中南大学冶金原理题库.docx

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中南大学冶金原理题库

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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：

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/%）CaO40.53，SiO232.94，A12O317.23，MgO2.55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/%）CaO45、SiO225、FeO20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FeO58%（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）CaO15、FeO25、SiO260；（5）CaO10、FeO55、SiO235；

（2）CaO60、FeO10、SiO220；（6）CaO20、FeO45、SiO235；

（3）CaO5、FeO80、SiO215；（7）CaO30、FeO65、SiO25；

（4）CaO40、FeO40、SiO220；（8）CaO75、FeO10、SiO215。

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/%）MnO20、CaO50、SiO230。

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/%）FeO13.3、MnO5.1、CaO38.2、MgO14.7、SiO228.1、P2O50.6。

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/%）CaO38.0、SiO238.39、A12O316.0、MgO2.83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/%）CaO35、SiO250、A12O315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/%）CaO30、SiO220、FeO50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/%）：

CaO42.5、SiO242.5、MgO9.5、A12O35.5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/%）：

CaF280、CaO10、A12O310。

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/%）：

TiO22.0、CaO46.11、SiO235.73、MgO3.99、A12O39.99。

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

4.69

6.35

试求硫的扩散系数与温度的关系式及扩散活化能。

9．根据CaO-A12O3-SiO2系熔渣的等粘度曲线图（图4-12）讨论碱度分别为0.2和1.0时，增大A12O3含量对熔渣粘度的影响，并解释其原因。

10．什么是熔化温度？

什么是熔渣的熔化性温度？

11．何为表面活性物质？

哪些元素是铁液的表面活性物质？

12．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？

第五章冶金熔体的化学性质与热力学性质

1．一工厂炉渣的组成为（wB/%）：

SiO244.5、CaO13.8、FeO36.8、MgO4.9。

试计算该炉渣的碱度和酸度。

2．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。

3．利用CaO-SiO2-A12O3系等活度曲线图求1600°C时组成为（wB/%）：

CaO26、SiO243、MgO4、Al2O320、P2O57的熔渣中SiO2和Al2O3的活度。

4．利用CaO-SiO2-A12O3系等活度曲线图求1600°C时，碱度为1、SiO2含量为30~60（wB/%）的熔渣中SiO2的活度，绘出SiO2活度与其含量的关系图。

5．已知某熔渣的组成为（wB/%）：

CaO35、SiO220、FeO20、Fe2O34、MgO5、MnO8、P2O58。

试利用CaO-FeO-SiO2系等活度曲线图求1600°C时渣中FeO的活度及活度系数。

6．已知某熔渣的碱度为2.5、xFeO为15%。

试利用CaO-FeO-SiO2系等活度曲线图求1600°C时此熔渣中FeO的活度及活度系数。

7．什么是熔渣的碱度和酸度？

8．熔渣的氧化性是如何表示的？

9．熔渣的氧化性主要取决于渣中碱性氧化物的含量，这种说法对吗？

为什么？

10．为什么可以用全氧化铁量表示熔渣的氧化性？

利用第1题的数据计算全氧化铁量。

11．什么是硫容？

为什么硫容可以表示熔渣吸收硫的能力？

12．为什么熔渣中的硫可以使硅酸盐熔渣中的硅氧阴离子解聚？

第二篇冶金过程的热力学基础

第七章化合物的生成-分解反应

1．已知反应

Cd+O2=CdO（s）J·mol-1（1000~1379K）

反应Pb（l）+O2=PbO（s）J·mol-1（760~1400K）

试绘出其氧势线并比较CdO与PbO的相对稳定值。

2．试根据氧势图分析分别在1000℃和1800℃在标准状态下将MgO还原成金属镁时，可供选择的还原剂和600℃时将金属锌氧化成ZnO可供选择的氧化剂。

3．试根据图7-2估算1073K时，当系统中分别为10-3，101，103时，系统中的值。

4．试参照本书对图7-2标尺的解释方法对该图的标尺进行解释。

5．试解释氧势图上Na2O、MgO的-T线上各转折点的原因。

6．现要求在CO2-CO混合气体中在1600℃下将铁氧化，试根据图7-2找出气相中必要的比值。

7．试根据氯势图分析在标准状态下用氢作还原剂，可将那些氯化物还原，金属锰能否将TiCl4还原得金属钛。

8．试根据图7-2估算1073K时，当系统中分别为10，103，105时系统的值。

9．已知Ti-O系的平衡图如图7-10，试分析1200℃时系统中氧的分解压与成分的关系。

10．试根据式7-4说明氧化物的氧势中项的物理意义。

11．已知反应Li2CO3（l）=Li2O（s）+CO2的

=325831-288.4TKJ·mol-1（1000~1125K）

试求：

（a）其分解压与温度的关系；

（b）当气相和总压强分别为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。

12．已知反应LaN（s）=La（s）+N2的

=301328-104.5TKJ·mol（298~1000K）

试求1000K时LaN的分解压。

13．已知2000K时，当气相氮分压为0.13Pa时氮在金属铌中的溶解度为1.12mol%，求同温度下，氮分压为为130Pa时，氮在铌中的溶解度。

14．为了除去氩气中的O2，将氩气通入600℃的盛有铜屑的不锈钢管中，利用铜吸收O2，试求（a）设过程达到到平衡，计算经过上述处理后，氩气中氧的平衡分压；（b）如果将炉温分别提高到900℃或下降到400℃，试问Ar中氧含量各有何变化？

（注Cu2O的J·mol-1）

15．图7-2中反应2CO+O2=2CO2的氧势线与2H2+O2=2H2O的氧势线交于810℃，试分析当温度分别高于810℃、等于810℃，低于810℃时，在标准状态下，下反应的进行方向

2H2O（g）+2CO（g）=2CH2（g）+2CO2（g）

第八章热力学平衡图在冶金中的应用

1．已知Nb2O5在1000K时与Cl2作用能生成NbCl4、NbCl5、NbOCl3等气态化合物，1000K温度下Nb2O5（s）、NbCl4（g）、NbCl5（g）、NbOCl3（g）的标准摩尔吉布斯自由能分别为－2113.8、―989.50、―1211.36、―1164.80KJ·mol-1，试求平衡气相成份与、的关系。

2．已知下列反应的标准吉布斯自由能变化与温度的关系为：

Cu2O（s）=2Cu（s）+O2TJ·mol-1

2CuO（s）=Cu2O（s）+O2-112.75TJ·mol-1

注：

为了简化，方程式已作直线化处理。

试以和1/T为坐标，绘制Cu-O系的热力学平衡图，并进行分析说明。

（温度范围取400~1200K）。

3．试根据本章中有关的热力学平衡图分析将硫化矿分别进行氧化焙烧、硫酸化焙烧及直接熔炼制取金属时原则上应控制的条件。

4．已知25℃时Cd-H2O系中各物质的标准摩尔生成吉布斯自由能如下表，试绘出25℃时，Cd-H2O系的图，并分析制取金属镉及Cd（OH）2时应控制的条件。

物质

Cd

Cd2+

Cd（OH）2

H+

H2O

0

-77.66

-470.08

0

-236.96

5．试根据相律分析在一定温度下Fe-W-Cl-O系平衡图中每一条平衡线上能平衡共存的凝聚态物种数。

6．钛冶金的主要原料是钛铁矿，其分子式是FeO·TiO2，即主要含铁和钛，而且钛和铁按分子结合，为从中回收钛，首先应将铁和钛分离，为探索钛和铁分离的技术方案，人们绘制了1100K时的Fe-Ti-O-Cl系的热力学平衡图（图8-22），根据图你认为在那些条件范围内可使钛、铁分离。

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

8．某硫化物混合矿中含NiS和CuS，试根据图8-20分析，采用什么方法可使镍与铜分离。

9．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？

10．试根据图8-20分析，当ZnS、CuFeS2、NiS、FeS、CuS进行氧化浸出时，25℃下为使硫以元素硫形态产出时，各自所需的条件，在工业上可行的情况下，CuS用O2浸出时，能否得元素硫。

11．试根据图8-9说明ZnO浸出时Zn2+或ZnO22-活度对浸出的影响。

12．试根据图8-11、8-12，从热力学上分析用金属锌作为还原剂，从CuSO4溶液中置换铜是否恰当。

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。

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

3．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。

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）=659984-288.75TJ·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10Pa的真空度，求CaO被Al还原的开始温度；（c）在同样的真空度（10Pa）下，按下反应进行还原。

3CaO（s）+2Al（l）=3Ca（g）+Al2O3（s）=703207-261.94TJ·mol-1

试估计复杂化合物的形成对还原的作用。

5．熔渣中SiO2被碳还原，生成的硅溶解于金属铁液中，20%，fSi=0.333。

试求SiO2开始还原的温度。

（注：

已知反应SiO2（s）+2C（s）=[Si]+2CO（g）J·mol-1PCO=1.5PΘ）

6．试求高炉内1450℃时，与TiC（s）及碳平衡的铁水中钛的溶解度。

已知当铁水中钛和碳均以符合享利定律质量百分浓度为1%的假想溶液为标准态时，[Ti]+[C]=TiC（s），反应的=-153635+57.53TJ·mol-1。

铁水的含碳量为4.3%，其余组成的浓度小于1%，可以不考虑它们对ejTi的影响（铁水中钛的活度系数参见附录一中表5）。

7．向温度为1500℃、含碳量5.1%的铁水中加入CaC2作炉外脱硫处理。

试求脱硫后铁水的最低的含硫量。

已知1500℃时石墨在铁水中溶解度为5.1%，同时已知

CaC2（s）+[S]=CaS（s）+2C=-352794+103.7TJ·mol-1。

C的标准态为石墨，S的标准态为符合享利定律质量浓度为1%的假想溶液。

8．已知金属铌与氧形成固溶体，固溶体中氧的平衡分压（KPa）与氧浓度（摩尔%）的关系为：

现用金属钙脱氧，并已知反应

（s）

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）TJ·mol-1

Co（s）+O2=Co

（2）TJ·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—291.6TJ·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

TJ·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：

Cu2SJ·mol-1

SnSJ·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℃）：

0.2890.1950.1500.0980.079g/100cm3

9.704.122.521.050.739g/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/min10203040506070

R/%12233240465259

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