Đang tải... (xem toàn văn)
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐÁP ÁN ĐỀ THI HỌC KỲ I/2017 2018 BỘ MÔN CNVL KIM LOẠI & HỢP KIM Môn học Lý thuyết và công nghệ luyện kim 2 Lớp VL15KL Thời gian làm bài 90 phút Tài liệu Không tham khảo tài liệ[.]
KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐÁP ÁN ĐỀ THI HỌC KỲ I/2017-2018 BỘ MÔN CNVL KIM LOẠI & HỢP KIM Môn học: Lý thuyết công nghệ luyện kim Lớp: VL15KL Thời gian làm bài: 90 phút Tài liệu: Không tham khảo tài liệu Câu (2,5 đ) Dựa vào giản đồ đẳng nhiệt H 2O-AX-AY có tạo thành hyđrat tinh thể khơng bền vững hình 1, phân tích q trình kết tinh phương pháp bốc đẳng nhiệt dung dịch có thành phần ban đầu tương ứng với điểm F Hình Giản đồ đẳng nhiệt H2O-AX-AY có tạo thành hyđrat tinh thể khơng bền vững Nếu dung dịch ban đầu có thành phần F trình bốc đẳng nhiệt thành phần dung dịch thay đổi theo đường conod xuất phát từ điểm biểu thị cho H 2O qua F đến điểm G đường BD, bắt đầu kết tinh hyđrat tinh thể AX.nH 2O thành phần dung dịch thay đổi theo đường BD phía D Khi đạt tới D, hyđrat tinh thể AX.nH 2O hòa tan trở lại tiết muối khan AX Điểm D có pha cân bằng, nhiệt độ khơng thay đổi số bậc tự F = - p = – = thành phần dung dịch không đổi toàn hyđrat tinh thể khử nước Sau đó, bắt đầu kết tinh muối khan song song với thay đổi thành phần dung dịch theo đường DE phía E Tại E, AX AY đồng thời kết tinh, thành phần dung dịch khơng thay đổi tồn nước bốc Câu (2,5 đ) Trình bày sở lý thuyết trình thổi luyện sten đồng thành đồng thô Cơ sở lý thuyết trình oxi hố sunfua kim loại mà thực chất tương quan lực hoá học kim loại với lưu huỳnh với oxi Do tính chất oxi hố có chọn lọc ưu tiên, trình thổi luyện stên đồng chia làm giai đoạn nối tiếp nhau: - Giai đoạn – tuyển chọn khối lượng sunfua Trong giai đoạn này, chủ yếu xảy q trình oxi hóa sắt sunfua đưa oxit sắt tạo thành vào xỉ Trong giai đoạn 1, oxi hóa sắt sunfua chiếm ưu lực sắt với oxi cao so với đồng Khơng khí thổi qua mắt gió, khuấy trộn mạnh stên lỏng Trên bề mặt bọt khí xảy phản ứng oxi hoá sunfua: 2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 937340 kJ (2.1) 2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 776651 kJ (2.2) Nhưng sau đó, Cu2O lại tác dụng với FeS để trở lại Cu 2S Sản phẩm oxi hoá tạo xỉ với thạch anh (trợ dung lò thổi): 2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 92950 kJ (2.3) phản ứng tổng quát giai đoạn là; 2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 + 1030290kJ (2.4) Nếu thiếu thạch anh FeO bị oxi hố thành Fe 3O4 Mặt khác, sten đồng ln có chứa lượng Fe3O4 Macnetit vào xỉ, làm tăng độ sệt xỉ lị thổi tăng mát đồng vào Để hoàn nguyên tốt macnetit này, cần cung cấp đủ đặn thạch anh giữ nhiệt độ cao để tiến hành phản ứng: 3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 (2.5) (1,0 đ) Nhiệt độ lò thổi giai đoạn 1200 oC Stên đồng đưa vào lò dạng lỏng với nhiệt độ 1100-1200oC Do phản ứng oxi hoá phát nhiệt nên giai đoạn có nguy nóng, xử lý stên nghèo chứa nhiều FeS Để chống nóng, người ta ngừng thổi thời gian, cho thêm liệu nguội (stên rắn, đồng vụn, dùng tinh quặng đồng) Lượng khơng khí thổi vào giai đoạn chủ yếu, chiếm tới 85-95% tổng lượng gió q trình Khơng khí thổi vào mẻ nhỏ để tránh phun bắn Số lượng mẻ nhỏ xác định theo lượng đồng thô, ứng với lần thổi giai đoạn Thời gian tiến hành giai đoạn phụ thuộc vào phẩm vị stên đồng, thường dao động từ đến 10h Sản phẩm giai đoạn khối sunfua giàu đồng (~78%) gọi “sten trắng”, xỉ thổi luyện khí chứa lưu huỳnh (0,5 đ) - Giai đoạn – Thu đồng thơ nhờ oxi hóa đồng sunfua theo phản ứng tổng quát: Cu2S + O2 = 2Cu + SO2 + 215000kJ (2.6) – thực liên tục 2-3 mà không nạp thêm liệu rắn hay liệu quay vịng nào, thổi khơng khí Giai đoạn bắt đầu lị thổi tồn FeS bị oxi hoá Những phản ứng giai đoạn phản ứng oxi hoá Cu 2S O2 khơng khí (phản ứng 2.) phản ứng tương hỗ hoàn nguyên Cu 2O Cu2S: Cu2S + 2Cu2O = 6Cu + SO2 Phản ứng tổng quát giai đoạn phản ứng (2.6) Nhiệt độ yêu cầu lò giai đoạn ~1250oC Giai đoạn có nguy nguội hiệu ứng phát nhiệt yếu giai đoạn Để chống nguội phải cho thêm stên đồng lỏng, tăng cường gió thổi vào lị giảm lượng trợ dung nguội (1,0 đ) Câu (2,5 đ) Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi tái sinh nhơm? Lúc tái sinh, nhơm bị mát hai dạng chủ yếu mát hóa học (do tác dụng với oxi, nước, khí CO2, CO…) mát học (theo xỉ, bám vào vật lẫn lúc vớt khỏi nhôm lỏng) Tốc độ mức độ oxi hóa phế liệu nhơm phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian nấu luyện, kích thước tình trạng bề mặt phế liệu, vào thành phần hợp kim độ lẫn tạp Mức độ oxi hóa nhôm tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ thời gian Vì vậy, chế độ nấu luyện coi hợp lý, bảo đảm nguyên tắc: nấu chảy nóng nhanh, nghĩa chất liệu nhiệt độ lò đạt tới 800-850oC giữ nhiệt độ trình nấu chảy Nấu phế liệu nhiệt độ thấp hiệu suất thu hồi suất lị thấp, nhơm bị oxi hóa mạnh lúc nóng chảy, nhiệt độ cao có bề mặt phát triển Ở nhiệt độ 800-850 oC nhanh chóng tạo nồi kim loại lỏng, bề mặt phản ứng giảm nhanh, q trình nấu chảy phần liệu rắn cịn lại thuận lợi trợ dung che phủ phát huy tác dụng bảo vệ (0,5 đ) Nhôm lỏng, không che phủ dễ bị oxi hóa Chỉ vừa hớt gạt màng xỉ, bề mặt sáng bạc lại tạo lớp oxit che phủ Nhôm oxit (Al 2O3) nặng so với nhơm lỏng, nhờ có sức căng bề mặt, nên giữ lại lớp bề mặt Tuy nhiên, lớp màng oxit dày lên, nặng hơn, lớp chìm vào nhơm lỏng nhơm thấm ướt Một số mảng nhơm oxit tách khỏi màng oxit, tùy theo kích thước hạt tình trạng bề mặt, nhơm oxit lẫn nhơm lỏng trạng thái lơ lửng, lắng xuống đáy nồi (làm giảm dung lượng lò, tắc kênh lò cảm ứng) (0,5 đ) Thực tế sản xuất cho thấy: kích thước tình trạng bề mặt phế liệu ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi Với bề mặt sáng, bóng, phế liệu nhơm cán bị oxi hóa chậm so với phế liệu dạng đúc Nếu lớp bề mặt bị oxi hóa nhiều, dù có làm trước nấu, nhơm bị oxi hóa nhanh so với bề mặt bị oxi hóa Chính vậy, hiệu suất thu hồi, tái sinh phoi, xỉ chứa nhôm, thấp Khi nấu phoi phế liệu nhôm vụn, vỏ oxit cản trở việc tụ lại, lắng tách giọt hợp kim lỏng mặt nồi nhôm lỏng tạo lớp váng thể nhũ tương bao gồm hạt rắn (oxit, đất đá lẫn…) giọt kim loại lỏng Nếu hớt màng khỏi lị, khơng khí hạt nhơm bị oxi hóa mãnh liệt, tỏa nhiều nhiệt, màng xỉ nung tới sáng trắng đóng cục lại Các điểm trắng thấy mặt gãy màng xỉ nguội, hạt Al2O3 vừa tạo ra, oxi hóa hạt nhơm lẫn Các loại rẻo thừa, phế liệu cán, rèn dập, có bị oxi hóa so với phoi, để đạt mức thu hồi cao cần ép lại Các lớp sơn, phủ bề mặt, anơt hóa, làm giảm suất thu hồi làm tăng mát theo xỉ cháy hao (0,5 đ) Hiệu suất thu hồi cao đạt trước nấu luyện, phế liệu xử lý sơ chu đáo nhằm giảm tới mức thấp độ lẫn tạp giảm bề mặt tiếp xúc tới mức cho phép Các nguyên công khử nhờn, ẩm, loại đất đá lẫn, sắt thép…tuy đòi hỏi nhiều nhân công, làm tăng giá thành phế liệu trước tái sinh, lại có lợi, lượng kim loại nhận thêm, đỡ hao cháy chất lượng hợp kim tái sinh tốt lên, thừa để bù đắp hao phí khâu chuẩn bị liệu Ngay với loại phoi nhôm mới, hiệu suất thu hồi phụ thuộc rõ rệt vào độ ẩm: Hàm lượng ẩm phoi, % 5,0 7,5 10 Hiệu suất thu hồi, % 98,0 97 96 95 Tỷ lệ thu hồi nhôm màng xỉ chứa 50% nhơm đạt 50%, cịn qua đập, sàng để đưa hàm lượng nhôm lên 70%, hiệu suất thu hồi đạt tới 80% Bằng biện pháp đóng bánh rẻo thừa loại nâng hiệu suất thu hồi lên thêm 5-7% làm tăng hiệu suất nấu luyện thiết bị (0,5 đ) Để giảm cháy hao (nhất phoi phế liệu dạng mỏng) dùng nhiều biện pháp kỹ thuật khác đại tạo môi trường bảo vệ, chân không Cần lưu ý đặc điểm trường hồn ngun giảm cháy hao phần, lại làm tăng độ bão hịa hyđrơ nhôm Tốt thuận lợi dùng lò nồi lò điện để làm thiết bị tái sinh, cịn mặt cơng nghệ, dùng phương pháp nấu chảy nồi kim loại lỏng hay trợ dung nóng chảy Để tăng hiệu suất thu hồi, cần phát huy vai trị trợ dung, nhằm giảm bớt oxi hóa tạo điều kiện tụ lại, lắng tách tốt cho giọt kim loại có lớp vỏ Al 2O3 bao bọc Khi cô phoi, khuấy học không đủ để giọt nhôm lắng tách tốt Ngay điều kiện thí nghiệm tốt nhất, hiệu suất thu hồi đạt 55,4% (khơng khuấy trộn) 69% (khuấy trộn tốt); cịn dùng trợ dung nâng lên tới 89% (0,5 đ) Câu (2,5 đ) Trình bày trình hoàn nguyên TiCl4 mage (Mg) kim loại Phương pháp W.J Kroll đề (năm 1936) phương pháp phổ biến để sản xuất titan cơng nghiệp Q trình hồn ngun TiCl4 mage tiến hành thiết bị kín, thép, mơi trường khí trơ (Ar, He) Sau tồn mage nóng chảy nhiệt độ đạt 740-760 oC, bắt đầu truyền TiCl4 vào lò Một số trường hợp truyền TiCl4 nhiệt độ 650-700oC Khi phản ứng chủ yếu sau: TiCl4 (h) + 2Mg(l) Ti (r) + 2MgCl2 (l) (4.1) Phản ứng (1) tỏa nhiệt (ở 1100 oK Ho1100 K = 492 kJ) lượng nhiệt tỏa đủ đảm bảo cho q trình hồn ngun tiến hành Quá trình vận hành gián đoạn Tốc độ q trình hồn ngun phụ thuộc vào lượng TiCl4 lượng mage (1,0 đ) Sản phẩm trình (titan bọt, MgCl 2) tích lũy bình phản ứng Ở nhiệt độ thực hiện, theo lý thuyết phải phân thành lớp: lớp manhê lỏng (tỉ trọng 1,47 g/cm 3), lớp MgCl2 (tỉ trọng 1,67 g/cm 3) đáy thiết bị – titan bọt (tỉ trọng 4,5 g/cm 3) Nhưng thực tế, titan bọt kết tủa lên thành nồi lò phản ứng tạo thành bánh rắn phía manhê lỏng Cịn MgCl2 lỏng tập trung bên manhê lỏng Do tác dụng mao dẫn, manhê lỏng dâng lên qua lỗ hổng bánh titan đến bề mặt bánh manhê phản ứng với TiCl Mage clorua tạo q trình hồn ngun dâng lên phủ kín bọt titan, gây cản trở cho việc tiếp xúc mage với TiCl 4, làm chậm tốc độ phản ứng hồn ngun Có thể phát hiện tượng thông qua việc giảm nhiệt độ tăng áp suất bình phản ứng Vì vậy, để tận dụng thể tích làm việc bình phản ứng trì tốc độ phản ứng cần định kỳ tháo bớt MgCl2.Thường tháo khoảng 75-80% lượng MgCl2 tạo thành (0,5 đ) Trong q trình hồn ngun, để đảm bảo titan có thành phần đồng đều, thường cho lượng dư mage (hiệu suất sử dụng mage thường từ 75 đến 85%), cho vào từ từ nhiệt độ hoàn nguyên thích hợp 800 – 920oC Nhiệt độ giới hạn để hoàn nguyên phải cao nhiệt độ chảy MgCl2 (714oC) thấp 975oC, 975oC titan phản ứng mạnh với sắt làm bẩn bọt titan chóng hỏng nồi phản ứng Điều chỉnh nhiệt độ lò cách khống chế tốc độ cho TiCl4 vào bình phản ứng (0,5 đ) Cuối q trình hồn ngun, ngừng cho TiCl4 để hồn ngun nốt clorua hố trị thấp: /3TiCl3 + Mg = 2/3Ti + MgCl2 (4.2) TiCl2 + Mg = Ti + MgCl2 (4.3) Cũng thời điểm này, MgCl2 lắng tách hoàn toàn Giữ nhiệt độ 900 oC 0,5-1 h, sau tháo MgCl2 Sau hoàn nguyên xong, làm nguội đến 800 oC (khi bình phản ứng thép khơng gỉ) 600oC (khi bình phản ứng thép cacbon thấp), lấy bình phản ứng khỏi lị dùng nước thổi khơng khí làm nguội xuống 20-40oC (0,5 đ) TP.Hồ Chí Minh, Ngày 03 tháng 01 năm 2018 CHỦ NHIỆM BỘ MƠN GIẢNG VIÊN RA ĐỀ Huỳnh Cơng Khanh