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.

– Một số hợp kim của sắt 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 dòn hơn sắt.  

– Phân loại gang: 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, hóa quý hơn sắt. Thép được dùng làm vật liệu xây dựng, chế tạo máy, dụng cụ lao động…

– Phân loại thép: thép thường và thép đặc biệt

II. SẢN XUẤT GANG, THÉP

1. Sản xuất gang

a) Nguyên liệu sản xuất gang

– Quặng sắt trong tự nhiên gồm quặng manhetit (chứa Fe₃O₄), quặng hematit, hemantit (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.

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

–  Phản ứng tạo thành khí CO:

C + O₂ -> CO₂ (điều kiện nhiệt độ)

C + CO₂-> 2CO (điều kiện nhiệt độ)

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

3CO + Fe2O₃ -> 2Fe + 3CO₂ (điều kiện nhiệt độ)

4CO + Fe₃O₄  -> 3Fe + 4CO₂ (điều kiện nhiệt độ)

– Sắt nóng chảy hòa tan một ít cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành 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 (điều kiện nhiệt độ)                           

CaO + SiO₂ -> CaSiO₃ (điều kiện nhiệt độ)

– Xỉ nhẹ nổi lên trển và được đưa ra ở cửa tháo xỉ.

2. Sản xuất thép

a) Nguyên liệu sản xuất thép:

– Gang trắng hoặc gang xám, sắt phế liệu.

– Chất chảy: CaO.

– Khí oxi

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 và tách ra khỏi thép.

c) Quá trình sản xuất thép:

– Ở nhiệt độ cao, khí oxi sẽ oxit các nguyên tố C, S tạo thành các chất khí và sẽ tách khỏi gang.

C + O₂ -> CO₂↑ (điều kiện nhiệt độ)

S + O₂  -> SO₂↑ (điều kiện nhiệt độ)

– Những nguyên tố như Si, P sẽ 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.