Bài 20. Hợp kim sắt: Gang, Thép

I. HỢP KIM CỦA SẮT

• Hợp kim là chất rắn thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc của kim loại và phi kim.
• Ta sẽ tim hiểu về một số hợp kim của sắt có nhiều ứng dụng như gang, thép.

1. Gang

• Gang là hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2-5%, ngoài ra còn có một lượng nhỏ các nguyên tố khác như Si, Mn, S,... Gang cứng và giòn hơn sắt.  
• Phân loại gang: Có hai loại gang là gang trắng và gang xám. Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước...​

2. Thép

• Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.
• Thép có nhiều tính chất lí và tính chất hóa học rất quý sắt mà sắt không có được như đàn hồi, cứng, ít bị ăn mòn...
• Thép được để chế tạo chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động... Đặc biệt, thép dùng để làm vật liệu xây dựng, chế tạo phương tiện giao thông, vận tải.​

II. SẢN XUẤT GANG, THÉP

1. Sản xuất gang

a. Nguyên liệu sản xuất gang

Nguyên liệu dùng để sản xuất gang gồm:

• Các loại quặng sắt trong tự nhiên (có thành phần chủ yếu là các oxit sắt) gồm quặng manhetit (chứa Fe₃O₄), quặng hematit (chứa Fe₂O₃).
• Than cốc (than đã được tinh chế).
• Không khí giàu oxi.
• Đá vôi CaCO₃ và một số chất khác,...​

b. Nguyên tắc sản xuất gang

Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim (lò cao).

c. Quá trình sản xuất gang trong lò luyện kim (lò cao).

Đầu tiên, quặng, than cốc, đá vôi có kích cỡ vừa phải được đưa vào lò cao qua miệng lò và xếp thành từng lớp xen kẽ nhau. Sau đó không khí nóng được thổi từ hai bên lò từ dưới lên. Oxi trong không khí tác dụng với than cốc tạo thành khí CO.

Phản ứng tạo thành khí CO:

C   +   O₂       CO₂

C  +   CO₂     2CO

Dùng CO khử quặng sắt ở phần thân lò, phần giữa thân lò nhiệt độ khoảng 500-600^oC

3CO   +   Fe₂O₃       2Fe    +    3CO₂

4CO   +   Fe₃O₄     3Fe     +    4CO₂

Sắt nóng chảy hòa tan một ít cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.

Phản ứng tạo xỉ: ở phần bụng lò, nhiệt độ khoảng 1000^oC: đá vôi bị phân hủy thành CaO, kết hợp với SiO₂ có trong quặng tạo thành xỉ.

CaCO₃           CaO    +   CO₂

CaO      +     SiO₂      CaSiO₃

Xỉ nhẹ nổi lên trển và được đưa ra ở cửa tháo xỉ. Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò.

2. Sản xuất thép

a. Nguyên liệu sản xuất thép

Nguyên liệu chính để sản xuất thép bao gồm: Gang trắng hoặc gang xám, sắt phế liệu và khí oxi, chất chảy CaO.

b. Nguyên tắc sản xuất thép

Oxi hóa các tạp chất C, S, Si, P, Mn,… có trong gang thành oxi rồi biến thành xỉ để giảm hàm lượng cacbon trong gang xuống dưới 2% và tách ra ngoài. Sản phẩm thu được là thép.

c. Quá trình sản xuất thép

Thép được sản xuất trong các lò luyện thép, thí dụ lò Bet-xơ-me.

Sơ đồ lò luyện thép.

Thổi khí oxi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao.

Khi đó, khí oxi sẽ oxi hóa các nguyên tố C, S tạo thành các chất khí và sẽ tách khỏi gang.

C    +    O₂         CO₂↑

S     +    O₂          SO₂↑

Những nguyên tố như Si, P sẽ phản ứng với oxi tạo thành các oxit không bay hơi. Những oxit này sẽ tác dụng với CaO tạo thành xỉ và nổi trên bề mặt thép lỏng và tách ra khỏi thép.

Si    +   O₂         SiO₂

SiO₂   +   CaO     →     CaSiO₃

P + O₂   P₂O₅

P₂O₅ + CaO → Ca₃(PO₄)₂ 

Cuối cùng thu được sản phẩm là thép.

1. Gang là một loại hợp kim của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2 - 5%. Ngoài ra, trong gang còn có lượng nhỏ một số nguyên tố khác như : Si, Mn, S...

Gang được luyện trong lò cao bằng cách dùng khí CO khử oxit sắt.

2. Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%.

Thép được luyện trong lò luyện thép bằng cách oxi hóa một số nguyên tố có trong gang như C, Mn, Si, S, P...

Trong quá trình học tập, nếu có bất kỳ thắc mắc nào, các em hãy để lại câu hỏi ở mục hỏi đáp để cùng thảo luận và trả lời nhé. Chúc các em học tốt!