冶金热力学知识题库

钢铁冶金过程中，溶液组分活度的标准态有几种？在进行冶金中的相关反应计算时，对于金属熔体中的组元，一般采用哪种标准态？对于熔渣中的组元，一般采用哪种标准态？

标准态有三种：纯物质标准态，亨利标准态和1%溶液标准态。

金属熔体，采用1%溶液标准态

熔渣，采用纯物质标准态
试述炼钢过程中元素氧化的热力学原理。

炼钢冶金池内氧的来源有两种：一种是气体，另一种是固体。在炉内氧的存在是以气态氧{O2}，渣中氧（Fe2O3）、（FeO），钢中溶解氧[O]或[FeO]三种形态存在。

元素的氧化存在两种形式：

（1）直接氧化：2x[M]+yO2=2（MxOy）

（2）间接氧化：x[M]+y[FeO]=（MxOy）+y[Fe]

x[M]+y[O]=（MxOy）

在炼钢工程中，气相中的氧通过渣中铁的氧化-还原反应传递给熔池，其过程如下：

炉渣是氧的传递媒介，而（FeO）是氧的传递载体。当炉气与炉渣接触时，渣中的（FeO）被直接氧化为（Fe2O3），从炉渣表面扩散到渣金界面处，在交界面处（Fe2O3）被钢液中的[Fe]还原成（FeO），之后按分配定律，（FeO）中的氧在渣相与金属相之间进行重新分配而进入到钢液中，生成溶解于钢液中的[O],[O]再与其他元素发生氧化反应。
什么是熔渣的氧化性，试从热力学原理说明熔渣的氧化还原性？

熔渣的氧化性表示当熔渣与金属液接触时，熔渣向金属液提供氧的能力，一般以熔渣中能够提供氧的组分的含量表示。

当熔渣中氧的化学势大于金属液中氧的化学势时，此熔渣为氧化性渣，是能向与之接触的金属液提供氧，使其中的杂质元素氧化的熔渣，反之，则是还原性熔渣。
试述在炼钢过程中，什么是熔渣的碱度？为什么可以用O2-的活度来表征熔渣的碱度？

碱度就是熔渣中主要碱性氧化物含量与主要酸性氧化物含量的比值。

碱性氧化物在渣中能离解出O2-，酸性氧化物则吸收O2形成复杂阴离子，所以离子理论用渣中的O2浓度的大小来表示碱度的高低。
试用热力学原理说明氧势图上为什么位置高的金属元素不可以还原位置低的氧化物？


在氧势与温度关系曲线图上的位置越低，则其生成吉布斯自由能值越小，说明此金属对氧的亲和势越大，越稳定，越难被还原。因此，位置低的可以还原位置高的金属氧化物。




1. 温度的影响：脱磷反应是放热反应，降低温度能是Kp增大，所以较低的熔池温度有利于脱磷。

2. 碱度的影响：较高的碱度有利于脱磷。

3. （FeO）的影响：（FeO）含量较高有利于脱磷。

4. 金属成分的影响：增大C、O、N、Si、S等含量可使fp增加，增加Cr的含量可使fp减少，Mn和Ni对fp的影响不大。

5. 熔渣的影响：较大的渣量和多次换渣有利于脱磷。

综上所述，强化脱磷的热力学条件是：碱度较高（3-4），（FeO）含量较高（15-20%），熔池温度较低，渣量要大，且采用多次换渣或者造新渣脱磷。
熔体的黏度是如何产生的？它受哪些因素的影响？

由于在流动的液体中，各液层的定向运动速度是不同的，相邻液层之间存在相对速度。因此，相邻的两液层之间会产生内摩擦，以阻止这种运动的延续，使液体的流速减慢。

影响因素：温度、压力、剪切速率、相对分子质量
简述离子理论的假设条件。

（1）熔渣完全由离子组成，包括简单阳离子、简单阴离子和复杂阴离子。阴阳离子电荷总量相等，故熔渣本身不带电。

（2）与晶体相同，熔渣中每个离子周围都是异号离子。

（3）电荷相同的离子和邻近离子的相互作用完全相等，与离子种类、半径无关。
什么是衡量化合物稳定性的标准？

氧势是衡量金属氧化物稳定性的标志。已知在压强不太大的范围内，气相中氧的化学势与其分压的关系为：

对氧化物而言，氧的化学势越高，或者说平衡时，氧在气相中的平衡分压越大，意味着氧从氧化物中逸出的趋势越大，氧化物越不稳定。
简述碱度对熔渣中简单离子和复杂离子浓度的影响。

增加渣的碱度，即增加渣中碱性氧化物含量，渣中O2-浓度增大。降低渣的碱度，即增加渣中酸性氧化物的含量时，将消耗渣中O2-，渣中复杂阴离子浓度增加。
指出下图中不同温度区物质M或MO的稳定存在形态。并用热力学原理说明氧化物MO稳定存在的温度区间。




（1） 当T=T2时，两曲线相交于点a。两个反应中CO量相等，此时两个反应同时平衡，因此，MO、M、C能平衡共存。

（2） 当T>T2时，比如温度为T3时，碳气化反应中的CO量比间接还原反应中的CO量大，多余的CO将不断使间接还原反应进行，不断循环，直至系统的MO或者C消耗完毕为止。在碳过剩的情况下，系统中稳定存在的是M。

（3）当T<T2时，比如温度为T1时，碳气化反应中CO2量比间接还原反应中的CO2量大，多余的CO2将不断使间接还原的逆反应进行，使M氧化产生的CO又进行布多尔反应的逆反应，不断循环，直至M消耗完毕为止。因此系统中稳定存在的是MO。
下图是具有一个不稳定二元化合物的三元系相图，回答下列问题：

（1）P 点是什么点？写出 P 点发生的反应。

E 点是什么点？写出 E 点发生的反应。

（2）分析图中 m 点在温度降低过程中液相及固相的变化，并在图中标出结晶路线。

（3）分析图中 O 点在温度降低过程中液相及固相的变化，并在图中标出结晶路线。






如图所示的三元系相图：

（1）说明组成为a 、b 、c 的熔体冷却终点分别在何处？

（2）说明图中自由度为零的地方。

（3）分析物系点 a 完全凝固时的冷却 过程（用步冷曲线表示）。 (辅助线请 用虚线画出)



（1）由于三元相图有两个无变点，故子三角形有2个，由b点和c点在子三角形内，其最终产物为C2S、C3S2、C2AS，冷却终点为P点；由于a点在子三角形C3S2、C2AS、CS内，其最终产物为C3S2、C2AS、CS，其冷却终点为E点。

（2）由于C3S2为二元不稳定化合物，则P点为转熔点，E点为三元共晶点。

P点的化学反应：L+C2S→C2AS+C3S2

E点的化学反应：L→C3S2+CS+C2AS

由相律：P点的自由度为f=4-4=0

E点的自由度为f=4-4=0



用 Al－H2O 系电位－pH 图， 分析铝土矿（Al2O3）浸出可能的方法、条件及浸出离子反应式。




Al-H2O 系电位－pH 图



在 1700K 时，用 CO+CO2 混合气体还原 MnO(s)为 Mn，求气相中 CO 浓度至 少应控制多大？