Dap an de thi hoc ky i 2017 2018 ly thuyet va cong nghe luyen kim 2

KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU
ĐÁP ÁN ĐỀ THI HỌC KỲ I/2017-2018
BỘ MƠN CNVL KIM LOẠI & HỢP KIM Mơn học: Lý thuyết và công nghệ luyện kim 2
Lớp: VL15KL
Thời gian làm bài: 90 phút
Tài liệu: Không tham khảo tài liệu
Câu 1 (2,5 đ)
Dựa vào giản đồ đẳng nhiệt H 2O-AX-AY có tạo thành hyđrat tinh thể khơng bền vững
trên hình 1, hãy phân tích q trình kết tinh bằng phương pháp bốc hơi đẳng nhiệt của dung
dịch có thành phần ban đầu tương ứng với điểm F.

Hình 1. 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 thì trong quá trình bốc hơi đẳng nhiệt thành phần
của dung dịch sẽ thay đổi theo đường conod xuất phát từ điểm biểu thị cho H 2O đi qua F khi đến
điểm G trên đường BD, bắt đầu kết tinh hyđrat tinh thể AX.nH 2O và thành phần của dung dịch
thay đổi theo đường BD về phía D. Khi đạt tới D, hyđrat tinh thể AX.nH 2O hòa tan trở lại và tiết
ra muối khan AX
Điểm D có 3 pha cân bằng, do đó khi nhiệt độ khơng thay đổi thì số bậc tự do F = 3 - p =
3 – 3 = 0 và thành phần của dung dịch sẽ khơng đổi cho đến khi tồn bộ hyđrat tinh thể được khử
nước. Sau đó, bắt đầu kết tinh muối khan song song với sự thay đổi thành phần của dung dịch
theo đường DE về phía E. Tại E, AX và AY đồng thời kết tinh, còn thành phần của dung dịch sẽ
khơng thay đổi cho đến khi tồn bộ nước bốc hơi.
Câu 2 (2,5 đ)
Trình bày cơ sở lý thuyết của quá trình thổi luyện sten đồng thành đồng thơ
Cơ sở lý thuyết của q trình này là sự oxi hoá sunfua kim loại mà thực chất là tương
quan về ái lực hoá học giữa các kim loại với lưu huỳnh và với oxi.
Do tính chất oxi hố có chọn lọc và ưu tiên, q trình thổi luyện stên đồng được chia làm
2 giai đoạn nối tiếp nhau:
- Giai đoạn 1 – tuyển chọn khối lượng sunfua. Trong giai đoạn này, chủ yếu xảy ra q
trình oxi hóa sắt sunfua và đưa các oxit sắt được tạo thành vào xỉ. Trong giai đoạn 1, sự oxi hóa
các sắt sunfua chiếm ưu thế là do ái lực của sắt với oxi cao hơn so với đồng.

Khơng khí được thổi qua mắt gió, khuấy trộn mạnh stên lỏng. Trên bề mặt các bọt khí
xảy ra các phản ứng oxi hố các sunfua:
2FeS + 3O2 = 2FeO + 2SO2 + 937340 kJ (2.1)
2Cu2S + 3O2 = 2Cu2O + 2SO2 + 776651 kJ (2.2)
Nhưng ngay sau đó, Cu2O lại tác dụng với FeS để trở lại Cu 2S. Sản phẩm oxi hoá sẽ tạo
xỉ với thạch anh (trợ dung của lò thổi):
2FeO + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 92950 kJ (2.3)
và phản ứng tổng quát của giai đoạn 1 sẽ là;
2FeS + 3O2 + SiO2 = 2FeO.SiO2 + 2SO2 + 1030290kJ (2.4)
Nếu thiếu thạch anh thì FeO bị oxi hố thành Fe 3O4. Mặt khác, trong sten đồng ln có
chứa một lượng Fe3O4. Macnetit này đi vào xỉ, làm tăng độ sệt của xỉ lò thổi và tăng mất mát


đồng vào đó. Để hồn ngun tốt macnetit này, cần cung cấp đủ và đều đặn thạch anh và giữ
nhiệt độ cao để tiến hành phản ứng:
3Fe3O4 + FeS + 5SiO2 = 5(2FeO.SiO2) + SO2 (2.5)
(1,0 đ)
Nhiệt độ của lò thổi ở giai đoạn 1 là 1200 oC. Stên đồng được đưa vào lò ở dạng lỏng với
nhiệt độ 1100-1200oC. Do các phản ứng oxi hoá phát nhiệt nên ở giai đoạn này có nguy cơ quá
nóng, nhất là khi xử lý stên nghèo chứa nhiều FeS. Để chống quá nóng, người ta có thể ngừng
thổi một thời gian, hoặc cho thêm liệu nguội (stên rắn, đồng vụn, đôi khi dùng cả tinh quặng
đồng). Lượng khơng khí thổi vào giai đoạn 1 là chủ yếu, chiếm tới 85-95% tổng lượng gió cả
q trình. Khơng khí được thổi vào từng mẻ nhỏ để tránh phun bắn ra ngoài. Số lượng mẻ nhỏ
này được xác định theo lượng đồng thô, ứng với một lần thổi ở giai đoạn 2. Thời gian tiến hành
của giai đoạn 1 phụ thuộc vào phẩm vị của stên đồng, thường dao động từ 2 đến 10h.
Sản phẩm của giai đoạn 1 là khối sunfua giàu đồng (~78%) được gọi là “sten trắng”, xỉ
thổi luyện và các khí chứa lưu huỳnh.
(0,5 đ)
- Giai đoạn 2 – Thu được đồng thơ nhờ oxi hóa đồng sunfua theo phản ứng tổng quát:
Cu2S + O2 = 2Cu + SO2 + 215000kJ (2.6) – được thực hiện liên tục trong 2-3 giờ mà khơng nạp

thêm liệu rắn hay liệu quay vịng nào, chỉ thổi khơng khí.
Giai đoạn này bắt đầu khi trong lị thổi tồn bộ FeS đã bị oxi hố.
Những phản ứng cơ bản của giai đoạn 2 là phản ứng oxi hố Cu 2S bởi O2 của khơng khí
(phản ứng 2.) và phản ứng tương hỗ hoàn nguyên giữa Cu 2O và Cu2S: Cu2S + 2Cu2O = 6Cu +
SO2. Phản ứng tổng quát của giai đoạn 2 sẽ là phản ứng (2.6)
Nhiệt độ yêu cầu của lò giai đoạn 2 là ~1250oC. Giai đoạn này có nguy cơ quá nguội do
hiệu ứng phát nhiệt yếu hơn giai đoạn 1. Để chống quá nguội phải cho thêm stên đồng lỏng, tăng
cường gió thổi vào lị và giảm lượng trợ dung nguội.
(1,0 đ)
Câu 3 (2,5 đ)
Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất thu hồi khi tái sinh nhôm?
Lúc tái sinh, nhôm có thể bị mất mát ở hai dạng chủ yếu là mất mát hóa học (do tác dụng
với oxi, hơi nước, khí CO2, CO…) và mất mát cơ học (theo xỉ, bám vào các vật lẫn lúc vớt ra
khỏi nhôm lỏng).
Tốc độ và mức độ oxi hóa phế liệu nhơm phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian nấu luyện,
kích thước và tình trạng bề mặt phế liệu, vào thành phần hợp kim và độ lẫn tạp. Mức độ oxi hóa
nhơm tăng tỷ lệ thuận với nhiệt độ và thời gian. Vì vậy, chế độ nấu luyện chỉ được coi là hợp lý,
nếu bảo đảm được nguyên tắc: nấu chảy nóng và nhanh, nghĩa là chỉ chất liệu khi nhiệt độ trong
lò đã đạt tới 800-850oC và giữ nhiệt độ này trong quá trình nấu chảy. Nấu phế liệu ở nhiệt độ
thấp thì cả hiệu suất thu hồi và năng suất lị đều thấp, vì nhơm bị oxi hóa mạnh nhất chính là lúc
sắp nóng chảy, ở nhiệt độ cao và có bề mặt phát triển. Ở nhiệt độ 800-850 oC có thể nhanh chóng
tạo được nồi kim loại lỏng, bề mặt phản ứng giảm đi nhanh, quá trình nấu chảy phần liệu rắn còn
lại thuận lợi hơn và khi đó trợ dung che phủ phát huy được tác dụng bảo vệ.
(0,5 đ)
Nhôm lỏng, nếu không được che phủ sẽ dễ bị oxi hóa. Chỉ vừa hớt gạt màng xỉ, trên bề
mặt sáng bạc lại tạo ra lớp oxit mới che phủ. Nhôm oxit (Al 2O3) hơi nặng hơn so với nhơm lỏng,
nhưng nhờ có sức căng bề mặt, nên vẫn được giữ lại ở lớp bề mặt. Tuy nhiên, khi lớp màng oxit
dày lên, nặng hơn, thì lớp dưới có thể chìm vào nhơm lỏng và được nhơm thấm ướt. Một số
mảng nhơm oxit có thể tách khỏi màng oxit, tùy theo kích thước hạt và tình trạng bề mặt, nhôm

oxit có thể lẫn trong nhơm lỏng ở trạng thái lơ lửng, hoặc lắng xuống đáy nồi (làm giảm dung
lượng lò, tắc kênh của lò cảm ứng).
(0,5 đ)
Thực tế sản xuất đã cho thấy: kích thước và tình trạng bề mặt phế liệu ảnh hưởng rất lớn
đến hiệu suất thu hồi. Với bề mặt sáng, bóng, phế liệu nhơm cán bị oxi hóa chậm hơn so với phế
liệu dạng đúc. Nếu lớp bề mặt đã bị oxi hóa nhiều, dù có làm sạch trước khi nấu, nhơm vẫn bị
oxi hóa nhanh hơn so với bề mặt sạch ít bị oxi hóa. Chính vì vậy, hiệu suất thu hồi, khi tái sinh
phoi, xỉ chứa nhôm, là thấp nhất.
Khi nấu phoi và phế liệu nhôm quá vụn, các vỏ oxit cản trở việc tụ lại, lắng tách của các
giọt hợp kim lỏng và trên mặt nồi nhôm lỏng tạo ra lớp váng thể nhũ tương bao gồm các hạt rắn
(oxit, đất đá lẫn…) và các giọt kim loại lỏng. Nếu hớt màng này ra khỏi lị, thì trong khơng khí
các hạt nhơm sẽ bị oxi hóa rất mãnh liệt, tỏa ra nhiều nhiệt, màng xỉ sẽ được nung tới sáng trắng
và đóng cục lại. Các điểm trắng thấy trên mặt gãy của màng xỉ đã nguội, chính là những hạt
Al2O3 vừa tạo ra, do oxi hóa các hạt nhơm lẫn.
Các loại rẻo thừa, phế liệu cán, rèn dập, tuy có bị oxi hóa ít hơn so với phoi, nhưng để đạt
được mức thu hồi cao cũng cần ép lại. Các lớp sơn, phủ bề mặt, anơt hóa, đều làm giảm suất thu
hồi vì làm tăng mất mát theo xỉ và cháy hao.
(0,5 đ)
Hiệu suất thu hồi cao chỉ đạt được nếu trước khi nấu luyện, phế liệu đã được xử lý sơ bộ
chu đáo nhằm giảm tới mức thấp nhất độ lẫn tạp và giảm bề mặt tiếp xúc tới mức cho phép. Các
nguyên công khử nhờn, ẩm, loại đất đá lẫn, sắt thép…tuy địi hỏi nhiều nhân cơng, làm tăng giá
thành phế liệu trước khi tái sinh, nhưng lại rất có lợi, vì lượng kim loại nhận được thêm, do đỡ
hao cháy và chất lượng hợp kim tái sinh tốt lên, thừa để bù đắp những hao phí trong khâu chuẩn
bị liệu.
Ngay với loại phoi nhôm mới, hiệu suất thu hồi phụ thuộc rõ rệt vào độ ẩm:
Hàm lượng ẩm trong phoi, %
0
5,0
7,5

10
Hiệu suất thu hồi, %
98,0 97
96
95
Tỷ lệ thu hồi nhôm trong màng xỉ chứa 50% nhôm chỉ đạt 50%, cịn nếu qua đập, sàng để
đưa hàm lượng nhơm lên 70%, thì hiệu suất thu hồi đạt tới 80%. Bằng biện pháp đóng bánh các
rẻo thừa loại tấm có thể nâng hiệu suất thu hồi lên thêm 5-7% và làm tăng hiệu suất nấu luyện
của thiết bị.
(0,5 đ)
Để giảm cháy hao (nhất là đối với phoi và phế liệu dạng mỏng) có thể dùng nhiều biện
pháp kỹ thuật khác hiện đại hơn như tạo môi trường bảo vệ, chân không. Cần lưu ý một đặc điểm
là trong trường hoàn nguyên có thể giảm cháy hao một phần, nhưng lại làm tăng độ bão hịa
hyđrơ trong nhơm. Tốt nhất và thuận lợi nhất là dùng lò nồi hoặc lò điện để làm thiết bị tái sinh,
cịn về mặt cơng nghệ, dùng phương pháp nấu chảy trong nồi kim loại lỏng hay trợ dung nóng
chảy.
Để tăng hiệu suất thu hồi, cần phát huy vai trò của trợ dung, nhằm giảm bớt oxi hóa và
tạo điều kiện tụ lại, lắng tách tốt cho các giọt kim loại có lớp vỏ Al 2O3 bao bọc. Khi cô phoi,
khuấy cơ học không đủ để các giọt nhơm lắng tách tốt. Ngay ở điều kiện thí nghiệm tốt nhất,
hiệu suất thu hồi chỉ đạt 55,4% (không khuấy trộn) hoặc 69% (khuấy trộn tốt); còn khi dùng trợ
dung có thể nâng lên tới 89%.
(0,5 đ)
Câu 4 (2,5 đ)


Trình bày q trình hồn ngun TiCl4 bằng mage (Mg) kim loại.
Phương pháp này do W.J. Kroll đề ra (năm 1936) và hiện là phương pháp phổ biến để sản
xuất titan trong cơng nghiệp.
Q trình hồn ngun TiCl4 bằng mage tiến hành trong thiết bị kín, bằng thép, trong mơi
trường khí trơ (Ar, He).

Sau khi tồn bộ mage nóng chảy và nhiệt độ đạt 740-760 oC, bắt đầu truyền TiCl4 vào lò.
Một số trường hợp truyền TiCl4 ở nhiệt độ 650-700oC. Khi đó phản ứng chủ yếu như sau:
TiCl4 (h) + 2Mg(l)  Ti (r) + 2MgCl2 (l) (4.1)
Phản ứng (1) là tỏa nhiệt (ở 1100 oK thì Ho1100 K = 492 kJ) và lượng nhiệt tỏa ra đủ đảm
bảo cho q trình hồn ngun tiến hành. Q trình vận hành gián đoạn. Tốc độ của q trình
hồn ngun phụ thuộc vào lượng TiCl4 và lượng mage.
(1,0 đ)
Sản phẩm của q trình (titan bọt, MgCl 2) tích lũy trong bình phản ứng. Ở nhiệt độ thực
hiện, theo lý thuyết phải phân thành 3 lớp: lớp trên là manhê lỏng (tỉ trọng 1,47 g/cm 3), lớp giữa
là MgCl2 (tỉ trọng 1,67 g/cm 3) và ở đáy thiết bị – titan bọt (tỉ trọng 4,5 g/cm 3). Nhưng trong thực
tế, titan bọt kết tủa lên thành nồi lò phản ứng và tạo thành bánh rắn phía trên manhê lỏng. Cịn
MgCl2 lỏng tập trung bên dưới manhê lỏng. Do tác dụng mao dẫn, manhê lỏng dâng lên qua các
lỗ hổng của bánh titan đến bề mặt bánh và ở đó manhê phản ứng với TiCl 4. Mage clorua được
tạo ra trong quá trình hồn ngun dần dần dâng lên và phủ kín bọt titan, gây cản trở cho việc
tiếp xúc của mage với TiCl 4, làm chậm tốc độ của phản ứng hoàn ngun. Có thể phát hiện hiện
tượng này thơng qua việc giảm nhiệt độ và tăng áp suất trong bình phản ứng.
Vì vậy, để tận dụng thể tích làm việc của bình phản ứng và duy 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 một
lượng dư mage (hiệu suất sử dụng mage thường từ 75 đến 85%), cho vào từ từ và nhiệt độ hồn
ngun thích hợp là 800 – 920oC. Nhiệt độ giới hạn để hoàn nguyên phải cao hơn nhiệt độ chảy
của MgCl2 (714oC) và thấp hơn 975oC, vì trên 975oC titan phản ứng mạnh với sắt làm bẩn bọt
titan và chóng hỏng nồi phản ứng.
Điều chỉnh nhiệt độ lò bằng cách khống chế tốc độ cho TiCl4 vào bình phản ứng.
(0,5 đ)
Cuối quá trình hồn ngun, ngừng cho TiCl4 để hồn ngun nốt các clorua hoá trị thấp:
2
/3TiCl3 + Mg = 2/3Ti + MgCl2 (4.2)
TiCl2 + Mg = Ti + MgCl2 (4.3)

Cũng thời điểm này, MgCl2 được lắng tách hoàn toàn. Giữ ở nhiệt độ 900 oC trong 0,5-1
h, sau đó tháo MgCl2 ra.
Sau khi hoàn nguyên xong, làm nguội đến 800 oC (khi bình phản ứng bằng thép khơng gỉ)
hoặc 600oC (khi bình phản ứng bằng thép cacbon thấp), lấy bình phản ứng ra khỏi lị và dùng
nước hoặc 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