2025年钢铁冶金专业考试试题及答案

2025年钢铁冶金专业考试试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.高炉炼铁过程中，以下哪种物质是主要的间接还原剂？A.CO₂B.H₂OC.COD.CH₄答案：C2.转炉炼钢时，硅元素的氧化反应主要发生在吹炼的哪个阶段？A.前期（0-3分钟）B.中期（4-12分钟）C.后期（13-16分钟）D.终点前1分钟答案：A3.连铸过程中，结晶器内钢水液面波动超过±5mm时，最易引发的缺陷是？A.中心疏松B.表面纵裂C.角部横裂D.卷渣答案：D4.铁水预处理脱硫时，采用镁基脱硫剂的主要优点是？A.成本低B.脱硫效率高且渣量少C.操作温度要求低D.对铁水温降影响小答案：B5.铁矿石还原过程中，Fe₃O₄还原为FeO的反应属于？A.直接还原B.间接还原C.气相还原D.固相还原答案：B6.电炉炼钢采用泡沫渣操作的主要目的是？A.减少钢水吸气B.提高电弧热效率C.降低炉渣碱度D.促进脱磷反应答案：B7.高炉炉缸堆积时，以下哪种现象最可能出现？A.风口明亮且活跃B.铁水温度显著升高C.渣铁分离困难，铁中带渣多D.炉顶煤气CO₂含量上升答案：C8.钢中硫含量过高会导致？A.冷脆B.热脆C.时效脆化D.氢脆答案：B9.连铸二冷区采用气雾冷却的主要优势是？A.冷却强度大B.冷却均匀性好C.设备投资低D.对水质要求低答案：B10.直接还原铁（DRI）的金属化率通常要求达到？A.60%-70%B.70%-80%C.80%-90%D.90%以上答案：D二、填空题（每空1分，共20分）1.高炉炼铁的主要产品是生铁和______，副产品包括炉渣、煤气和______。答案：炉尘；高炉煤气2.转炉炼钢的主要热源来自铁水中元素的氧化放热，其中______的氧化放热约占总热量的40%-50%。答案：碳3.连铸结晶器的主要作用是使钢水初步凝固形成具有一定厚度的______，并通过______运动防止坯壳与结晶器粘结。答案：坯壳；振动4.铁水预处理脱硅常用的氧化剂是______或______。答案：烧结矿；氧化铁皮5.铁矿石的还原性通常用______来表示，其值越高，矿石越易还原。答案：还原度6.钢中非金属夹杂物按来源可分为______夹杂物和______夹杂物，前者由冶炼过程中化学反应提供，后者由炉渣或耐材卷入形成。答案：内生；外来7.高炉喷吹煤粉时，为防止爆炸，煤粉的挥发分应控制在______以下（烟煤与无烟煤混合喷吹时）。答案：25%8.转炉终点控制的“双命中”是指______和______同时达到目标值。答案：温度；成分（或碳含量）9.连铸坯的凝固结构由外到内依次为______、______和中心等轴晶区。答案：激冷层；柱状晶区10.钢的淬透性主要取决于______的含量，其含量越高，淬透性越好。答案：碳三、简答题（每题8分，共40分）1.简述高炉炼铁中炉渣的主要作用。答案：高炉炉渣的主要作用包括：①分离铁水与杂质：通过熔化的炉渣与铁水的密度差，实现渣铁分离，确保生铁质量；②脱硫：炉渣中的CaO等碱性氧化物与铁水中的硫反应提供稳定的硫化物（如CaS），进入渣相脱除；③保护炉衬：液态渣层覆盖在炉缸铁水表面，减少铁水对炉衬的冲刷和侵蚀；④调节高炉热制度：炉渣的熔化温度和黏度影响高炉内热量传递和透气性，合理的炉渣性能可维持炉况稳定；⑤回收资源：炉渣经处理后可用于生产水泥、矿渣微粉等建筑材料，实现资源综合利用。2.说明转炉炼钢吹炼过程中“返干”现象的成因及危害。答案：“返干”是指转炉吹炼中期，由于熔池温度升高，前期形成的低熔点（FeO含量高）炉渣中的FeO被大量消耗（用于脱碳反应），导致炉渣熔点升高、黏度增大甚至部分凝固的现象。成因主要包括：①吹炼中期碳氧反应剧烈，大量消耗渣中FeO；②冷却剂（如矿石、废钢）加入过多，熔池升温慢，渣中FeO未及时补充；③石灰加入过早或过量，CaO未充分熔化，炉渣碱度过高。危害：①炉渣黏度大，阻碍元素扩散，脱磷、脱硫反应速率下降；②渣层变薄，对炉衬的保护作用减弱，加剧炉衬侵蚀；③金属液滴飞溅增加，金属收得率降低；④严重返干时可能导致喷溅，影响操作安全。3.分析连铸坯中心偏析的形成原因及控制措施。答案：中心偏析是指连铸坯凝固末期，溶质元素（如C、S、P等）在中心区域富集的现象。形成原因：①凝固过程中，溶质元素在固液界面分配，液相中溶质浓度高于固相，随柱状晶生长，溶质被推向中心液相区；②凝固末期，中心液相区因树枝晶搭桥形成封闭区域，剩余液相在凝固收缩和钢水静压力作用下流动，将高浓度溶质带入中心；③拉速过快或二冷强度不足，导致凝固末端液相穴过长，溶质富集更严重。控制措施：①低过热度浇注：降低钢水浇注温度，减少柱状晶生长，促进等轴晶形成，抑制溶质偏聚；②动态轻压下：在凝固末端对铸坯施加压力，补偿凝固收缩，减少液相流动；③电磁搅拌：通过电磁力搅拌凝固前沿的液相，促进溶质均匀分布，抑制柱状晶发展；④优化二冷制度：采用弱冷模式，减缓凝固速率，缩短液相穴长度；⑤成分设计：控制易偏析元素（如S、P）的含量，降低偏析倾向。4.简述钢中氢的来源及氢脆的预防措施。答案：钢中氢的来源主要包括：①原材料带入：铁水、废钢表面吸附的水分，石灰、合金等辅助材料中的结晶水或吸附水；②冶炼过程吸气：转炉、电炉炼钢时，炉气中的H₂O、H₂通过熔池表面或炉渣进入钢液；③连铸过程：保护渣或覆盖剂中的水分，结晶器冷却水泄漏进入钢液。氢脆是指钢中溶解的氢在应力作用下聚集形成氢分子，产生内应力，导致材料脆化甚至开裂的现象。预防措施：①严格控制原材料水分：对废钢、石灰、合金等进行干燥处理，降低入炉原料的氢含量；②加强冶炼过程保护：采用顶底复吹转炉减少空气吸入，电炉炼钢时保持炉内微正压，防止H₂O进入；③真空处理：通过RH、VD等真空脱气装置降低钢中氢含量（一般要求氢含量≤2ppm）；④缓冷处理：对高碳钢或大断面铸坯，采用缓冷工艺，使氢在冷却过程中扩散逸出；⑤成分优化：加入Ti、V等元素形成稳定的碳氮化物，固定间隙原子，减少氢的扩散通道。5.比较熔融还原炼铁（如COREX）与高炉炼铁的主要差异。答案：熔融还原与高炉炼铁的主要差异体现在以下方面：①原料要求：高炉需使用焦炭（或高反应性焦）和烧结矿/球团矿，对矿石品位和焦炭强度要求高；熔融还原可使用非焦煤（如褐煤、烟煤）和块矿/球团矿，无需优质焦炭。②流程结构：高炉为单一竖式炉，依赖焦炭的骨架作用维持透气性；熔融还原通常由预还原炉（如竖炉）和熔融气化炉组成，预还原炉完成矿石的部分还原（金属化率约90%），熔融气化炉完成终还原和熔化。③反应机理：高炉内以间接还原（CO还原）为主，直接还原（C还原）比例较低（约20%-30%）；熔融还原中，预还原阶段以间接还原为主，熔融气化炉内以碳的直接还原为主（金属化率提升至95%以上）。④环保与能耗：高炉流程长（需炼焦、烧结），污染排放（如SO₂、粉尘）较大；熔融还原取消炼焦和烧结工序，减少污染，但目前能耗（约10-12GJ/t）略高于高炉（约8-9GJ/t）。⑤产品特性：高炉生铁含碳3.5%-4.5%，硅0.3%-1.2%；熔融还原生铁成分与高炉相近，但硫含量可能略高（需加强脱硫）。四、计算题（每题10分，共20分）1.某高炉使用磁铁矿（Fe₃O₄含量90%，脉石SiO₂含量5%）炼铁，焦比为380kg/t，煤比为150kg/t。已知：煤粉含碳80%，焦炭含碳85%；铁矿石还原后，98%的铁进入生铁（生铁含铁94%），2%的铁进入炉渣；炉渣中SiO₂含量为35%（质量分数）。计算每吨生铁消耗的铁矿石量（保留两位小数）。解：（1）生铁中Fe的质量：1t生铁×94%=0.94t=940kg（2）进入炉渣的Fe质量：940kg/98%×2%≈19.18kg（3）铁矿石中Fe的总质量：940kg+19.18kg=959.18kg（4）磁铁矿（Fe₃O₄）的含铁量：Fe₃O₄分子量232，Fe原子量56×3=168，故Fe含量=168/232≈72.41%（5）每吨铁矿石中Fe的质量：1t矿石×90%×72.41%=0.6517t=651.7kg（6）所需铁矿石量：959.18kg/651.7kg/t≈1.47t答案：1.47吨2.某转炉冶炼Q235钢，装入量150t（铁水140t，废钢10t），铁水成分：C4.2%，Si0.8%，Mn0.5%，P0.15%；废钢成分：C0.2%，Si0.1%，Mn0.3%，P0.05%。吹炼终点钢水成分：C0.18%，Si0.02%，Mn0.25%，P0.02%。假设元素氧化率：C90%（其余随炉气逸出），Si95%，Mn80%，P85%。计算每吨钢水的氧气消耗量（O₂密度1.429kg/m³，保留两位小数）。解：（1）计算各元素的总入量（以150t装入量计）：铁水中各元素质量：C：140t×4.2%=5.88tSi：140t×0.8%=1.12tMn：140t×0.5%=0.7tP：140t×0.15%=0.21t废钢中各元素质量：C：10t×0.2%=0.02tSi：10t×0.1%=0.01tMn：10t×0.3%=0.03tP：10t×0.05%=0.005t总入量：C：5.88+0.02=5.90t；Si：1.12+0.01=1.13t；Mn：0.7+0.03=0.73t；P：0.21+0.005=0.215t（2）计算各元素的氧化量（以150t钢水计，终点钢水量≈150t-渣量-炉气，但简化为150t）：C氧化量：总入量-终点残留量-逸出量终点残留C：150t×0.18%=0.27t逸出C：总入量×(1-90%)=5.90t×10%=0.59t氧化C：5.90-0.27-0.59=5.04tSi氧化量：总入量-终点残留量=1.13t-(150t×0.02%)=1.13-0.03=1.10t（Si氧化率95%，但实际氧化量=总入量-残留量，因Si残留极低，故近似为1.10t）Mn氧化量：总入量-终点残留量=0.73t-(150t×0.25%)=0.73-0.375=0.355t（氧化率80%，验证：0.73t×80%=0.584t，与0.355t不符，说明简化计算应直接用残留量计算）P氧化量：总入量-终点残留量=0.215t-(150t×0.02%)=0.215-0.03=0.185t（氧化率85%，验证：0.215×85%=0.182t，接近0.185t，误差可接受）（3）计算各元素氧化所需O₂量：C氧化反应：C+O₂=CO₂（假设完全氧化为CO₂）1molC需1molO₂，C摩尔质量12g/mol，O₂摩尔质量32g/molC氧化量5.04t=5,040,000g，所需O₂质量=5,040,000g×(32/12)=13,440,000g=13.44tSi氧化反应：Si+O₂=SiO₂1molSi需1molO₂，Si摩尔质量28g/molSi氧化量1.10t=1,100,000g，所需O₂质量=1,100,000g×(32/28)≈1,257,142.86g≈1.257tMn氧化反应：2Mn+O₂=2MnO2molMn需1molO₂，Mn摩尔质量55g/molMn氧化量0.355t=355,000g，所需O₂质量=355,000g×(32)/(2×55)≈103,272.73g≈0.103tP氧化反应：4P+5O₂=2P₂O₅4molP需5molO₂，P摩尔质量31g/molP氧化量0.185t=185,000g，所需O₂质量=185,000g×(5×32)/(4×31)≈238,709.68g≈0.239t（4）总O₂消耗量：13.44+1.257+0.103+0.239≈15.039t（5）换算为体积：15.039t=15,039kg，体积=15,039kg/1.429kg/m³≈10524.14m³（6）每吨钢水耗氧量：10524.14m³/150t≈70.16m³/t答案：70.16m³/t五、综合分析题（20分）某钢厂210t转炉冶炼HRB400E抗震钢筋时，连续3炉出现终点碳含量（[C]终）偏高（目标0.22%，实际0.25%-0.28%），同时终点温度（T终）偏低（目标1630℃，实际1580-1600℃）。结合转炉炼钢原理，分析可能原因并提出调整措施。答案：（一）原因分析：1.供氧制度不合理：①氧枪枪位过高或氧气流量不足，导致吹炼过程中氧流对熔池搅拌减弱，碳氧反应速率降低，碳氧化不充分；②吹炼后期未及时降枪提高供氧强度，无法有效脱除剩余碳。2.冷却剂加入不当：①废钢加入量过多或加入时机错误（如在吹炼后期加入大量废钢），导致熔池热量被过多吸收，温度下降，碳氧反应（强吸热）因温度不足而受阻；②矿石（冷却剂）加入量不足，无法通过FeO氧化放热补偿热量，同时矿石分解产生的O₂可促进脱碳。3.铁水成分波动：①铁水初始碳含量过高（如[C]铁水>4.5%），吹炼过程中碳氧化需要更多热量和氧气，若未调整工艺参数，易导致终点碳残留；②铁水硅含量过低（[Si]<0.5%），硅氧化放热减少，熔池升温慢，影响后期脱碳反应。4.底吹效果差：底吹气体（如Ar、N₂）流量或压力不足，熔池搅拌弱，碳、氧扩散速率低，碳氧反应界面减少，导致脱碳不彻底；同时搅拌弱会使熔池温度不均匀，局部低温区抑制碳氧化。5.终点控制失误：①副枪检测或人工经验判断不准确，提前终止吹炼，未达到目标碳含量；②补吹时间不足，