北京科技大学冶金物理化学2012真题解析

Si c 0.11, eSi 0.18 已知： ecc 0.14, ecSi 0.08, eSi
1 C( S ) O2 CO 2
Si(l ) O2 SiO2( S ) C( s ) [C ]% Si(l ) [ Si ]%
G 117990 84.35T ( J / mol ) G 947680 196.86T ( J / mol ) G 22590 42.26T ( J / mol ) G 131550 17.24T ( J / mol )
2013 年考研专业课真题解析系列
北 京 科 技 大 学 2012 年硕士学位研究生入学考试试题
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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Biblioteka Baidu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时硫容量的表达式。 5）试推导：在铁液中（等温、等压下），除铁元素之外的其他组元的浓度都趋 于零时，组元以1%为标准态的活度系数的表达式（即Wagner模型）。
北京科技大学冶金物理化学真题解析-2012 年
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E E 和过剩摩尔焓 、过剩摩尔熵 mix S m 6）试推导正规溶液的过剩摩尔自由能 mix Gm E mix H m 。
解析：此题考查正规溶液的性质，属于常规考点，相关推导已经要求熟练掌握。 主要考查考生对正规溶液性质的理解程度及推导的熟练程度。推导过程见书43 页-44页。正规溶液的其他性质也要求熟练掌握。 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 J k d (c s c b )
中扩散传质本质的理解，具体答题应当按照边界层理论，进行推导得来。参见书 本105-107页。 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？ 解析：此题考点是要求掌握的气泡冶金动力学模型，属于气液反应动力学里面的 内容。真空中钢包底吹氩气过程钢液溶解的碳和氧的反应机理很简单，就是利用 氩气的稀释作用，降低气泡中的一氧化碳分压，促使碳氧反应的进行，以一氧化 碳的形式去除钢液中的碳。反应机理1）溶解在钢种的氧和碳通过钢液边界层扩 散到气泡表面；2）在氩气泡表面发生化学反应；3）生成的一氧化碳从气泡表面
试题编号： 809 适用专业：
试题名称：
冶金物理化学
（共 2 页）
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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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 SiO2 的活度始终为 0.2） 。
rmax 得到活性空隙半径最大值为 出表达式即可。见书本 128 页。
2 cos 4 3 r 1 gh ，那么最大气泡体积为 3 max ，写
简答题评述：本考卷对考点覆盖很全，强化了对基本理论的考查，譬 如三种活度标准态的热力学特征、 正规溶液热力学函数的推导、 硫容 量表达式的推导、 瓦格纳模型推导等。 从内容上涉及热力学和动力学， 第 1-6 题为热力学基本概念，7-10 题为动力学基本概念。其中动力 学里面强化了对气-液反应动力学以及多相反应模型的概念的辨析。
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扩散到气泡内部，并随气泡上浮排出。参见书本135页。 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？ 解析：多相反应基本理论中这两种理论均要求掌握，溶质渗透理论：统计分布规 律，取表面更新率为 S ,进而得到传质系数 k d DS ，并且认为流体2和流体1的 接触时间是一定的， 而且传质为非稳态； 表面更新理论： 也是气液传质理论模型， 流体微团在表面上的更新不同时进行，主要从两者的假设分析，丹克沃茨通过对 溶质渗透理论的修正而发展出表面更新理论，两者区别：表面更新理论认为表面 更新过程是随时间进行的，而溶质渗透理论每隔一定时间周期性的发生。表面更 新理论更深刻的揭示了对流传质过程的物理本质——非定态扩散和表面更新， 因 此表面更新理论更能真实的描述流体情况，所得的传质系数更为准确。参见书本 110-113页。 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？ 解析：此题是以前考点的翻版，主要是考查非均相中气泡形成机理，经推导可以
而不是
J kd (cb cs ) ？
解析：此题思辨程度很强，要求首先应该知道 c s 和 cb 的意义， c s 指的是由流体 c 表面向流体内传输的物质在固体和流体界面的浓度， b 指的是该物质在浓度边界 层外流体内部的浓度。应该知道， J 的值始终应当为正值，流体表面向流体内传 输的物质在固体和流体界面浓度是扩散源， 其浓度肯定要比在该物质在浓度边界 层为流体内部的浓度大，也就是 c s 始终是大于 cb 的。此题考查的是边界层理论
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还原的区别。 2）简述熔渣完全离子结构理论模型的假设条件。 解析：此题很简单，熔渣的完全离子结构理论和分子结构理论的假设条件与其相 应的活度计算都是要求掌握的内容。见书51页。 3）描述溶液中活度的三种标准态的热力学特征？ 解析：此题是对活度的三种标准态进行考察，热力学特征即是说明标准态时的特 征值，并且说明取得这三种常用标准态的条件。见书32和35页。要搞清参考态与 标准态的区别，一般来说，参考态主要是针对亨利活度来设定的。因为稀溶液中 纯溶质的蒸汽压不符合亨利定律，而 [%i] 1 时，也往往不符合亨利定律，因此， 必须以理想稀溶液为参考，求出 xi 1或者[%i ] 1时的亨利常数k H ,i 和k %,i 。所以 亨利活度的参考态表述为“以假想纯物质仍符合亨利定律为标准态，以理想溶液 为参考态；或以假想 [%i] 1 时的溶液仍符合亨利定律为标准态，以理想稀溶液 为参考态。要注意，标准态是个点状态，参考态是个线状态。 4）试简单推导当O2的气相分压大于10-5MPa时硫容量的表达式。 解析：此题为常规考点，已经强调很多遍，但是应推导熟练。（书263页）脱硫 的化学方程式及热力学条件分析也要注意，见283-286页。 5）试推导：在铁液中（等温、等压下），除铁元素之外的其他组元的浓度都趋 于零时，组元以1%为标准态的活度系数的表达式（即Wagner模型）。 解析：此题属于考纲范围内，许多考生知道相互作用系数的意义，但是不会推导 瓦格纳模型，因此，在复习时，切忌死记硬背，应该在理解的基础上进行记忆。 即为当铁 推导过程见书本41页。 注意 eij 即定浓度活度相互作用系数的物理意义， 液中组元 i 的浓度保持不变时， j 组元的质量分数每增加1%时，所引起的 i 组元 活度系数对数值的改变。
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海文考研专业课真题评讲系列
北京科技大学专业课冶金物理化学真题评述
2012 年试卷分析
点评人：谷宗喜
1 试卷呈现的特点
本套试卷是北京科技大学 2012 年冶金工程专业冶金物理化学研究生入学考 试真题， 本套试卷呈现的特点是考点新颖、 灵活。 所有考点均在大纲要求范围内， 如果备考复习时未认真全面的复习，想拿高分比较难。 与往年比较来看，初试试题难度在加大，仅仅知其然还不行，还必须知其所 以然。本套试题着重考查了考生对基本概念的思辨能力，而不是仅仅从知识角度 来考查考生知不知道这类知识，更是加强了对相关知识的深刻理解。另外一个显 著特点是，动力学大题在 2009-2011 三年考查的都是气固反应动力学（考查未反 应核膜型） ，而今年考查了液液反应动力学，其中夹杂着计算与基本理论。这就 要求我们不能押题， 而是要脚踏实地的把各个需要复习的章节与内容都能复习到 位。 总体来看，本套试题新颖，对考点把握很准确，可以给考生备考复习起到指 引作用。这套试题告诉我们，应该更加重视对基本概念的理解，应该参考其他书 本，对相关概念搞懂搞透。
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）
E E 和过剩摩尔焓 、过剩摩尔熵 mix S m 6）试推导正规溶液的过剩摩尔自由能 mix Gm E mix H m 。
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 J k d (c s c b )
而不是
J kd (cb cs ) ？
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 [%C ] 3.5,[% Si] 0.6 的铁水兑入转炉中，在 1300℃下吹氧炼 钢， 假定气体压力为 1.01325 105 pa ， 钢液表面的渣中 （以纯物质为标准态）SiO2
Am s =0.43cm2·cm-3, Vm
D(s)=4×10-5cm2·s-1,
m =0.03cm,
其中，Vm 和 Am-s 分别为铁水体积和铁-渣界面积， m 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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溶质渗透理论和表面更新理论基本假设以及公式推导最好掌握， 以免 要求公式推导。 另外， 炼钢过程中一氧化碳气泡长大的机理要求会叙 述，真空冶金过程脱气动力学模型也要求掌握。
2 试题逐题分析
2.1 简答题方面，试题强调对基本概念的理解
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？ 解析：此道题考查了基本的碳氧反应产物及得到该产物的条件，主要是分清楚是 碳过量还是氧过量，然后对产物进行分析，可能会有三种情况，产物为 CO 、产 物为 CO2 、产物为 CO和CO2 的混合物。相关条件主要从碳和氧气的摩尔比来进 行确定。此题考点集中在固体氧化物的还原方面。另外应该注意直接还原和间接