Bài 20: Hợp kim sắt Gang, thép

Tóm tắt lý thuyết

1.1. 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.
  • Hợp kim của sắt có nhiều ứng dụng là gang và thép.

Thành phần của Gang, thép

Hình 1: Điểm giống và khác nhau giữa Gang và Thép

A- Thành phần của Gang, B-Thành phần của Thép

1.1.1. Gang là gì?

  • Gang là hợp kim của sắt với một số nguyên tố khác (C, Mn, S, Si,…) . Trong đó hàm lượng Cacbon chiếm từ 2-5%.
  • Đặc điểm: Gang cứng và giòn.
  • Ứng dụng:
    • Gang trắng dùng để luyện thép…
    • Gang xám dùng để đúc máy, ống dẫn nước…

1.1.2. Thép là gì?

  • Thép là hợp kim của sắt với một số nguyên tố khác (C, Mn, S, Si,…) . Trong đó hàm lượng Cacbon chiếm dưới 2%.
  • Đặc điểm: Thép thường cứng, đàn hồi, ít bị ăn mòn,…
  • Ứng dụng: 
    • Dùng để chế tạo các chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động…
    • Dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo phương tiện giao thông, vận tải,…

1.2. Sản xuất Gang, Thép

1.2.1. Sản xuất Gang như thế nào?

Nguyên liệu sản xuất Gang

Quặng Hematit

Hình 2: Quặng Hematit

  • Quặng sắt : Hematit (chứa Fe2O3), manhetit (chứa Fe3O4)
  • Than cốc, không khí giàu khí ôxi, phụ gia (CaCO3,…)

Nguyên tắc sản xuất gang

  • Dùng Cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim

Các phản ứng xảy ra trong lò gang

Sơ đồ lò luyện gang

Hình 3: Sơ đồ lò luyện gang

  • Phương trình:

C(r)  +  O2 (k)     CO2 (k)

CO2 (k) +  C(r)    CO (k)

  • Khí CO khử oxit trong quặng thành sắt:

Fe2O3(r) + 3CO(k) →  2Fe(r) + 3CO2 (k)

  • Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ cacbon và các nguyên tố khác thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài ra cửa tháo gang.
  • Đá vôi bị phân hủy tạo thành CaO. CaO kết hợp với các oxit SiO2 tạo thành xỉ

CaO(r) + SiO2(r) →  CaSiO3 (r)

1.2.2. Sản xuất Thép như thế nào?

Nguyên liệu sản xuất thép

  • Gang, sắt phế liệu và khí ôxi.

Nguyên tắc sản xuất thép

  • Oxi hoá kim loại, phi kim để loại các nguyên tố cacbon, silic, mangan,…ra khỏi gang

Quá trình sản xuất thép

Quá trình sản xuất Thép

Hình 4: Quá trình sản xuất Thép

Các phản ứng xảy ra trong quá trình sản xuất thép

  • Thổi khí ôxi vào lò đựng gang và sắt nóng chảy ở nhiệt độ cao . Khí ôxi oxi hoá sắt thành oxit sắt FeO . Sau đó FeO sẽ oxi hoá một số nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, S, P,…
  • Các phương trình phản ứng:

Fe(r) + O2 (k) FeO (r)

FeO (r) + C (r)  Fe (r)  + CO (k)

FeO (r) + Mn (r)   Fe (r)  + MnO (r)

FeO (r) + Si (r)    Fe (r)  + SiO2 (r)