(2025年)冶金技术高级试题及答案

(2025年)冶金技术高级试题及答案一、单项选择题（每题2分，共20分）1.某高炉渣系组成为CaO45%、SiO₂38%、MgO10%、Al₂O₃7%，其碱度（R=CaO/SiO₂）为（）。A.1.18B.1.23C.1.36D.1.422.转炉炼钢过程中，脱碳反应的主要动力学限制环节是（）。A.碳在钢液中的扩散B.氧在钢液中的扩散C.反应界面的化学反应D.气体产物的逸出3.高炉内间接还原反应（FeO+CO=Fe+CO₂）的平衡常数Kp随温度升高而（）。A.增大B.减小C.不变D.先增后减4.钢液中硫的活度系数f[S]随钢中碳含量增加而（）。A.增大B.减小C.不变D.先减后增5.连铸结晶器内钢液的流动状态主要受（）控制。A.拉坯速度B.结晶器振动频率C.浸入式水口结构D.保护渣黏度6.真空脱气处理（如RH）时，氢的脱除速率主要取决于（）。A.真空度B.钢液循环流量C.初始氢含量D.温度7.铝脱氧钢中，Al₂O₃夹杂物的形态控制可通过（）实现。A.提高脱氧前氧含量B.加入钙处理C.降低钢液温度D.增加铝加入量8.高炉炉缸侵蚀的主要原因是（）。A.高温铁水的冲刷B.碱金属的渗透C.渣铁的化学侵蚀D.热应力破坏9.电炉炼钢采用泡沫渣操作的主要目的是（）。A.提高电弧热效率B.减少钢液吸气C.降低渣中FeO含量D.促进脱磷10.镁碳砖在转炉炉衬中应用的主要优势是（）。A.抗渣侵蚀性强B.热导率低C.高温强度高D.成本低廉二、填空题（每空1分，共20分）1.铁水预处理“三脱”是指脱（）、脱（）、脱（）。2.转炉炼钢的主要氧化剂是（）和（）。3.高炉内铁矿石的还原顺序为（）→（）→（）→Fe。4.连铸结晶器的主要作用是（）和（）。5.钢液凝固时，溶质再分配系数k₀=（），当k₀＜1时，溶质会在（）富集。6.炉外精炼中，LF炉的主要功能是（）、（）和（）。7.冶金热力学中，活度的参考态通常选择（）或（）。8.高炉喷吹煤粉后，理论燃烧温度会（），需通过（）补偿热量。三、简答题（每题8分，共40分）1.简述碱性转炉炼钢中高碱度渣对脱磷反应的促进作用机理。2.分析高炉喷吹煤粉对炉内还原过程的影响。3.说明RH真空处理中“循环流量”对脱气效果的影响规律。4.比较直接还原法（DRI）与熔融还原法（如COREX）的工艺特点及适用场景。5.阐述连铸过程中保护渣的“三层结构”及其各自功能。四、计算题（每题10分，共30分）1.已知转炉炼钢终点温度为1650℃，钢液中氧活度a[O]=0.08%（质量分数），碳氧反应平衡常数K=[C][O]×10⁴（温度T时，lgK=-6320/T+2.734）。计算此时碳的平衡含量（质量分数）。2.高炉内进行间接还原反应3Fe₂O₃+CO=2Fe₃O₄+CO₂，已知各物质298K时的ΔGf°（kJ/mol）：Fe₂O₃=-824.2，Fe₃O₄=-1118.4，CO=-137.2，CO₂=-394.4。计算该反应在1000K时的ΔG°，并判断反应自发性（假设ΔH和ΔS不随温度变化）。3.某钢种成分要求[Al]=0.03%（质量分数），采用铝脱氧，反应式为2[Al]+3[O]=Al₂O₃(s)，平衡常数K=1/([Al]²[O]³×10⁹)（lgK=60960/T-23.05）。若出钢温度为1600℃，计算脱氧后钢液中的平衡氧含量（质量分数）。五、综合分析题（20分）某厂生产HRB500E抗震钢筋，成分要求C≤0.25%、Si=0.40-0.80%、Mn=1.20-1.60%、V=0.04-0.08%、S≤0.025%、P≤0.025%。结合冶金原理，分析以下问题：（1）转炉冶炼终点控制的关键参数（温度、碳含量、氧含量）及依据；（2）LF精炼阶段需完成的主要任务（脱硫、合金化、温度调整）及工艺措施；（3）连铸过程中防止铸坯表面裂纹的技术措施（从结晶器冷却、二次冷却、拉速控制等方面分析）。答案一、单项选择题1.A（45/38≈1.18）2.B（氧扩散为限制环节）3.B（间接还原为放热反应，升温平衡逆向）4.A（碳与硫存在正交互作用）5.C（水口结构决定流场）6.B（循环流量影响传质速率）7.B（钙处理可改性为低熔点夹杂物）8.C（渣铁中的FeO、CaO等侵蚀碳砖）9.A（泡沫渣覆盖电弧，减少热损失）10.A（MgO抗渣性好，碳提高热震稳定性）二、填空题1.硅、磷、硫；2.氧气、铁矿石（或氧化铁皮）；3.Fe₂O₃、Fe₃O₄、FeO；4.初步凝固成型、控制传热；5.固相浓度/液相浓度、凝固前沿；6.升温、脱硫、微调成分；7.纯物质（标准态）、1%浓度（亨利定律）；8.降低、提高风温（或富氧）三、简答题1.高碱度渣（CaO含量高）通过以下方式促进脱磷：①提供大量O²⁻离子，与P₂O₅结合提供稳定的3CaO·P₂O₅，降低渣中P₂O₅活度；②提高渣中CaO活度，推动脱磷反应（2[P]+5[O]+4CaO=4CaO·P₂O₅）正向进行；③高碱度渣黏度较低，促进磷在渣钢间的传质。2.喷吹煤粉对高炉还原的影响：①煤粉分解产生H₂和CO，增加还原性气体浓度，促进间接还原；②煤粉燃烧消耗O₂，降低风口前燃烧带温度，可能影响直接还原（C+FeO=Fe+CO）的强度；③煤粉中的灰分（SiO₂、Al₂O₃）增加渣量，可能阻碍矿石与煤气的接触；④需提高风温补偿热量，高温有利于CO分解（2CO=CO₂+C），增强碳素沉积，改善料柱透气性。3.RH循环流量（Q）与脱气速率（d[H]/dt）的关系为d[H]/dt=-KQ（[H]-[H]eq），其中K为传质系数。循环流量增大时，单位时间内参与脱气的钢液量增加，氢的脱除速率加快；但Q过大可能导致钢液飞溅，增加二次氧化风险。实际生产中需优化提升气体流量和浸渍管直径，以获得最佳Q（通常100-200t/min）。4.直接还原法（DRI）：在固态下用还原性气体（H₂、CO）将铁矿石还原为金属铁（金属化率＞90%），温度＜1000℃，产品为海绵铁；适用于天然气丰富地区（如Midrex法），可作为电炉炼钢原料，减少废钢依赖。熔融还原法（COREX）：将铁矿石熔融并还原为铁水，温度＞1400℃，集成了高炉的造渣和熔化功能，无需焦炉；适用于缺焦地区，可直接为转炉提供铁水，但投资和能耗较高。5.保护渣三层结构：①粉渣层（未熔化）：绝热保温，减少结晶器散热；②烧结层（半熔化）：缓冲钢液对结晶器的冲击，稳定渣膜形成；③液渣层（完全熔化）：润滑坯壳与结晶器，减少摩擦；控制传热（通过调整渣中SiO₂、CaO含量改变凝固温度和黏度），均匀坯壳生长，防止裂纹。四、计算题1.解：T=1650+273=1923K，lgK=-6320/1923+2.734≈-3.286+2.734=-0.552，K=10^-0.552≈0.28。平衡时[C][O]×10⁴=K，已知a[O]=0.08%（近似为质量分数），则[C]=K/([O]×10⁴)=0.28/(0.08×10⁴)=0.00035=0.035%。2.解：反应ΔGf°=2×(-1118.4)+(-394.4)-[3×(-824.2)+(-137.2)]=(-2236.8-394.4)-(-2472.6-137.2)=-2631.2+2609.8=-21.4kJ/mol（298K）。ΔH=ΔG+TΔS，假设ΔH和ΔS不变，ΔS=(ΔG298-ΔH)/298，但更简单的方法是利用ΔG=ΔH-TΔS。先求ΔH298：各物质ΔHf°（kJ/mol）：Fe₂O₃=-824.2，Fe₃O₄=-1118.4，CO=-110.5，CO₂=-393.5。ΔH298=2×(-1118.4)+(-393.5)-[3×(-824.2)+(-110.5)]=(-2236.8-393.5)-(-2472.6-110.5)=-2630.3+2583.1=-47.2kJ/mol。ΔS298=(ΔH298-ΔG298)/298=(-47200+21400)/298≈-86.6J/(mol·K)。1000K时ΔG=ΔH-TΔS=-47200-1000×(-86.6)=-47200+86600=39400J/mol=39.4kJ/mol＞0，反应非自发。3.解：T=1600+273=1873K，lgK=60960/1873-23.05≈32.55-23.05=9.5，K=10^9.5≈3.16×10^9。反应式为2[Al]+3[O]=Al₂O₃(s)，平衡常数K=1/([Al]²[O]³×10⁹)（注意单位转换：质量分数需乘以100转化为%，但此处公式已包含×10⁹，故直接代入%含量）。已知[Al]=0.03%，则[O]³=1/(K×[Al]²×10⁹)=1/(3.16×10^9×0.03²×10^9)=1/(3.16×10^9×9×10^-4×10^9)=1/(2.844×10^15)≈3.52×10^-16，[O]≈7.06×10^-6=0.000706%。五、综合分析题（1）转炉终点控制：温度需控制在1630-1670℃（HRB500E含V，需保证合金熔化，同时避免过吹）；碳含量控制在0.08-0.12%（过低增加脱氧剂消耗，过高影响后续合金化）；氧含量控制在0.04-0.06%（保证脱氧反应动力学，同时防止钢液过氧化导致夹杂增多）。依据：碳氧平衡（温度与[C][O]积相关）、合金熔化温度（V熔点1910℃，需足够温度）、后续LF精炼脱硫（高氧不利于脱硫，需适度控制）。（2）LF精炼任务：①脱硫：加入CaO-Al₂O₃基高碱度渣（R=3-4），吹氩搅拌促进硫在渣钢间传质，控制渣中FeO＜1%（降低氧势）；②合金化：先加Mn、Si（熔点较低），后加V（熔点高，需升温至1620℃以上），采用分批加入并搅拌均匀；③温度调整：通过电极加热将钢液升温至1580-1600℃（满足连铸拉速要求，过热度20-30℃）。（3）防止表面裂纹措施：①结晶器冷