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炼铁知识点复习第一章概论1、试述3种钢铁生产工艺的特点。
答：钢铁冶金的任务：把铁矿石炼成合格的钢。
工艺流程：①还原熔化过程（炼铁）：铁矿石→去脉石、杂质和氧→铁；②氧化精炼过程（炼钢）：铁→精炼（脱C、Si、P等）→钢。
高炉炼铁工艺流程：对原料要求高，面临能源和环保等挑战，但产量高，目前来说仍占有优势，在钢铁联合企业中发挥这重大作用。
直接还原和熔融还原炼铁工艺流程：适应性大，但生产规模小、产量低，而且很多技术问题还有待解决和完善。
2、简述高炉冶炼过程的特点及三大主要过程。
答：特点：①在逆流（炉料下降及煤气上升）过程中，完成复杂的物理化学反应；②在投入（装料）及产出（铁、渣、煤气）之外，无法直接观察炉内反应过程，只能凭借仪器仪表简介观察；③维持高炉顺行（保证煤气流合理分布及炉料均匀下降）是冶炼过程的关键。
三大过程：①还原过程：实现矿石中金属元素（主要是铁）和氧元素的化学分离；②造渣过程：实现已还原的金属与脉石的熔融态机械分离；③传热及渣铁反应过程：实现成分与温度均合格的液态铁水。
3、画出高炉本体图，并在其图上标明四大系统。
答：煤气系统、上料系统、渣铁系统、送风系统。
4、归纳高炉炼铁对铁矿石的质量要求。
答：①高的含铁品位。
矿石品位基本上决定了矿石的价格，即冶炼的经济性。
②矿石中脉石的成分和分布合适。
脉石中SiO2和Al2O3要少，CaO多，MgO含量合适。
③有害元素的含量要少。
S、P、As、Cu对钢铁产品性能有害，K、Na、Zn、Pb、F对炉衬和高炉顺行有害。
④有益元素要适当。
Mn、Cr、Ni、V、Ti 等和稀土元素对提高钢产品性能有利。
上述元素多时，高炉冶炼会出现一定的问题，要考虑冶炼的特殊性。
⑤矿石的还原性要好。
矿石在炉内被煤气还原的难易程度称为还原性。
褐铁矿大于赤铁矿大于磁铁矿，人造富矿大于天然铁矿，疏松结构、微气孔多的矿石还原性好。
⑥冶金性能优良。
冷态、热态强度好，软化熔融温度高、区间窄。
⑦粒度分布合适。
冶金物理化学学习指导及习题解答1．冶金热力学辅导热力学内容下四个部分1）冶金热力学基础2）冶金熔体（铁溶液、渣溶液）3）热力学状态图（Ellingham图，相图）注：把各个知识点划分成三个等级；最重要的等级―――“重点掌握”第二等级―――“掌握”，第三等级―――“了解”，这便于学习者在自学或复习内容时参考。
也便于在学习时能抓住重点，更快更好地掌握冶金物理化学这门重要基础学科。
1．1 冶金热力学基础共7个知识点1） 重点掌握体系中组元i 的自由能表述方法；（包括理想气体、液体、固体）理想气体的吉布斯自由能封闭的多元理想气体组成的气相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为ln i i i G G RT P ∅=+i P '－i 组分气体的实际压强，Pa ；P ∅－标准压强，Pa ，也即Pa 51001325.1⨯。
应该注意的是，高温冶金过程中的气体由于压强比较低，都可以近似看作理想气体。
液相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元液相体系中，任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+其中，i a ----组元的活度，其标准态的一般确定原则是：若i 在铁液中，选1%溶液为标准态，其中的浓度为质量百分数，[%i]； 若i 在熔渣中，选纯物质为标准态，其中的浓度为摩尔分数，i X ；若i 是铁溶液中的组元铁，在其他组元浓度很小时，组元铁的活度定义为1。
固相体系中组元i 的吉布斯自由能在多元固相体系中，其中任一组元i 的吉布斯自由能为 ln i i i G G RT a ∅=+i a 确定原则是：若体系是固溶体，则i 在固溶体中的活度选纯物质为标准态，其浓度为摩尔分数，i X ； 若体系是共晶体，则i 在共晶体中的活度定义为1； 若体系是纯固体i ，则其活度定义为1。
2）重点掌握化学反应等温方程式ln G G RT Q ∅∆=∆+G ∆有三种情况 1）0>∆G ，以上反应不可以自动进行；2） 0<∆G ，以上反应可以自动进行； 3） 0=∆G ，以上反应达到平衡，此时G RTLnK ∅∅∆=-注：（1）G ∆是反应产物与反应物的自由能的差，表示反应的方向（反应能否发生的判据）；表示任意时刻(不平衡状态)的压强商或活度商。
北京科技大学材料科学基础（金属学）作业第一章概论作业1.金属学及其主要研究内容是什么？2. 材料的组织和结构分别指什么？第二章金属和合金的固态结构（第一节、第二节）作业1. 分别计算体心立方（bcc）和密集六方（hcp）结构时原子所占体积和空位所占体积的百分数？（第三节）作业1. 单胞的特征参数指的是什么？其中点阵常数是哪些？2. 对于四方晶系，只有简单四方和体心四方两种空间点阵。
请说明四方晶系的底心化和面心化都不构成新的空间点阵。
3. 说明空间点阵与晶体点阵的区别与联系?4. 在单胞中画出(010)、(110)、(121)和(312)晶面，画出[111]、 [123]、[ 1 10]和[211]晶向。
5. 用四轴坐标系画出六方晶系的(1120)、(1012)、(1011)晶面及[1120]、[2113]、[3125]晶向。
第四节金属和合金中原子间的结合第五节金属和合金的晶体结构类型1. 假定发生晶体结构变化时，体积保持不变，计算同一种金属呈简单立方结构和面心立方结构时，原子半径之比：r简单/r 面心。
2. 画出一个六方晶系的单胞，并标出点阵参数及相互关系？3. 六方晶系中，只有简单六方一种平移点阵，怎样认识密排六方？4. 合金中的相的结构类型有哪些？第六节固溶体第七节结构缺陷1. 影响固溶体固溶度的主要因素是什么？2. 合金形成超结构或超点阵指什么?3. 晶体中缺陷的类型及主要特征？4. 分别说明刃型位错和螺型位错的柏氏矢量与位错线的关系？5. 位错与点缺陷的相互作用怎样？第三章金属及合金的相图1什么是相图、相律、自由度？2.简述二元共晶型和包晶型三相反应。
3.相区的邻接关系是什么？4.写出三元系平衡相的定量法则―杠杆定律与重心法则。
第四章金属及合金的凝固与组织作业第一节凝固概论作业1.试说明过冷度与亚稳极限。
2.试推导均匀形核情况下的临界晶核尺寸。
3.简述决定晶体成长的内外因素及规律。
4.晶体的成长有哪几种机理？5.怎样的情况下凝固组织中易出现树枝晶？第二、三、四节作业1.理解组成过冷的概念。
第二章习题与思考题1.某金属在不同相态下氧化生成MeO的标准吉不斯自由能— 温度关系如下：2Me①+O2=2MeO(s), ΔG θ ①=-1215033.6+192.88T,J2Me②+O2=2MeO(s), ΔG θ ②=-1500800.8+429.3T,J2Me③+O2=2MeO(s), ΔG θ ③=-1248505.6+231.8T,J（1）确定Me①,Me②,Me③的相态；（2）计算Me 的熔点和沸点；（3）作自由焓—温度图。
2．试计算碳酸镁在空气中的开始离解温度和化学沸腾温度。
已知： MgO+CO2=MgCO3ΔG θ T=-110750.5+120.12T,J3.将碳酸钙置于容积为 1L的容器中加热到 1073K， 问有多少 CaCO3 离解？解答：1. 解：（1）根据斜率变化②>③>①，可知②—气相，③—液相，① —固相。
（2）熔点： q q 31 G G D = D -1215033.6+192.88T=-1248505.6+231.8TT 熔=860.2K同理，沸点： q q 2 3 G G D= D ，T 沸=1227.5K （3）略2. 解：（P 43）TG 12 . 120 5 . 110750 + - = D 27 . 6 5783 log 2 + - = Tp CO 开始离解Pa p CO 4 . 30 101325 0003 . 0 2 = ´ = 化学沸腾 Pa p CO 101325 101325 12 = ´ = 27 . 6 5783 0003 . 0 log + - = 开T T 开=590K 27 . 6 5783 1 log + - = 沸 T T 沸=922K3.解：CaO+CO 2=CaCO 3T P RT Kp RT G CO 4 . 144 170925 ln ln 2 + -= = - = D q 1073 4 . 144 170925 ln 1073 314 . 8 2 ´ + -= ´ CO P 得 P CO2=16887.8Pa因 nRT PV = ，所以3 32 10 893 . 1 1073314 . 8 10 8 . 16887 - - ´ = ´ ´ = = RT PV n CO 33 2 10 893 . 1- ´ = = CaCO CO n n m CaCO3=0.1893g。
P329 1实验测得Fe-C 熔体中碳的活度C a (以纯石墨为标准态)与温度T 及浓度C x 的关系如下C C C C C11803400lg lg()0.87(0.72)()121x x a x T T x =+-++--(1)求C lg γ与温度T 及浓度C x 的关系式； (2)求C lg γ与温度T 的关系式及1600℃时的C γ； (3)求反应C （石墨）=[C]1%的sol G ∆与温度T 的二项式关系表达式；(4)当1600℃铁液含碳量为w[C]=0.24%时，碳的活度（以w[C]=1%溶液为标准态）是多少？解:（1）以纯石墨为标准态 C C C a x γ=⋅，则C CC C C C C C CC C11803400lg lg lg lg()lg 0.87(0.72)()121111803400lg()0.87(0.72)()121x x a x x x T T x x x T T x γ=-=-+-++--=+-++--（2）,C C H,C C H,CH,C ,,01,R C C iC ia x f x a f x γγγγ⋅===⋅≤≤⋅由得出该式在全浓度范围内成立，没有限制条件。
在极稀溶液C 0x →且满足Henry 定律，H,C 1f =，则C C γγ=，C C CC 00C C 111803400lg lg lg()0.87(0.72)()12111800.87C x x x x T T x Tγγ→→==+-++--=-当T=1600℃=1873K 时, C C 1180lg 0.870.24,0.5751873γγ=-=-=（3）[]1%,%,%,l ,so R c cc R cC C G μμμμ=∆=-（石墨）C 在铁液中的化学势一定，即,%,R C C μμ=%,%,,,%,,;ln ln C C R C c R R C c RT a RT a μμμμ=+=+，,,%,%,ln ln R C R C C C RT a RT a μμ+=+R,C R,C sol %,C R,C %,%,ln2.303lgCCa a G RT RT a a μμ∆=-==在01C x ≤≤时，,%,R C C C Ca x a γ=⋅当[%]1C =时， [%]0.045[%]()100FeC C Fe C CC M x x C M M M ⋅===-+R,C %,2.303lg2.303lg(0.045)11802.3038.314lg 0.045 2.3038.314(0.87)2.3038.314(lg 0.0450.87) 2.3038.314118022593.62842.445sol C Ca G RT RT a T T TT Tθγ∆===⨯⨯⨯+⨯⨯⨯-=⨯⨯⨯-+⨯⨯=-（4）[%]0.011[%]()100FeC Fe C CC M x C M M M ==-+ ；,R C a 题目以给出，C x 与C γ 已求出。
%,%,,,,C C C C 1lg lg lglg lg()118034001lg()0.87(0.72)()lg()1210.011118034000.0111lg()0.87(0.72)()lg()120.0111873187310.0110.04480.5750.5739C C R C R C R CC CC Ca a a a a x x x x T T x x γγ=+=+⋅=+-+++--⋅=+-+++-⨯-⋅=-%,0.267C a =2Fe-Si 溶液与纯固态SiO 2平衡，平衡氧分压298.2610P O aP -=⨯。
试求1600℃时［Si ］在以下不同标准态时的活度： （1）纯固态硅；（2）纯液态硅；（3）亨利标准态；（4）w ［Si ］=1% 溶液标准态。
已知 Si(s)+O 2(g)=SiO 2(s) f 902070173.64 /,T J mol G=-∆+，*f ,Si 1410T =℃,fus Si 50626 /J mol H ∆=,Si 0.00116γ=,M Fe =55.85kg/mol, M Si =28.09kg/mol 。
解：（1）以纯固态硅为标准态Si(s)+O 2(g)=SiO 2(s)，f r G G ∆=∆22SiO O S Si 9i f 1013258.3141873In(),J/mol8.261090207ln()576840173.641873,J/m 2.28olr a G RT p a a pG -∆=-⋅⋅∆=-⨯⨯⨯-+⨯=-=0.001Si a =（2）以纯液态硅标准态 由*fus fus Si f,Si fus Si 0G H T S ∆=∆-⋅∆=得到：fus Si 30.08/S J mol K ∆=⋅()()Si s Si l = （1） 1fus Si fus Si 506,2630.08J/mol r G H S T T ∆=∆-∆⋅=-22()()()Si s O g SiO s += （2）2902070173.64,J/molr G T ∆=-+（2）-（1）得：22Si()O ()SiO ()l g s +=952696203.72,J/molr G T ∆=-+T=1873K 时，2Si,O S 9i 1013258.3141873In()8ln()952.2610,J 696203.7218735/m 71126.926ol5r l p G RT a p a -∆=-=⋅=-+-⨯⨯=-⨯⨯得出：Si,0.00145l a =（3）亨利标准态1600℃时，Si 以液态存在,,0.001451.250.00116R SiH Si Sia a γ===（4）以w[Si]%=1为标准态，1600℃时，Si 以液态存在方法一：,%,H iiia x a = ； 方法二：,%,R i i iia x a γ=当[%Si]→1时， [%]55.850.01988252100()[%]10010028.09Fe Fe Si Fe Fe Si Si M Si M x M M M Si M ====+-⨯,%, 1.2562.870.01988252H Si Si Sia a x ===在500℃的铅液中加锌提银，其反应为[][])(3232s Zn Ag Zn Ag =+ 当铅液中Ag 与Zn 均以纯物质为标准态时，500℃下，上述反应的128kJ/mol r G=∆-。
已知铅液中锌及银均服从亨利定律，Zn 11γ=，Ag 2.3γ=。
加锌后铅含量为[]Zn w =0.32%。
铅﹑锌﹑银的摩尔质量分别为M Pb = 207.2X10-3kg/mol, M Zn = 65.38X10-3kg/mol, M Ag = 107.87X10-3 kg/mol 。
试计算残留在铅中的银含量[]Ag w 。
解：[][])(3232s Zn Ag Zn Ag =+ 以纯物质为标准态时，23,,23,,1ln 8.3147128kJ 73ln(l )/mo r R Ag R Zn R Ag R ZnGRT a a a a =-=⨯⨯⋅-⋅= T=773K 时，239,, 2.2410R Ag R Zn a a -⋅=⨯ （1）以[]1%w Zn =溶液为标准状态时，则3Pb Zn 3Zn 207.2100.0317********.3810M x M --⨯===⨯⨯ ,Zn Zn Zn %,ZnR a x a γ=⋅ （2）因为Ag 、Zn 服从亨利定律，且在Pb 液中含量少，可近似认为%,Ag %,Zn 1f f == 由（2）得：,Zn %,Zn Zn Zn 0.3210.0317110.111584R a a x γ=⋅⋅=⨯⨯⨯=， 代入（1）得：3,Ag 1.2710R a -=⨯ 以[Ag]1%w =溶液为标准态，则32Pb Ag3Ag 207.210 1.92110100100107.8710M x M ---⨯===⨯⨯⨯ 所以,Ag%%,Ag 2g3Ag A 1.2[Ag]0.0285,2.3 1.92110710R a w a x γ--⨯====⨯⨯ [Ag]0.0285%w =高炉渣中(SiO 2)与生铁中的[Si]可发生下述反应 （SiO 2）+[Si]=2SiO(g) 问：1800K 上述反应达到平衡时,SiO 的分压可达多少Pa?已知 渣中(SiO 2)的活度为0.09。
生铁中w[C]=4.1%,w[Si]=0.9%,0.109Si Si e =,0.18CSi e =Si(l)+SiO 2(s)=2SiO(g) 633000299.8,J/mol r T G =-∆ Si(l)= [Si] 13150017.24,J/mol r GT =--∆解：铁液中的[Si]以1%溶液为标准态。
根据Wagner 模型，Si%,Si Si Si Cf f f =Si %,Si Si Si %%[Si][C]0.1090.9 0.18 4.10lg l .61g 3lg 8C Si CSi Si f f e e f w w ⨯+⨯=⨯+⨯==+=%, 6.8560.18Si f == 则 [Si]%%,Si [Si]0.9 6.856 6.171a w f =⋅==⨯ 2(SiO )0.09a =1) Si(l)+SiO 2(s)=2SiO(g) 633000299.8,J/mol r T G=-∆2) 铁液中杂质通常以w[i]%=1为标准态,()[](),Si(l)%,Si(l)Si Si R l l μμ=%,Si(l),Si(l)13150017.24,J/m o l s l o R r G T G μμ∆=-==--∆3) 渣中通常以纯物质为标准态()()()22,SiO()%,O (22)SiO SiO R s s s s μμ=22%,O (),SiO ()sol 0s R s G μμ∆=-=4) (SiO 2)(s)+ [Si](l)=2SiO(g) 4)=1)-2)-3）633000299.813150017.24764500282.56 =764500282.56*1800255892,J/molr T G T T =----=--=∆（）（）（）2SiO,g 2(SiO )[Si]()8.3141800Inr p pRTlnK a a G =-=-⨯⨯⋅∆ 联立上粮式，得2SiO,g 28(SiO )[Si]() 3.74610p pa a -=⨯⋅SiO,g 3.746101325Pa=14.6Pa p p ==根据铝在铁﹑银间的分配平衡实验，得到Fe-Al 合金（0<0.25Alx <）中铝的活度系数在1600℃时为65.020.1ln -=Al Al x γ。
