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冶金物理化學考試大綱
I 考查目標
掌握冶金物理化學的基本概念、基本理論及計算方法，正確運用于分析和解決具體問題。
基本理論包括溶液熱力學理論、Gibbs 自由能變化的計算、應用原則及活度數據的獲得原理
和方法、相圖基本原理及典型二三元相圖基礎知識、表面和界面基本理論、冶金動力學基本
理論等，冶金基本熔體（熔渣的基本物理化學性質及在冶金中的作用）、解決冶金實際問題
常用的幾種基本手段和方法（包括化學反應等溫方程式和平衡移動原理的靈活運用；優勢區
圖、位勢圖等幾種熱力學狀態圖的構成原理及使用方法等）。
II 考試形式和試卷結構
一、試卷滿分及考試時間
試卷滿分為 150 分，考試時間 180 分鐘。
二、答題方式
答題方式為閉卷、筆試。允許使用計算器，但不得使用帶有公式和文本存儲功能的計算
器。
三、試卷內容與題型結構
1、名詞解釋題 6 題，每小題 5 分，共 30 分
2、簡答題 6 題，每小題 10 分，共 60 分
3、計算與分析題 4 題，共 60 分
III 考查內容
1、冶金熱力學基礎
化學反應的標準吉布斯自由能變化及平衡常數，溶液的熱力學性質－活度及活度系數，
溶液的熱力學關系式，活度的計算方法，標準溶解吉布斯自由能及溶液中反應的吉布斯自由
能計算。
重點：化學反應的吉布斯自由能計算及由此判斷化學反應進行的方向，活度計算。
2、冶金動力學基礎
化學反應的速率，分子擴散及對流傳質，反應過程動力學方程的建立，新相形成的動力
學。
重點：一、二級化學反應及一級可逆化學反應速率方程推導，菲克第一、第二定律，雙膜
理論，未反應核模型。
3、金屬熔體
熔鐵及其合金的結構，鐵液中組分活度的相互作用，鐵液中元素的溶解及存在形式，熔
鐵及其合金的物理性質。
重點：活度相互作用系數及其轉換關系。
4、冶金爐渣
二元系、三元系相圖的基本知識及基本類型，三元渣系的相圖，熔渣的結構理論，熔渣
的離子溶液結構模型，熔渣的活度曲線圖，熔渣的化學性質，熔渣的物理性質。
重點：二、三元系平衡相的定量法則（直線法則和杠桿定律, 重心法則），分析等溫截面圖
和投影圖。熔渣的結構理論。
5、化合物的形成－分解、氫的燃燒反應
化合物的形成－分解反應的熱力學原理，碳酸鹽的分解反應，氧化物的形成－分解反應，
金屬（鐵）氧化的動力學，可燃氣體的燃燒反應，固體碳的燃燒反應，燃燒反應體系氣相平
衡成分的計算。
重點：平衡組成計算及判斷過程進行的方向。
6、氧化物還原反應
氧化物還原的熱力學條件，氧化物的間接還原反應，氧化物的直接還原反應，金屬熱還
原反應，熔渣中氧化物的還原反應，高爐冶煉的脫硫反應。
重點：氧化物還原的熱力學條件，氧化物的間接還原反應，氧化物的直接還原反應，金屬熱
還原反應，高爐冶煉的脫硫反應熱力學及動力學。
7、氧化熔鐵反應
氧化熔鐵反應的物理化學原理，錳、硅、鉻、釩的氧化反應，脫碳反應，脫磷反應，脫
硫反應，吸氣及脫氣反應，脫氧反應。
重點：選擇性氧化原理，元素在渣金間的平衡分配常數。
IV. 題型示例及參考答案
一、解釋下列概念（每題 5 分，共 30 分）
1、偏摩爾量
2、擴散脫氧
3、硫容量
4、化學反應活化能
5、爐渣
6、一次夾雜物
二、簡要回答下列問題。（每題 10 分，共 60 分）
1、寫出用于二元系活度計算的吉—杜方程。
2、簡述爐渣氧化脫磷的熱力學條件。
3、簡述熔渣分子結構假說。
4、用兩種以上脫氧元素進行復合脫氧是否一定比其中任一單一元素脫氧效果好，為什么？
5、簡述氧氣轉爐吹煉過程脫碳速度的變化情況，寫出相應的關系式并說明之。
6、從氧勢圖上（ TG ??
0
）可以得到哪些信息？
三、試確定原始組成為 50%CO、20%O2、30%CO2 的混合氣體燃燒后的氣相組分的濃度。（10
分）
四、在 1540℃時，Fe-C 系內碳的溶解度為 5.2%，加入硅 2%后，碳的溶解度下降到 4.6%。
求鐵液內硅對碳的相互作用系數：
Si
C
e 。（15 分）
五、在真空感應爐的氧化鎂坩堝內熔煉含碳 0.1%，含鉻 18~20%的不銹鋼返回料，爐內真空
度為 10
-2
~10
-3
mmHg。問在 1600℃時氧化鎂坩堝是否會受到侵蝕？（15 分）
已知：合金中碳的活度系數 fc=0.2。
2C+O2=2CO TG 8.1 6 72 3 2 6 0 0
0
1
????
2Mg(g)+O2=2MgO(g) TG 4.3871428800
0
2
????
C=[C] TG 84.4121338
0
3
???
六、論述雙膜傳質理論的基本要點，試用雙膜理論簡要分析渣鋼反應速度。（20 分）
參考答案
一、解釋下列概念（每題 5 分，共 30 分）
1、偏摩爾量：就是在恒溫、恒壓下溶液的廣度性質 g（U、H、V、S、G）對其組分摩爾量
的偏微商值。
2、擴散脫氧：在煉鋼過程中，根據分配定律鋼液中的[O]向熔渣中擴散，而與加入渣相中的
脫氧元素進行的脫氧反應稱為擴散脫氧。
3、硫容量：爐渣容納或溶解硫的能力，即 2/1
22
)/()(% SOS
PPSC ?? 。
4、化學反應活化能：在化學反應中，由普通分子變成活化分子需要吸收的最小能量。
5、爐渣：爐渣是火法冶金中以氧化物為主要成分形成的多組分熔體。
6、一次夾雜物：由于脫氧產物未能完全排出而殘留在鋼中的夾雜物稱為一次家雜物。
二、簡要回答下列問題。（每題 10 分，共 60 分）
1． 寫出用于二元系活度計算的吉—杜方程。
答：二元系吉—杜方程為： 02211
????
??
GdxGdx
因為： i
alnRTG i ??
?
0lnln 2211
?? adxadx
可得：
?
?
?
??
222
22
ln
ln0
2
1
2
1
lnln
axx
ax
ad
x
x
a
的
的
2． 簡述爐渣氧化脫磷的熱力學條件。
答：由爐渣脫磷反應可知：
92
45
245
2
52
)(%)(%
][%
)(%
OCaP
CaOFeO
PPP
fCaOFeOK
P
OP
L
?
?? ?
??
由上述公式可知，為使脫磷反應進行完全，必要的熱力學條件是：
（1） 較高的爐渣堿度；
（2） 較高的氧化鐵含量；
（3） 較低的熔池溫度；
（4） 大渣量。
3． 簡述熔渣分子結構假說。
答：熔渣分子結構假說要點如下：
（1）熔渣是由各種電中性的氧化物分子及它們之間形成的復雜化合物分子組成的理想溶
液；
（2）各種氧化物和其形成的復雜化合物的分子之間存在著生成和分解的平衡反應。
（3）熔渣中每種氧化物都有兩種不同的存在狀態，以簡單氧化物分子存在的叫自由氧化
物，以復雜化合物分子存在的叫結合氧化物。在熔渣的分子結構假說中自由氧化物的
濃度等于其活度。
4． 用兩種以上脫氧元素進行復合脫氧是否一定比其中任一單一元素脫氧效果好，為什么？
答：兩種以上脫氧元素進行復合脫氧比其中任一單一元素脫氧效果好。
理由如下：
（2） 脫氧元素共同存在于鋼液中，脫氧能力有較大的提高；
（3） 脫氧產物是熔融的，并能促進高熔點氧化物熔化，有利于從鋼液中消除出去；
（4） 能使容易揮發的鈣、鎂在鋼水中的溶解度增加；
（5） 能使夾雜物形態和組成發生變化，有利于改善鋼的性能。
5． 簡述氧氣轉爐吹煉過程脫碳速度的變化情況，寫出相應的關系式并說明之。
答：氧氣轉爐脫碳過程可以分為三個階段，吹煉初期以硅的氧化為主，脫碳速度較小；在吹
煉中期，脫碳速度幾乎為定值；吹煉后期，隨著金屬中含碳量的減少，脫碳速度也降低。因
此，整個脫碳過程中脫碳速度變化的曲線形成為臺階形。
各階段的脫碳速度可以寫出以下關系式：
第一階段： tk
dt
Cd
1
][
??
第二階段： 2
][
k
dt
Cd
??
第三階段： ][
][
3
Ck
dt
Cd
??
其中：k1——決定于[Si]及熔池溫度等因素的常數；
t ——吹煉時間；
k2——高速脫碳階段由氧氣流量所確定的常數；
k3——碳含量減低后，脫碳反應受碳的傳質控制時，由氧流量、槍位等決定的常
數。
6． 從氧勢圖上（ TG ??
0
）可以得到哪些信息？
答：（1） TG ??
0
的關系是直線，直線的斜率是氧化物生成反應熵的負值（-
0
反
S? ）。當反
應的
0
反
S? 為負值時，直線的斜率為正，表明氧化物的穩定性隨溫度升高而減小。當反應的
0
反
S? 為正值時，直線的斜率為負，表明氧化物的穩定性隨溫度升高而增大。當反應的
0
反
S?
接近于零時，直線的斜率趨于零，表明氧化物的穩定性不隨溫度而改變。
（2）在已知溫度和氣相中氧的壓力時，可以確定金屬或氧化物的穩定性。
（3）在指定的溫度下可以比較各種氧化物的相對穩定性。
（4）可以確定 CO/CO2 或 H2O/H2 混合氣對金屬的氧化還原作用。
三、試確定原始組成為 50%CO、20%O2、30%CO2 的混合氣體燃燒后的氣相組分的濃度。（10
分）
解：取 100m
3
的混合氣體為計算基礎。
該體系內的反應為：2CO+O2=2CO2
可知 CO 與 O2 反應的摩爾量比為 2：1。因此 20m
3
的 O2 和 40m
3
的 CO 反應，形成 40m
3
的 CO2，而原始組成中 50m3
CO 中，剩余 10m3
CO，而氧氣則全部反應。
故平衡氣相的總體積為：10m
3
CO+70m
3
CO2。
因此，燃燒后的氣相平衡成分為：
CO=10/80×100%=12.5%
CO2=70/80×100%=87.5%
四、在 1540℃時，Fe-C 系內碳的溶解度為 5.2%，加入硅 2%后，碳的溶解度下降到 4.6%。
求鐵液內硅對碳的相互作用系數： Si
C
e 。（15 分）
解：鐵液中碳的溶解反應為： 飽石
][% CC ?
反應的平衡常數 ][C
aK ? 。
標準態相同時，Fe—C 系和 Fe—C—Si 系的平衡常數應相等。
即： ][%][% CfCff
C
CSi
Si
C
C
C
?
13.16.4/2.5
][%
][%
???
Si
Si
C
C
C
f
假定在 0~2%Si 濃度范圍內， ][%lg Sif
Si
C
? 成線性關系，可得：
2
1065.2
2
13.1lg
][%
lg
][%
lg ?
???
?
?
?
?
?
?
Si
f
Si
f
e
Si
C
Si
CSi
C
五、在真空感應爐的氧化鎂坩堝內熔煉含碳 0.1%，含鉻 18~20%的不銹鋼返回料，爐內真空
度為 10
-2
~10
-3
mmHg。問在 1600℃時氧化鎂坩堝是否會受到侵蝕？（15 分）
已知：合金中碳的活度系數 fc=0.2。
2C+O2=2CO TG 8.167232600
0
1
????
2Mg(g)+O2=2MgO(g) TG 4.3871428800
0
2
????
C=[C] TG 84.4121338
0
3
???
解：因為 2C+O2=2CO TG 8.167232600
0
1
????
2Mg(g)+O2=2MgO(g) TG 4.3871428800
0
2
????
C=[C] TG 84.4121338
0
3
???
因此可得 MgO 被侵蝕的反應為：
2Mg(s)+[C]=Mg(g)+CO
KRTG ln
0
4
???
其中： 235.76T-576762
2
1
2
1 0
3
0
2
0
1
0
4
???????? GGGG
在 1873K 時可以求得 0
4
G? =135183.52J，則：
681.8
1873314.8
52.135183
ln
0
4
??
?
??
?
??
RT
G
K
求得：K=1.7×10
-4
1.02.0][%
22
?
??
?
? CO
C
CO
C
COMg P
Cf
P
a
PP
K
PCO=1.84×10-3
atm=1.4mmHg
反應析出氣體的壓力為 PMg+PCO=2.8mmHg，此值遠大于爐內的壓力 10-2
~10-3
mmHg，
所以反應能夠進行，坩堝會被侵蝕。
六、論述雙膜傳質理論的基本要點，試用雙膜理論簡要分析渣鋼反應速度。（20 分）
答：1.雙膜傳質理論的基本要點如下：
（1） 在兩個相（液-液、氣-液）的相界面兩側都有一層邊界薄膜，這層薄膜對物質從一
相進入另一相建立了基本的傳質阻力。
（2） 在兩層薄膜之間的界面上處于動態平衡。
（3） 每相中組元的擴散質流（j）
? ?ill
CCkj ?? 或 ? ?gig
ppkj ??
其中：
l
l
l
D
k
?
? ，
g
g
g
RT
p
k
?
?
（4） 薄膜中的流體是靜止不動的，不受流體體內流動狀態的影響，各相中傳質獨立進行，
互不影響。
2．渣鋼反應速度的分析
對如下渣鋼反應：[A]+(B
Z+
)=(A
Z+
)+[B]
在鋼液膜的一側的擴散質流： ? ?*
][][][][ AAAA
CCkj ?? （1）
在渣膜的一側的擴散質流： ? ?）（）（）（ AAAA
CCkj ??
*
)( （2）
如果界面上化學反應速度很快，界面上的反應達到動態平衡，則：
K
C
C
A
A
?*
][
*
)(
（3）
由于界面兩側為穩態傳質，故組元 A 在兩膜中的擴散質流應相等。即：
)(][ AAA
jjj ?? （4）
? ? ?
?
?
?
?
?
?
?
??
?
?
?
?
?
?
?
?
????
K
C
K
C
Kk
K
C
CkCCkj
AA
A
A
AAAAAA
)(
*
)(
)(
*
)(
][][
*
][][][
（5）
K
C
C
k
j A
A
A
A
*
)(
][
][
?? （6）
K
C
K
C
Kk
j AA
A
A )(
*
)(
)(
?? （7）
可得：
Kkk
K
C
C
j
AA
A
A
A
)(][
)(
][
11
?
?
? （8）
當界面化學反應速度比渣、鋼兩相中的傳質速度快得多時，反應總速度由（8）式決定。
當界面化學反應速度與渣鋼兩相中的傳質速度相差不很大時，必須考慮界面化學反應速度對
總速度的影響。
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