Hợp kim của Sắt: Găng và Thép thành phần, tính chất của Gang và Thép cách sản xuất và ứng dụng - Hóa 12 bài 33

Bài viết này sẽ giúp các em hiểu rõ một số hợp kim của sắt là gang và thép: biết thành phần, tính chất và ứng dụng của gang, thép, biết nguyên tắc và quy trình sản xuất gang và thép.

I. Gang

1. Khái niệm: Gang là gì?

- Gang là hợp kim của sắt với cacbon trong đó có từ 2 - 5% khối lượng cacbon và một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn, S,...

2. Phân loại Gang

• Có 2 loại gang:

- Gang xám: Gang chứa cacbon (C) ở dạng than chì, được dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước, cánh cửa,...

- Gang trắng: Gang trắng (có màu sáng hơn gang xám) chứa ít cacbon hơn và cacbon chủ yếu ở dạng xementit (Fe₃C), được dùng để luyện thép.

3. Sản xuất gang

a) Nguyên tắc luyện gang

- Khử quặng sắt oxit bằng than cốc trong lò cao.

b) Nguyên liệu sản xuất gang

- Quặng sắt oxit (thường là quặng hematit đỏ Fe₂O₃), than cốc và chất chảy (CaCO₃ hoặc SiO₂).

c) Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện quặng thành gang

- Phản ứng tạo thành chất khử CO:

 C + O₂  CO₂ 

và C + CO₂  2CO

- Phản ứng khử sắt oxit: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe.

 3Fe₂O₃ + CO   2Fe₃O₄ + CO₂↑

 Fe₃O₄ + CO   3FeO + CO₂↑

 FeO + CO   Fe + CO₂↑

- Phản ứng tạo xỉ (loại tạp chất trong quặng):

 CaCO₃  CaO + CO₂↑

 CaO + SiO­₂  CaSiO₃ (canxi silicat)

Các phản ứng xảy ra trong lò cao

d) Sự tạo thành gang

- Ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 1500^oC, sắt nóng chảy có hòa tan một phần cacbon và một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn,... tạo thành gang.

II. Thép

1. Khái niệm: Thép là gì?

- Thép là hợp kim của sắt chứa từ 0,01 - 2% khối lượng cacbon cùng với một số nguyên tố khác (Si, Mn, Cr, Ni,...).

2. Phân loại Thép

• Có 2 loại thép

a) Thép thường (hay thép cacbon)

- Thép mềm (chứa không quá 0,1%C): dễ gia công, được dùng kéo sợi, cán thành thép lá dùng chế tạo các vật dụng trong đời sống và xây dựng, ...

- Thép cứng (chứa trên 0,9%C): được dùng để chế tạo các công cụ, các chi tiết máy như các vòng bi, vỏ xe bọc thép,...

b) Thép đặc biệt

Đưa thêm vào thép thường một số nguyên tố làm cho thép có những tính chất đặc biệt như:

- Thép chứa 13%Mn rất cứng, được dùng làm máy nghiền đá.

- Thép chứa khoảng 20%Cr và 10%Ni rất cứng và không gỉ, được dùng làm dụng cụ gia đình (thìa, dao,...), dụng cụ y tế,...

- Thép chứa khoảng 18%W và 5%Cr rất cứng, được dùng để chế tạo máy cắt, gọt như máy phay, máy nghiền đá,...

3. Sản xuất thép

a) Nguyên tắc luyện gang thành thép:

- Giảm hàm lượng các tạp chất C, S, Si, Mn,... có trong gang bằng cách oxi hóa các tạp chất đó thành oxit rồi biến thành xỉ và tách ra khỏi thép.

b) Các phương pháp luyện thép

+ Phương pháp Bet-xơ-me:

Luồng không khí mạnh thổi vào gang lỏng, đốt cháy các tạp chất trong gang tạo thành thép trong thời gian ngắn.

Nhược điểm: không luyện được thép từ gang chứa nhiều photpho và không luyện được thép có thành phần theo ý muốn.

+ Phương pháp Mac-tanh:

Quá trình luyện thép kéo dài 6- 8 giờ nên người ta có thể phân tích được sản phẩm và cho thêm những chất cần thiết để chế được các loại thép có thành phần mong muốn.

+ Phương pháp lò điện:

Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và của gang lỏng tạo ra nhiệt độ cao hơn và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên.

- Ưu điểm: luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfam, molipđen, crom,... và không chứa những tạp chất có hại như lưu huỳnh, photpho.

- Nhược điểm: dung tích nhỏ.