《冶金物理化学研究方法》试题库.doc

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第一部分《冶金实验研究方法》主要教学内容

一、课程的性质与任务：

冶金试验研究方法包括“高温冶金物理化学研究的基本技术”和“高温冶金物理化学实验研究方法”两部分内容。

本课程是冶金工程专业的一门主要专业课程，为必修课程。

本课程的基本任务：

掌握冶金实验的基本理论和基本技能；能够进行冶金学科方向的科学实验和数据处理。

二、课程的基本内容及要求：

第一部分高温冶金物理化学的基本技术

第一章实验室的高温获得主要内容

（1）冶金实验的高温特点

（2）获得高温的方法：

电阻炉、感应炉、电弧炉和等离子炉等高温炉的内容（重要）

（3）电阻炉恒温带概念、测定意义和方法

（4）冶金常用金属和非金属电热体的种类、特点和选择

第二章温度测量方法主要内容

（1）温标及温度的测量方法

（2）热电偶的工作原理、结构和使用（重要）

（3）辐射温度计的工作原理，介绍常用几种辐射温度计

第三章实验室用耐火材料（了解）内容

（1）耐火材料的性能指标

（2）常用耐火材料化合物

（3）耐火材料的制造工艺以及常见问题

第四章气体净化及气氛控制

1、主要内容

（1）气体储备和安全使用：

防毒、防火、防爆（使用常识）

（2）常用气体净化方法：

吸收、吸附、催化和冷凝及其内容（掌握）

（3）常用的气体净化剂：

干燥剂、脱氧剂和吸附剂，其中分子筛吸附原理是重要内容

（4）气体流量的测定：

转子流量计（常识）和毛细管流量计（了解）

第五章真空技术

1、主要内容

（1）了解真空技术对冶金工业发展的意义

（2）真空的概念和真空度的分类（常识）

（3）真空泵的类别和机械真空泵、双级泵工作原理及安全使用（掌握）

（4）真空规测量真空度麦克劳真空规、热电阻真空规、热电偶真空规和热阴极电离真空规的原理和使用（掌握）

第二部分高温冶金物理化学的实验研究方法

第七章量热技术（了解量热的概念）

第八章固体电解质的原理及应用主要内容（重要）

（1）固体电解质的概念和导电机理

（2）氧化物固体电解质电池的工作原理

（3）固体电解质传感器的设计与使用（自学）

（4）固体电解质氧电池在炼钢中的应用

第九章化学平衡的研究主要内容

（1）化学平衡的研究内容（了解）

（2）实验研究的技术步骤高温炉的选择、建立化学位、氧位的建立和控制、平衡时间的确定、取样、选择坩埚（掌握）

（3）化合物和熔体组元热力学数据确定（掌握）

第十章相平衡的研究

动态法和静态法测定相图的原理

第十二、十三、十四章熔体物理性能的测定主要内容（重要）

（1）概述熔体物性的研究在冶金研究中的地位

（2）表面张力的测定原理和测定方法，其中概念：

表面活性物质、表面张力和温度的关系等知识点要掌握

（3）密度的测定原理和测定方法

（4）粘度的测定原理和方法，其中粘度和温度的关系、粘流活化能、熔化性温度概念要掌握

（5）电导率的概念和单位要掌握

第十六章热分析技术（重要）

1.主要内容

（1）热分析技术的定义、分类和研究应用

（2）差热分析技术DTA的原理和方法

（3）差示扫描量热技术DSC的原理和方法

（4）热重技术TG的原理和方法

第十七章夹杂物及物相分析主要内容

（1）夹杂物的概念、在钢铁中的作用和分类（了解）

（2）物相分析定义和分析方法：

显微分析法金相法、显微硬度法、化学腐蚀法、岩相法（概念要掌握）

（3）相的提取和分离技术：

化学提取、电解法、物理分离法（了解）

第十九章冶金反应工程学研究（重要）主要内容

（1）冶金反应工程学的概念、研究内容和方法

（2）停留时间分布法表示方法和实验测定等

（3）物理模拟法数学模型法和数学模拟法的概念和应用

第二十章实验设计方法（重要）主要内容

（1）概述实验设计对实验研究的重要作用

（2）正交实验设计法的定义和设计步骤

说明：

未涉及到的教材章节作为自学内容.

第二部分试题类型

一名词解释（共20分）

二填空（共20分）

三判断题（共5分）

四简答题（25分）

五解答题（30分）

第三部分《冶金实验研究方法》试题库

1名词解释

表面活性物质

耐火材料

固体电解质

恒温带

相

电阻老化

热分析

粘流活化能

电导

DTA差热分析

DSC差示扫描量热

TG热重分析

金相法

显微硬度法

化学腐蚀法

岩相法

1.表面活性物质：

熔体的表面张力与组成有密切关系，熔体中能够剧烈降低溶剂表面张力的物质。

2.耐火材料：

耐火度不低于1580度的无机非金属材料。

3.固体电解质：

就是离子在其中有较高迁移速度的固态物质

4.恒温带：

具有一定恒温精度的炉内长度。

5.电阻老化：

电阻在使用过程中，电阻率缓慢增大的现象。

6.

7.热分析：

在程序控温条件下，研究物质物理性质随温度变化的方法。

8.差热分析法（DTA）：

是在程序控制温度下，测量物质和参比物之间温度差vs温度关系的一种技术

9.差示扫描量热法（DSC）：

是在程序控制温度下，测量输入到物质和参比物的功率差vs温度关系

10.热重法（TG）：

测得的记录质量变化vs温度的关系曲线。

11.冶金反应工程学：

借助反应速率理论和传递过程理论，目的在于阐明反应器的特性，决定反应操作条件，力求按最佳的状态控制反应过程，最终取得综合的技术经济效益。

12.粘流活化能：

粘度温度关系为：

，是粘流活化能，包含两部分能量：

一部分为造成质点移动形成孔穴所必须的能量，另一部分为质点通过孔穴移动的附加能量。

3填空

1）为了实现不接触测定高温，可选择的测温计有（

）。

2）双铂铑热电偶的材料是

，分度号为

3）热力学温度是常用的一种温度表示方法，其单位为

。

4）实验室常用的气体净化方法有：

（四种）。

5）测量真空度的仪器叫真空规，通常使用的有麦克劳真空规，

（三种）。

6）当一稳恒电流通过一个导体时，其电流和施加与导体两端的电压成正比，该比例常数称为物体的

，单位是

。

7）表面张力的单位是

，

8）实验室用

法测定炉渣粘度，用

法测定表面张力。

9）常用的显微分析法有四种，分别是：

。

10）冶金反应器内发生的过程有

（两大类）。

11）物相的显微分析方法有四种：

金相法、显微硬度法、化学腐蚀法和岩相法。

4判断

1）随着铂铑合金电热体中铑含量的增加，最高使用温度下降。

（）

2）一般而言，电阻炉内温度越高，其对应的恒温带越长。

（）

3）体系的气体压力高，对应的真空度高。

（）

4）两种混合气体通入炉中，二者相对分子质量差别越大，热偏析程度越小。

（选作）

5）旋片式机械真空泵一般作为前级泵使用。

（）

6）表面能和表面张力是从不同角度来描述不同材料间的界面性质。

（）

7）所有熔体的表面张力都是随着温度的升高而减小的。

（）

8）固体电解质使用中要求有较高的电子迁移速率。

（）

9）从原理上来讲，计算热力学数据时标准态的选择是任意的。

（）

10）熔体粘度和温度之间是线性对应关系。

（）

11）夹杂物在钢中的作用都是有害的。

（）

12）在使用电解法进行相提取和分离时，应采取适当低的电解液温度。

（）

13）DTA曲线上向下的峰表示放热。

14）DSC曲线中，向上的峰表示试样吸热。

（）

15）热分析实验研究中，升温速率越快，检测灵敏度越高。

（）

16）表面张力与液体质点间的结合状态有关，以下液体表面张力由大到小为：

金属液体>离子液体>分子液体.（）

17）中频炉的频率范围在：

150-10000Hz

18）双铂铑热电偶的使用材料是：

PbRh30-PbRh6

4简答、问答题：

4.1高温部分

1）简述恒温带的测定意义和测量方法。

2）简述实验室获得高温的方法。

（要求：

至少举出四种并简要说明原理）。

3）简述热电偶的测温原理，并举出一种冶金常用热电偶的材料和分度号。

4）简述吸附剂分子筛对分子尺寸和极性的筛选作用。

5）气体分子的临界尺寸如表所示，分子筛的孔隙直径为0.35nm，请问能被分子筛吸附的气体分子有哪些？

表气体分子临界尺寸

实验技术部分

6）t℃时，已知数值，自行画示意图求出与其对应的/的点。

7）解释相似准数的概念和研究意义。

8）在物理模拟法中，如何理解雷诺数相等，则粘性力和惯性力动力相似的说法？

（选作）

9）举出三种常用热分析技术的名称和工作原理。

10）升温速率快对热分析曲线的影响。

答案：

升温速率是热分析重要试验条件之一，可直接影响DTA曲线峰的形状、位置和相邻峰的分辨率，主要体现在以下几个方面：

升温速度快，加重了试样内部的温差，导致出现以下情形：

第一升温速率快，曲线向高温方向移动，原本在低温下发生的相变或反应要推移到高温区进行；

第二对于单个相变/反应点，当样品内部达到相变/反应温度时，相变/反应快速进行，峰顶温度高，峰的形状变陡，检测灵敏度高，有利于检测热效应小的过程（比如相变过程）（比如铝熔化，当中心温度达到熔点时，样品平均温度高于熔点，熔化迅速，表现为吸热峰高大）；

第三快速升温时，试样内部会同时存在多个相变/反应区，相邻峰谷会叠加在一起，减小了其间的分辨率。

（比如ZrOCl2.10H2O物质，在升温过程中客观存在连续脱水的过程，即存在几个脱水吸热谷。

当慢速升温是能明显分开几个脱水阶段，在快速升温时就合并为单一阶段，或者说表现为峰宽增加。

）

11）悬浮熔炼方法是一种较新的研究化学平衡的方法，请叙述该方法的优越性。

12）简述冶金反应工程学的三种常用研究方法。

（19章）

13）画出固体电解质氧浓差电池工作原理示意图，并写出正极、负极和总反应公式。

14）根据下图给出的五组不同配比的CuNi合金试样的热分析曲线，用动态法原理画出CuNi合金相图。

19）（5分）给出图中O点处ABC组分的含量。

（自己分析下：

A40%B30%C30%）

简答题答案

1.第一电阻炉：

当电流流过导体时，因导体存在电阻而发热，用于加热炉膛；第二感应炉：

在线圈中放一导体，当线圈中通过交流电时在导体中就被感应出电流，借助导体电阻而发热；第三电弧炉：

利用电弧弧光作为热源来加热物体，广泛用于工业熔炼炉；第四等离子炉：

利用气体分子在电弧区高温作用下离解为阳离子和自由电子而达到极高温。

2.分子筛的筛选作用在于：

只有临界尺寸小于孔隙直径的分子才能进入孔隙而被吸附；分子筛对进入孔道中的分子具有选择性，对大小相近的分子，极性越大越容易被吸附，水是极性分子，对水有很强的吸附能力。

3.旋片式真空泵：

整个泵体浸没在真空泵油中，转子紧贴在定子圆柱形空腔的上部，并和空腔不同轴。

转子由电动机带动在空腔内旋转，由于弹簧的作用，转子上的翼片总是紧贴在空腔壁上。

当转子顺时针方向转动时，与进气管2相通的空腔逐渐增大并吸入气体，与排气阀相通的空腔则逐渐缩小，将气体压缩，直至冲开阀门，通过油层排入排气管进入大气。

第二点，扩散泵工作原理：

被抽系统的气体分子由于热运动扩散经过进气口进入下面空间中，在大量高速定向运动的油分子碰撞下被带到泵的下部，经过排气口经过前级泵抽走。

4.差热分析：

简称DTA，是在程序控制温度下，测量物质和参比物之间温度差vs温度关系的一种技术；差示扫描量热法：

简称DSC,是在程序控制温度下，测量输入到物质和参比物的功率差vs温度关系；热重法：

简称TG，是在程序控制温度下，测量物质质量vs温度关系的技术。

5.第一停留时间分步法，考察物料在反应器内的停留时间和停留时间分布通过停留时间分布的预测可以推知所考察的反应器处于怎样的流动状态；第二物理模拟法，不直接研究自然现象或过程本身，而是用与这些自然现象或过程相似的模型来研究。

第三，数学模型方法，就是通过对复杂的实际过程进行分析，按照等效性的原则进行合理的简化，使原型成为易于数学描述的物理模型，并使其符合实际过程的规律性。

第四数学模拟法。

建立反应器的相关性质（能量、动量和质量等）的微分方程；并确定边界条件；进行解析。

6.研究目的是要了解炉膛内的温度分布规律，用于确定恒温带的位置，确保高温冶金恒温实验。

对于竖式电阻炉，测定恒温带的方法步骤为：

①用控温柜将炉子升到预定温度上，恒温一段时间；

②取测量热电偶，用双孔绝缘磁管套上，选用精密电位差计测量热电偶的电动势；

③把测量热电偶置于炉管内轴线位置上，工作端由炉口一端拉向另一端，每隔一段时间停留片刻，测出停留点的温度值；

④画出炉膛纵向温度分布曲线

⑤为减少实验误差，重复测量取平均值

7.动态法：

是记录样品在加热或冷却过程中的时间-温度关系曲线。

如果体系在加热或冷却过程中无任何转变发生，则时间-温度曲线呈有规律连续变化；如果体系有某种转变发生，则伴有放热或吸热现象，在加热或冷却曲线上将出现转折或水平温度部分。

根据这些转折点或停顿点就可以确定转变发生的温度。

第二点静态法是在一定条件下使试样在某一温度下达到平衡，然后在该温度下用高温x射线衍射仪或高温显微镜等研究相的组成和结构/或迅速将式样冷却至室温，在室温下进行项分析和结构分析及性质测定来研究相平衡的。

8.一个金相试样，要检测微观组织，需要经过以下步骤：

第一步制样。

切取一定尺寸的块体，用砂纸磨并抛光至表面光洁；第二步根据需要，用相应腐蚀剂进行表面腐蚀，选用金相显微镜观察金相组织。

按照现行检测技术，金相显微镜可以拍到放大1000倍的金相图；3.如果要拍摄更高倍数的组织图，需要选择扫描电镜。

可以清晰将观察区域放大到30000倍。

要检测成分一般采用以下方法：

一般用电镜自带的能谱仪分析试样中元素种类和含量，比如能检测出有Al和O两个元素；用X射线衍射仪分析试样中的具体物质，能检测出是Al2O3物质。

5.解答题

5.1关于热电偶使用

（参考分－5分）用PtRh10-Rh热电偶测炉温时,自由端温度t1=30℃,在直流电位差计上测得的热电动势E（t,30）=13.542mV,试求炉温.

解:

设真实炉温t,t1=30℃

相应的S分度表查得E（30,0）=0.173mv,由

E（t,0）=E（t,t1）+E（t1,0）

=13.542+0.713=13.715mV

对应温度为1346℃

如果自由端不修正,所测的13.542mV对应1332℃,相差14℃

5.2.固体电解质公式推导

实例：

钢液定氧用固体电解质，其使用Mo/MoO2作参比电极，参比电极引线用钼丝（Mo），与钢液接触的回路电极也采用钼棒，其电池表达式为

（—）Mo|[O]Fe|ZrO2-MgO|Mo，MoO2|Mo（+）

已知Mo（s）+O2=MoO2（s），=-529600+142.87T（J/mol）；

O2=2[O]Fe，=-23400-5.77T（J/mol），

推导氧活度的表达式：

=+3.885

5.3.实验设计方法（20章－非常重要）要求：

记住表格布局+填写表格中的空白数据，并给出计算方法

题目实例：

为了研究脱磷率，选择三个有关因子进行条件实验，三个因子及其对应的实验范围依次是：

炉渣碱度（2.0、2.2、2.5）、反应温度（1500℃、1550℃、1600℃）和渣中（FeO）含量（5%、8%、10%），对应的脱磷率（%）可依次填写为31、54、38、53、49、42、57、62、64。

要求：

（1）用L9（34）来设计正交实验；

（2）分析确定最佳的反应条件组合；

（3）分析确定影响脱磷率的主次因素。

8