Câu 1 (2,5 đ)Trong quá trình oxi hóa cacbon khi luyện thép, bọt khí CO phải khắc phục những trở lực nào mới có thể sinh ra trong nồi kim loại? Biện pháp để tăng tốc độ oxi hóa cacbon?Câu 2 (2,5 đ)Hãy vẽ và giải thích nội hình lò cao luyện gang.Câu 3 (2,5 đ)Trình bày các phản ứng oxi hóa cacbon, tạp chất thông qua pha xỉ và các phản ứng oxi hóa cacbon, tạp chất trực tiếp bởi khí oxi khi luyện thép trong lò thổi oxi.Câu 4 (2,5 đ)Nhiệm vụ của giai đoạn hoàn nguyên khi luyện thép trong lò điện hồ quang bazơ? Những chất nào được dùng để khử oxi trong kim loại lỏng ở giai đoạn hoàn nguyên? Viết phương trình phản ứng khử oxi bằng các chất này.
Trang 1KHOA CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU ĐỀ THI HỌC KỲ II/2016-2017
BỘ MÔN CNVL KIM LOẠI & HỢP KIM Môn học: Lý thuyết và Công nghệ Luyện kim I
Lớp: VL15KL Thời gian làm bài: 90 phút Tài liệu: Không tham khảo tài liệu
Câu 1 (2,5 đ)
Trong quá trình oxi hóa cacbon khi luyện thép, bọt khí CO phải khắc phục những trở lực nào mới có thể sinh ra trong nồi kim loại? Biện pháp để tăng tốc độ oxi hóa cacbon?
Trong quá trình luyện thép thực tế, phản ứng oxi hóa cacbon là phản ứng đa pha phức tạp Cơ cấu của phản ứng có thể viết như sau:
(FeO) [FeO] (1)
[FeO] + [C] [Fe] + [CO] (2)
[CO] {CO} (3)
(FeO) + [C] {CO} + [Fe] (4)
Phản ứng (1) biểu thị sự khuếch tán của FeO từ xỉ vào thép Theo định luật phân phối, FeO khuếch tán và hòa tan vào nồi lò kim loại
FeO đi vào kim loại lỏng tác dụng với C sinh ra CO: phản ứng (2) Độ hòa tan của
CO trong thép lỏng rất nhỏ nên CO biến thành bọt khí và tiết ra khỏi kim loại lỏng: phản ứng (3) Bọt khí CO phải khắc phục những trở lực sau mới có thể sinh ra trong nồi lò kim loại:
trong công thức:
hkl, hxi- chiều dày của kim loại lỏng và xỉ phía trên bọt khí, m;
- sức căng mặt ngoài của kim loại lỏng, dyn/cm;
r- bán kính bọt khí, cm
Do đó có thể thấy, bọt khí phía trong kim loại chịu áp lực của khí quyển, áp lực cột kim loại lỏng, áp lực cột xỉ, áp lực sức căng mặt ngoài của kim loại xung quanh bọt khí tạo ra
(1,5 đ)
Trang 2Khi bọt khí bắt đầu hình thành, r rất nhỏ nên P’CO = , nghĩa là thoạt đầu bọt khí chịu một áp lực vô cùng lớn Vì vậy, trong nồi lò bọt khí không hình thành được Bọt khí chỉ hình thành được tại những chỗ như mặt ngoài gạch xây lò ráp thô được kim loại tẩm ướt, mặt ngoài những chất lẫn lộn rắn lơ lửng trong nội bộ kim loại lỏng, mặt giới hạn giữa xỉ và thép hoặc ngay trên mặt ngoài bọt khí CO vừa hình thành Việc thổi một dòng khí, xáo trộn nồi lò rất có lợi cho việc hình thành bọt khí CO Vì vậy, các loại lò thổi, đặc biệt lò thổi oxi nguyên chất, việc khử C tiến hành thuận lợi do cường hóa được quá trình hình thành CO và tiết ra ngoài
Tóm lại, để tăng tốc độ khử C, nồi lò phải có nhiệt độ cao, xỉ chứa FeO cao, tính lỏng chảy tốt Đồng thời không nên sử dụng nồi lò quá sâu và dùng phương pháp tăng cường khuấy trộn nồi lò
(1,0 đ)
Câu 2 (2,5 đ)
Hãy vẽ và giải thích nội hình lò cao luyện gang.
Hình 1 Nội hình lò cao
1 Cổ lò; 2 Thân lò; 3 Bụng lò; 4 Hông lò; 5 Nồi lò
(1,0)
Trên hình 1 là nội hình lò cao Phần phía trên là cổ lò Qua cổ lò dạng hình trụ, liệu được nạp vào lò, còn khí lò thì đi ra khỏi lò Dưới cổ lò là thân lò, có dạng hình nón cụt,
mở rộng về phía dưới Hình dạng thân lò như vậy cho phép vật liệu bung ra các phía và
tự do rơi xuống Ngoài ra, việc mở rộng thân lò khắc phục được sự nén chặt liệu Phần rộng nhất của lò là bụng lò – là phần hình trụ ngắn để tạo ra sự dịch chuyển liệu đều đặn
từ phần đáy rộng của thân lò sang phần hông lò thu hẹp lại Hông lò là phần nón cụt mở rộng ở phía trên và thu hẹp ở phía dưới Nếu thân lò nối trực tiếp với hông lò thì ở chỗ nối tạo thành góc tù, giữ lại vật liệu đi xuống đó Sự có mặt của bụng lò san phẳng phần
Trang 3chuyển tiếp và khắc phục không gian chết Hông lò có dạng hình nón thu hẹp vì trong hông lò xảy ra sự giảm thể tích rất nhanh do cháy than cốc và tạo thành các sản phẩm nóng chảy
Phần dưới của lò là nồi lò hình trụ, chứa các sản phẩm nóng chảy – gang và xỉ Phần dưới của nồi lò có lỗ tháo gang, còn phần trên của nồi lò có các ống gió để thổi không khí vào lò
(1,5 đ) Câu 3 (2,5 đ)
Trình bày các phản ứng oxi hóa cacbon, tạp chất thông qua pha xỉ và các phản ứng oxi hóa cacbon, tạp chất trực tiếp bởi khí oxi khi luyện thép trong lò thổi oxi.
Sự oxi hóa các tạp chất trong lò thổi oxi có thể xảy ra trực tiếp bởi khí oxi hay oxi hòa tan trong kim loại và xỉ
Trong các khu vực có tốc độ dòng khí-chất oxi hóa lớn, quá trình oxi hóa bị giới hạn bởi sự di chuyển các tạp chất từ trong thể tích kim loại lỏng đến bề mặt, xảy ra sự oxi hóa hoàn toàn bề mặt các lớp kim loại Do các tạp chất không kịp đi đến vùng phản ứng nên
sự oxi hóa kim loại tạo thành oxit sắt chiếm ưu thế, bởi vì hàm lượng sắt trong kim loại lỏng gần bằng 100% Sự oxi hóa kim loại được thực hiện thông qua pha xỉ Đầu tiên sắt
bị oxi hóa 2[Fe] + O2 = 2(FeO)
FeO tạo thành được đưa vào xỉ nhờ sự luân chuyển của kim loại Quá trình làm giàu oxi trong kim loại có thể viết dưới dạng: (FeO) = [Fe] + [O]
Oxi hòa tan trong kim loại tiêu hao để oxi hóa các tạp chất của gang: [Si] + 2[O] = (SiO2); [Mn] + [O] = (MnO); [C] + [O] = CO FeO trong xỉ tiêu hao để oxi hóa tạp chất trên ranh giới kim loại-xỉ theo các phản ứng: [Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe]; [Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]; [C] + (FeO) = {CO} + [Fe]
(1,5 đ)
Trong các khu vực mà tốc độ di chuyển của khí– chất oxi hóa (phần cuối của dòng khí, bọt khí) không cao, có thể xảy ra sự oxi hóa trực tiếp cacbon và các tạp chất: [C] +
½{O2} = {CO}, [Si] + {O2} = (SiO2); [Mn] + 1/2{O2} = (MnO)
(1,0 đ) Câu 4 (2,5 đ)
Nhiệm vụ của giai đoạn hoàn nguyên khi luyện thép trong lò điện hồ quang bazơ? Những chất nào được dùng để khử oxi trong kim loại lỏng ở giai đoạn hoàn nguyên? Viết phương trình phản ứng khử oxi bằng các chất này.
Nhiệm vụ của giai đoạn hoàn nguyên là: Khử oxi trong kim loại, khử lưu huỳnh, điều chỉnh thành phần hóa học của thép, điều chỉnh nhiệt độ bể kim loại, chuẩn bị xỉ hoàn nguyên có độ chảy loãng cao để xử lý kim loại trong thời gian rót từ lò vào thùng rót
(1,0 đ)
Trang 4Khử oxi trong kim loại lỏng là khử oxi hòa tan trong kim lỏng bằng các chất khử oxi đưa vào kim loại và xỉ
Người ta sử dụng feromangan, ferosilic, nhôm để làm chất khử oxi Khi đưa các chất khử oxi vào, xảy ra các phản ứng: [Mn] + [O] = (MnO); [Si] + 2[O] = (SiO2); 2[Al] + 3[O] = (Al2O3)
Do kết quả của quá trình khử oxi, phần lớn oxi hòa tan liên kết trong oxit và được khử ở dạng các tạp chất phi kim không hòa tan trong kim loại
(1,5 đ)
TP.Hồ Chí Minh, Ngày 26 tháng 05 năm 2017
GIẢNG VIÊN RA ĐỀ
Huỳnh Công Khanh