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习题
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
η/10-3Pa·s
Aη/10-3Pa·s
Eη/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
η/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
κ/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
=325831-288.4T KJ·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
=301328-104.5T KJ·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)+
O2
T J·mol-1
2CuO(s)=Cu2O(s)+
O2
-112.75T J·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)
=659984-288.75T 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)
=703207-261.94T J·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-1 PCO=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+57.53T J·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+103.7T J·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)
T J·mol-1
Co(s)+
O2=Co
(2)
T J·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
T J·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:
Cu2S
J·mol-1
SnS
J·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℃):
0.289 0.195 0.150 0.098 0.079 g/100cm3
9.70 4.12 2.52 1.05 0.739 g/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/min 10 20 30 40 50 60 70
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