北科冶金物化研究生入学考试试题.doc

北科冶金物化研究生入学考试试题.doc

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北 京 科 技 大 学
年硕士学位研究生入学考试试题

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试题编号： 809 试题名称： 冶金物理化学 （共2 页）
适用专业： 冶金工程\冶金工程（专业学位）
说明： 所有答案必须写在答题纸上，做在试题或草稿纸上无效。
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一、简答题（每小题7分，共70分）
1）试用热力学原理简述氧势图中各直线位置的意义。
2）简述熔渣分子结构理论的假设条件。
3）某溶液中组元B的标准态改变时（其它条件不变），下列热力学参数哪些会随之改变，哪些不变？
(a) 组元B的活度aB；(b) 组元B的化学势mB；(c)有组元B参与的化学反应的平衡常数K；(d)有组元B参与的化学反应的标准吉布斯自由能变化 DrGÆ ；(e) 有组元B参与的化学反应的吉布斯自由能变化 DrG 。
4）试推导当O2在气相中的分压小于0.1Pa时硫容量的一种表示式。
5）试写出多元系铁溶液中组元i的相互作用系数的表示式。
6）简述正规溶液的定义？
7) 试讨论如何由有效边界层得到多相反应动力学基本方程？
8）简述表面更新理论如何在溶质渗透理论的基础上建立起来的？
9）试描述多相反应动力学基本方程中的传质系数 Kd的可能的形式？
10）推导在铁液深度为 H 的耐火材料的器壁上活性气隙的最大半径的表示式？
二、（25 分） 若铁钒溶液与固态 VO 平衡，其平衡氧分压为 6.7×10-6Pa，在 1873K 下，试分 别以纯固态钒和钒在铁液中为 1%的浓度（质量）为标准态计算铁液中钒的活度。
已知
V(s)=[V] DsolGv(s)θ=（－15480－45.6 T）J×mol-1
2 V(s)+O2(g)=2 VO(s) DrGθ =（－861490+150.2 T）J
三、（25 分）对于如下三元系相图，成分为 M1点的液相，用相图的相关原理分析其冷却过程， 并划出冷却曲线。

四、（30分）直径为1.2cm的FeO球团，在800℃、0.1MPa的CO气流内进行还原，还原产物是多孔结构铁。已知还原反应属于CO气体在产物层内扩散控速，球团密度4.8×103 kg/m3， M FeO =72×10-3 kg/mol，产物层内CO有效扩散系数2×10-4 m2/s，还原反应：

假设还原前后球团直径不变，试推导并计算完全还原所需要的时间。

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硕士学位研究生入学考试试题

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试题编号： 809 试题名称： 冶金物理化学 （共2 页）
适用专业： 冶金工程\冶金工程（专业学位）
说明： 所有答案必须写在答题纸上，做在试题或草稿纸上无效。
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一、简答题（每小题7分，共70分）
1）试用热力学原理简述碳氧反应可能的产物及得到这些产物的条件？
2）简述熔渣完全离子结构理论模型的假设条件。
3）描述溶液中活度的三种标准态的热力学特征？
4）试简单推导当O2的气相分压大于10-5MPa时硫容量的表示式。
5）试推导：在铁液中（等温、等压下），除铁元素之外的其它组元的浓度都趋于零时，组元以1%为标准态的活度系数的表示式（即Wagner模型）。
6）试推导正规溶液的过剩摩尔自由能、过剩摩尔熵和过剩摩尔焓。
7) 试讨论：为什么由有效边界层的概念得到的多相反应动力学基本方程总是

而不是 ？
8）在真空下吹氩脱碳是冶炼超低碳钢的主要方法，用冶金动力学原理简述真空中钢包底吹氩过程钢液中溶解的碳和氧反应机理？对钢液中碳的浓度很低时，讨论可能的限制环节是哪一步？
9）试讨论溶质渗透理论和表面更新理论的传质系数Kd的形式，哪一个更准确？
10）推导在铁液深度为H的耐火材料的器壁上，所有可能的活性气隙的孔径上能产生的最大气泡体积（刚要脱离活性气隙的哪一刻）是多少？
二、（25分）将含的铁水兑入转炉中，在1300℃下吹氧炼钢，假定气体压力为，钢液表面的渣中（以纯物质为标准态）的活度为0.2。
试问：
1）此时铁水中的碳和硅哪个先氧化？
2）如果是碳和硅其中的一个先氧化，氧化到什么程度另一个开始氧化？（注：只写出条件，不须计算碳和硅的具体浓度；假设钢液表面的渣中以纯物质为标准态的的活度始终为0.2）。
已知：

三、（25分）对于如下三元系相图，成分为M2点的液相，用相图的相关原理分析其冷却过程，并划出冷却曲线。

四、（30分）在石墨坩埚内进行高炉渣中CaO对铁水的脱硫实验，温度为1500℃。试求：1）写出脱硫反应，并分析高炉渣脱硫反应的机理；
2）铁水中的[s]含量从0.80％降至0.023％所需的时间。
已知：1）渣-铁界面上S的平衡浓度为0.013％；
2）S在铁水中的扩散是脱S反应的限制环节；
3）=0.43cm2·cm-3, D(s)=4×10-5cm2·s-1, =0.03cm,
其中，Vm和Am-s分别为铁水体积和铁-渣界面积，和D(s) 分别为铁渣界面铁水一侧有效边界层厚度和硫在铁水中扩散系数。

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硕士学位研究生入学考试试题

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试题编号： 809 试题名称 冶金物理化学 （共 7 页）
适用专业： 冶金工程 、冶金工程（专业学位）
说明： 所有答案必须写在答题纸上，做在试题或草稿纸上无效。
考试用具：无存储功能计算器。
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此试卷包含两部分：其中第一部分适用于冶金工程（不含生态学）考生，第二部分仅适用于生态学考生。
第一部分（适用于冶金工程<不含生态学>考生）

1、简要回答下列问题（第1-8小题每题7分，第9小题14分，共70分）
1）当铁液中组元i的浓度趋于零时，试推导以纯物质标准态的活度及活度系数与以1%标准态的活度及活度系数的关系。
2）对如下反应
（SiO2）+2[C]=[Si]+2CO (1) △G10=a1-b1T
SiO2，（S）+2[C]=[Si]+2CO (2) △G20=a2-b2T
在T≤1873K时，讨论△G10与△G20的关系。
3）用热力学原理分析氧势图（Ellingham图）上，为什么标准状态下低位置的金属元素能够还原高位置的氧化物？
4）描述二元系规则溶液的活度系数的计算方法，并与Wagner模型计算进行对比。
5）用分子理论模型简要描述如何解决CaO-FeO-SiO2三元系高碱性炉渣溶液各组元活度的计算，并写出各组元活度的表示式？
6）试用热力学原理证明，为什么化学反应△G0与温度T的关系为线性？其意义如何？
7）试推导多相反应动力学基本方程，并解释每项的物理意义。
8）当用溶质渗透理论处理钢液中的脱碳反应时，假设气泡的半径为r，气泡在钢液中上浮速率为u，写出传质系数的表示式。
9）在钢液深度为1米的耐火材料与钢液接触的位置有一个半径为0.001mm的气隙，试问这个气隙能否成为活性气隙？已知钢液中，气液表面张力s值约为1.5 N·m-1, q 角约为150。，钢液密度为7200 kg·m-3，气隙内气体的密度为1000 kg·m-3。如果上述气隙是活性气隙的话，初始形成的气泡的直径为多少？
2、（25分）对如下相图，F点表示A-B-C三元系的熔体成分，其质量为mF。试分别回答以下的三个问题。
（1）能获得多少一次结晶的A？在获得该一次结晶的A过程中体系的自由度是多少？
（2）在二次结晶过程，液相组成由H→L变化时，达到L时，体系的组成如何?自由度是多少？获得多少固相，分别是什么?
（3）三元共晶开始前，尚余多少液相？

3、（25分）已知炼钢炉渣组成及理论光学碱度如下：
组元
CaO
SiO2
MnO
MgO
FeO
P2O5
W(i)
42.68%
19.34%
8.84%
14.97%
12.03%
2.15%
Λi
1
0.48
0.59
0.78
0.51
0.4
1） 试计算该炉渣的光学碱度；
2） 试用完全离子溶液模型计算1600℃时炉渣中(CaO)、(MnO)、(FeO)的活度及其活度系数。
3） 在1600℃下，若此时钢液中w[O]=0.058%， 试确定此渣的氧化还原性。

4、（30分）装有30 t钢液的电炉, 钢水深度50cm, 1600°C 在电炉的氧化期用含有高浓度的FeO的氧化性炉渣脱除钢液中的Mn，假设炉渣的厚度远小于钢液的深度。已知Mn在钢水中的扩散系数为1.1X10-8 m2/s, 钢渣界面上金属锰含量为0.03% (质量分数), 钢液原始[Mn]为0.3% (质量分数),经过30 分钟后，钢液中锰含量降至0.06% (质量分数)。
1）分析此过程脱除Mn反应的机理及对可能的限制环节的确定？
2）求Mn在钢液边界层中的传质系数及钢液边界层的厚度。