧势图估算Cu2O、NiO、Fe2O3（还原成Fe3O4）在1273K时用CO+CO2混合气体还原时，气相平衡ΦCO/ΦCO2的比值。

4.利用铝在真空下还原氧化钙，其反应为：

6CaO（s）+2Al（l）=3Ca（g）+3CaO·Al2O3（s）  

=659984-288.75T J·mol-1

求：

（a）如使反应能在1200℃进行，需要多大的真空度？

（b）如采用1.33Pa的真空度，求CaO被Al还原的开始温度；

（c）在同样的真空度（1.33Pa）下，按下反应进行还原:

3CaO（s）+2Al（l）=3Ca（g）+Al2O3（s）  

=703207-261.94T 

试估计复杂化合物的形成对还原的作用。

解：

①根据等温方程，有ΔrGm0=-RTln（Pca/P0）3=-3RTln（Pca/P0）

ln（Pca/P0）=（659984-288.75T）/3*8.314T

当T=1200+273=1473K时

ln（Pca/P0）=-6.38→Pca/P0=0.001695

Pca（g）=0.01695*101325=171.76Pa

故真空度为172Pa

②Pca（g）=10Pa

Ln（10/101325）=11.58-26460.7/T→T=1272K

当真空度为10Pa时，CaO被铝还原的开始温度为1272K（999℃）

③根据等温方程

有ΔrGm0=-RTln（Pca/P0）3=-3RTln（Pca/P0）

703207-261.94T=-3*8.314Tln（Pca/P0）

T=1429.3K

从上可得知

1：

对产生气体产物的热还原过程而言，降低系统压强相应地降低生成物的气态产品的蒸汽压，将有利于还原反应，即降低了还原反应的开始温度

2：

生成复杂化合物，降低了还原产物的活度，有利于提高还原效果，即在相同的还原效果下，降低了还原反应的开始温度，在此题中生成复杂化合物与未生成复杂化合物相比，温度下降了430.3℃

第十章高温分离提纯过程

1．已知Sn-Cd合金含Cd1%（质量），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33.3kPa，Sn的饱和蒸气压为1.3×10-6Pa。

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；βcd/sn

解：

sn-cd合金中各物质的摩尔分数（以100g即）

Xsn=（99/118.7）/[（99/118.7）+（1/112.4）]=0.989

Xcd=（1/112.4）/[（99/118.7）+（1/112.4）]=0.011

Pcd=P[cd]**Xcd*γcd=33.3*0.011*2.26=0.83Pa

Psn=P[sn]**Xsn=1.5*10-6*0.989=1.286*10-6Pa

Pcd/Psn=ncd/nsn=0.83/1.286*10-6=6.45*105

βcd/sn=6.45*105/（0.011/0.989）=5.8*107

2．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。

解：

（1）降低蒸馏温度；

（2）采用真空蒸馏

3.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。

第三篇冶金过程的动力学基础

1.使用收缩核模型的前提条件是什么？

2.试分析可以采取哪些措施强化浸出过程？

3.什么是速度限制步骤？

溶液的热力学性质

1．试述以1%溶液标准态时，当实际溶液浓度为1%，在什么条件下，其活度才为1？