第一篇 冶金熔體 第一章 冶金熔體概述 1。 什么是冶金熔體？它分為幾種類型? 在火法冶金過程中處于熔融狀態(tài)的反應(yīng)介質(zhì)和反應(yīng)產(chǎn)物（或中間產(chǎn)品）稱為冶金 熔體。它分為：金屬熔體、熔渣、熔鹽、熔锍。 2. 何為熔渣？簡述冶煉渣和精煉渣的主要作用。 熔渣是指主要由各種氧化物熔合而成的熔體。 冶煉渣主要作用在于匯集爐料中的全部脈石成分，灰分以及大部分雜質(zhì),從而使 其與熔融的主要冶煉產(chǎn)物分離。 精煉渣主要作用是捕集粗金屬中雜質(zhì)元素的氧化物,使之與主金屬分離。 3. 什么是富集渣？它與冶煉渣的根本區(qū)別在哪里? 富集渣：使原料中的某些有用成分富集與爐渣中，以便在后續(xù)工序中將它們回收 利用。 冶煉渣：匯集大部分雜質(zhì)使其與熔融的主要冶煉產(chǎn)物分離。 4. 試說明熔鹽在冶金中的主要應(yīng)用。 在冶金領(lǐng)域，熔鹽主要用于金屬及其合金的電解生產(chǎn)與精煉。熔鹽還在一些氧化 物料的熔鹽氯化工藝以及某些金屬的熔劑精煉法提純過程中廣泛應(yīng)用。 第二章冶金熔體的相平衡圖 1. 在三元系的濃度三角形中畫出下列熔體的組成點，并說明其變化規(guī)律. X : A 10% , B 70% , C 20% ； Y : A 10% , B 20% , C 70% ； Z : A 70% , B 20% , C 10% ； 若將3kg X熔體與2kg Y熔體和5kg Z熔體混合，試求出混合后熔體的組成 點。 2. 下圖是生成了一個二元不一致熔融化合物的三元系相圖 （1） 寫出各界限上的平衡反應(yīng) （2） 寫出P、E兩個無變點的平衡反應(yīng) （3） 分析下圖中熔體1、2、3、4、5、6的冷卻結(jié)晶路線。 3. 在進(jìn)行三元系中某一熔體的冷卻過程分析時，有哪些基本規(guī)律？ 答：1 背向規(guī)則 2杠桿規(guī)則 3直線規(guī)則 4連線規(guī)則 5 三角形規(guī)則 6重心規(guī)則 7切線規(guī)則 8共軛規(guī)則等 第三章冶金熔體的結(jié)構(gòu) 1。 熔體遠(yuǎn)距結(jié)構(gòu)無序的實質(zhì)是什么？ 2. 試比較液態(tài)金屬與固態(tài)金屬以及液態(tài)金屬與熔鹽結(jié)構(gòu)的異同點。 3. 簡述熔渣結(jié)構(gòu)的聚合物理論。其核心內(nèi)容是什么? 第四章 冶金熔體的物理性質(zhì) 1。什么是熔化溫度？什么是熔渣的熔化性溫度？ 解：熔化溫度是指由其固態(tài)物質(zhì)完全轉(zhuǎn)變成均勻的液態(tài)時的溫度。熔渣的熔化性 溫度是指黏度由平緩增大到急劇增大的轉(zhuǎn)變溫度。 2. 實驗發(fā)現(xiàn),某煉鉛廠的鼓風(fēng)爐爐渣中存在大量細(xì)顆粒鉛珠,造成鉛的損失.你認(rèn) 為這是什么原因引起的？應(yīng)采取何種措施降低鉛的損失? 解；當(dāng)金屬熔體與熔渣接觸時,若兩者的界面張力太小，則金屬易分散于熔渣中， 造成有價金屬的損失,只有當(dāng)兩者的界面張力足夠大時,分散在熔渣中的金屬微 滴才會聚集長大，并沉降下來,從而與熔渣分離。 造成該廠鉛損失的原因是因為鼓風(fēng)爐爐渣與鉛熔體兩者界面張力太小，采取的措 施為調(diào)整爐渣的組成。 第五章 冶金熔體的化學(xué)性質(zhì)與熱力學(xué)性質(zhì) 1。某工廠爐渣的組成為： 44.5％ SiO 2 , 13.8％CaO ， 36.8%FeO ，4。9％ MgO .試計算該爐渣的堿度和酸度. 原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 65 解：R= (W +W ) /W =(13。8+4.9)/44.5=0.42 cao Mgo SIO2 r=EWo(酸性氧化物)/^Wo (堿性氧化物) =Wo (sio ) / [Wo(CaO)+Wo (MgO) +Wo (FeO)] 2 =(44.5*32/60)/(13.8*16/56+36.8* 16/71.8+4。9* 16/40) =1。68 2. 什么是熔渣的堿度和酸度? 堿度——熔渣中主要堿性氧化物含量與主要酸性氧化物含量（質(zhì)量）之比，用R （B、V）表示。當(dāng)R>1,呈堿性。R〈1,呈酸性 酸度—-熔渣中結(jié)合成酸性氧化物的氧的質(zhì)量與結(jié)合成堿性氧化物的氧的質(zhì)量 之比，一般用r表示。一般說來，酸度小于或等于1的渣屬于堿性渣。 3.已知某爐渣的組成為(WB / % ) : CaO 20。78、SiO2 20.50、FeO 38。86、 Fe2O3 4.98 、MgO10.51 、MnO 2.51 、P2O5 1。67 ，試用四種不同的堿度表 達(dá)式計算該爐渣的堿度. 原子量：Mg 24 Si 28 Ca 40 Fe 56 Mn 55 P 31 Zn 65 1) R=W / W =20。7/20。5=1.01 cao SIO2 2) 對于Al O或MgO含量較高的渣 23 R= W /(W +W ) R=( W +W )/( W +W ) cao SIO2 AL2O3 cao MgO SIO2 AL2O3 此題中無 AlO僅MgO含量較高， 2 3， 故 R=( W +W )/ W = (20.78+10.51)/20。50=1。53 cao MgO SIO2 3) 對于含PO 較高的渣 25 R=W /(W +W )=20.78/(20。50+1。67)=0.94 cao SIO2 P2O3 4) 一般爐渣，既要考慮CaO和sio對堿度的影響，也要考慮其他主要氧化物如 2 MgO、MnO、P 0、Al O等對堿度的影響 2 5 2 3 R=(W +W +W )/( W + W + W ) cao Mgo MNO SIO2 AL2O3 P2O3 =(20。78+10.51+2.51)/(20。50+0+1.67)=1。52 利用CaO-A^O—SiO系等溶度曲線圖求1600°C時組成為(W%)CaO26>si^43> Mg04、A|O 20、P2O57的熔渣中SiO和A^O的活度 B 2 解：設(shè)熔渣為ioog，則有 2 23 CaO SiO 2 MgO Al O 2 3 PO 2 5 W (g) 26 43 - 4 20… 7 M 56 60 40 102 142 N (mol) 0.464 0.717 0.1 0.196 0。049 X ——b :——:_. . . 1 0.304 0。470 0.066 0.128 0。032 ■H 1 由表中數(shù)據(jù)可得 ExCaO=x (CaO+MgO) =0.370 ExSiO =x (SiO+ PO ) =0.502 2 2 2 5 x AlO=0.128 23 由CaO—Al O—SiO等活度曲線圖查得： 2 3 2 aSiO =0.2+0。2/5=0.24 2 aAlO=0.03+0。 02/3=0。 037 23 第二篇冶金過程的熱力學(xué)基礎(chǔ) 第六章 概述 1. 已知反應(yīng) Ni(CO) 4 (g) = Ni(s) + 4 CO (g) 的 A GO=133860—368。IT rm J ? mol —1 試求： (1) 標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，分別在300 K和400 K時能否利用上述反應(yīng)制取金屬鎳； (2) 在400 K時反應(yīng)進(jìn)行的限度及當(dāng)開始時Ni (CO) 4 (g)的分壓為P q并設(shè) 分解反應(yīng)過程中總體積不變，求Ni(CO)4 (g)的分解率； (3) 分析進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)化率的途徑。 第七章化合物生成一分解反應(yīng) 1 .已知反應(yīng) Li2CO3 (l) =Li 2O (s) +C02 的 A Ge =325831—288.4 T J ? mol -1 (1000?1125K) r m 試求：(a )其分解壓與溫度的關(guān)系； (b)當(dāng)氣相Peg和總壓分別為0。2 P。和F”時，計算其開始分解溫度和化 學(xué)沸騰溫度。 (c )將1mol Li 2CO3置于容積為22.4 L的密閉容器中控制溫度為700 °C求 Li 2 CO3的分解率。 2 .已知反應(yīng)LaN (s) =La⑸+ EH?的 A Ge =301328—104。5 T KJ ? mol ( 298?1000K ) r m 試求 1000K時LaN的分解壓. 3 ?試根據(jù)式/ f G * (MeO) = RTln P O2(MeO) — RTln Pe說明氧化物的氧 勢直血Fg中比項的物理意義。 4 ?試解釋氧勢圖上NW、Mg。的AfGm-T線上各轉(zhuǎn)折點的原因。 5． 試計算碳酸鎂在空氣中的開始離解溫度和化學(xué)沸騰溫度。 已知： MgO+CO2=MgCO3 A Ge (T)=—110750.5+120。12T, J rm 6。 3 已知反應(yīng) 2 Al (l) + <O2 = A12O3 (s)的 A Ge 為 2 .說明電勢一pH圖中a線和b線的意義，為什么在Au-H2O中(沒有配合 物 CN - 存在)不能控制電勢在 Au 3+ 的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，從而使 Au 浸出進(jìn)入溶液。 ．某物料的主要組分為 CuO 和 FeO 在浸出過程中采取什么措施可使兩者分 2 離。 r m A Ge = -1680685 + 321.3T J ? mol —1 (923—1973K) rm 求 1900 K 時 Al2O3 的分解壓。 熱力學(xué)平衡圖在冶金中的應(yīng)用 第九章 還原過程 1 ?求碳?xì)饣磻?yīng)在1273K，總壓為2 x 105 Pa時氣相CO的平衡濃度。 解:C +CO =2CO (s) (g) (g) △ rG o=17O7O7-174.47T J/mol 根據(jù)上式得，1273K時 LgK 0=(-170707+174.47T)/19.147T P =(-170707+174.47＊1273)/19。147*1273=2.109 K 0=128.4 P 代入下式 P /Po== V [ (K 02/4)+ K 0*P/Po]- K 0/2 co P P P =V [ (128。42/4)+128 . 4*2* 105/10 1 3 25] = 1.970 © =[- K o/2+ V [ (Ko2/4)+ Ko *P/P。]* Po*100% CO P P P C O =(197＊1.01325*105＊100%)/(2＊105)=98.5% 2。用硅熱還原法按下反應(yīng)制取金屬鎂 2 MgO (s) + Si (s) =2 Mg (g) + SiO2(s) 已知上反應(yīng) A G 0 = 610846-258。57T J ? mol —1 rm 要求還原溫度為1300°C，求應(yīng)保持的真空度。 解：反應(yīng)△rG = ^rG o+2RTLn (P/Po) mm =610846—258.57+38。294 TLg (P/Po) 當(dāng) t=1300°C,ArG二0 時 Lg (P/P0) = (-610846+258。57* 1573) / (1573*28。294)=—3。89 (P/P0)=4.087*10-4 P=41.4 Pa 3。根據(jù)氧勢圖估算Cu2O、NiO、Fe2O3（還原成Fe3O4）在 1273K時用CO+CO2 混合氣體還原時，氣相平衡 ①CO/①CO2的比值。 4. 利用鋁在真空下還原氧化鈣，其反應(yīng)為： 6CaO (s) +2Al (l) =3Ca (g) +3CaO?Al2O3( s) A G e =659984—288.75T J ? mol rm —1 求：(a )如使反應(yīng)能在1200 °C進(jìn)行，需要多大的真空度？ ( b )如采用 1.33Pa 的真空度，求 CaO 被 Al 還原的開始溫度; ( c )在同樣的真空度( 1.33Pa )下,按下反應(yīng)進(jìn)行還原： 3CaO (s) +2Al (l) =3Ca (g) + Al2O3(s) A Ge = 703207- 261. 94 T rm 試估計復(fù)雜化合物的形成對還原的作用。 解：①根據(jù)等溫方程，有 ArG。二-RTln(Pca/Po)3=—3 RTln(Pca/P。) m ln (Pca/Po) = (659984—288。75T) /3*8。314T 當(dāng) T=1200+273=1473K 時 ln (Pca/Po) =一6。38fPca/Po=O.OO1695 Pca(g)=0.01695*101325=171.76Pa 故真空度為172Pa ② Pca(g)=10Pa Ln (10/101325) =11.58—26460。7/T—T=1272K 當(dāng)真空度為10Pa時,CaO被鋁還原的開始溫度為1272K (999C) ③ 根據(jù)等溫方程 有厶 rG 0=-RTln (Pca/P。)3=—3 RTln (Pca/P。) m 703207—261.94T=-3*8。314T ln (Pca/P。) T=1429。 3K 從上可得知 1：對產(chǎn)生氣體產(chǎn)物的熱還原過程而言，降低系統(tǒng)壓強相應(yīng)地降低生成物的 氣態(tài)產(chǎn)品的蒸汽壓，將有利于還原反應(yīng)，即降低了還原反應(yīng)的開始溫度 2：生成復(fù)雜化合物，降低了還原產(chǎn)物的活度，有利于提高還原效果，即在 相同的還原效果下,降低了還原反應(yīng)的開始溫度,在此題中生成復(fù)雜化合物與未 生成復(fù)雜化合物相比，溫度下降了 430.3C 第十章高溫分離提純過程 1 ．已知 Sn—Cd 合金含 Cd 1％(質(zhì)量 ),在 955K 時 Cd 在 Sn 中的活度 系數(shù)為2.26(純物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)態(tài)),Cd的飽和蒸氣壓33.3 kPa,Sn的飽和蒸氣 壓為 1.3x10-6 Pa ? 求：( a ) 955K 時上述合金中 Cd 的蒸氣壓; (b )氣相中鎘與錫的摩爾比；B cd/sn 解：sn-cd合金中各物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)(以100g即) X = (99/ 1 18。7)/[(99/ 1 18。7)+ ( 1/ 1 12.4)]=0。989 sn X =( 1/ 1 12.4) /[ (99/ 1 18。7)+ ( 1/ 1 12。4)]=0。0 1 1 cd P =P ** X *丫 =33。3*0。011*2。26=0。83 Pa cd [cd] cd cd P = P ** X =1.5*10-6*0.989=1。286*10-6 Pa sn [sn] sn P / P =n/n = 0。83/1.286*10-6=6。45*105 cd sn cd sn Bcd/sn=6.45*1O5/ (0.011/0.989) =5。8*107 2 ．為提高蒸餾精煉的效果，從熱力學(xué)上分析，你認(rèn)為可采取什么措施。 解：(1)降低蒸餾溫度；(2)采用真空蒸餾 3. 試分析熔析精煉與區(qū)域精煉在原理和工藝上的共同點及不同點。 第三篇 冶金過程的動力學(xué)基礎(chǔ) 1. 使用收縮核模型的前提條件是什么？ 2. 試分析可以采取哪些措施強化浸出過程？ 3。 什么是速度限制步驟？ 溶液的熱力學(xué)性質(zhì) 1 ．試述以 1 ％ 溶液標(biāo)準(zhǔn)態(tài)時，當(dāng)實際溶液濃度為 1% ，在什么條件下，其活度才為 1 ？