Hợp kim sắt: gang, thép (Có bài tập áp dụng)

 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.

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 xám: Chứa nhiều C và S, ít cứng và kém giòn hơn gang trắng, dùng chế tạo máy, ống dẫn nước. Gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước,…

+ Gang trắng: Chứa ít C, rất ít Si, chứa nhiều xementit (Fe₃C), cứng và giòn, dùng luyện thép. Gang trắng dùng để luyện thép

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

+ Thép thường: chứa rất ít S, P, dùng làm cốt thép (trong bê tông)

+ Thép đặc biệt: chứa thêm các nguyên tố khác như Si, Mn, Cr, Ni,W,… có tính chất cơ học, vật lý rất tốt

II. SẢN XUẤT GANG, THÉP

1. Sản xuất gang

a) Nguyên liệu sản xuất gang là quặng sắt, thí dụ quặng manhetit (chứa Fe₃0₄), quặng hematit; than cốc (than đã được tinh chế); không khí giàu oxi và một số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO₃,...

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

                                            C + CO₂ → 2CO

- Dùng CO khử quặng sắt ở phần thân lò, phần giữa thân lò nhiệt độ khoảng 500-600⁰C

                                            3CO + Fe₂0₃  2Fe + 3C0₂

                                         4CO + Fe₃0₄  3Fe + 4C0₂

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 1000⁰C

 Đá vôi bị phân hủy thành CaO, kết hợp với SiO₂ có trong quặng tạo thành xỉ.

CaCO₃  CaO + CO₂                              

 CaO + SiO₃ → CaSiO₃

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

+ Dầu mazut hoặc khí đốt

+ Khí oxi

b) Nguyên tắc sản xuất thép: Oxi hóa các tạp chất C, S, Si, Mn,…, có trong gang thành oxi rồi biến thành xỉ và tách ra khỏi thép.

c) Các phương pháp luyện thép

* Phương pháp Bet-xơ-me: Quá trình luyện thép được thực hiện trong lò Bet-xơ-me

- Oxi nén dưới áp suất 10atm được thổi trên bề mặt và trong lòng gang nóng chảy, do vậy oxi đã oxi hóa rất mạnh những tạp chất trong gang và thành phần các chất trong thép được trộn đều.

- Ngày nay có khoảng 80% thép được sản xuất bằng phương pháp này.
- Ưu điểm:

 + Các phản ứng xảy ra bên trong khối gang tỏa rất nhiều nhiệt

+ Thời gian luyện thép ngắn

+ Lò cỡ lớn có thể luyện được 300 tấn thép trong thời gian 45 phút.

Thổi oxi vào gang nóng chảy thì các tạp chất bị oxi hóa:

- C và S chuyển thành khí CO₂, SO₂ thoát khỏi gang:

C + O₂  CO₂

S + O₂  SO₂

- Si và P chuyển thành oxit axit là SiO₂ và P₂O₅ khó bay hơi:

Si + O₂  SiO₂

P + O₂  P₂O₅

SiO₂, P₂O₅ sẽ tác dụng với CaO tạo CaSiO₃, Ca₃(PO₄)₂. Các muối sinh ra dễ nóng chảy, nhẹ hơn thép lỏng, nổi lên trên, được tách ra

                   3CaO + P₂O₅  Ca₃(PO₄)₂

CaO + SiO₂  CaSiO₃

* Phương pháp Mac-tanh (Lò bằng)

Nhiên liệu là khí đốt hoặc dầu cùng với không khí và oxi được phun vào lò để oxi hóa các tạp chất trong gang.
Ưu điểm của phương pháp này là có thể kiểm soát được tỉ lệ các nguyên tố trong thép và bổ sung các nguyên tố cần thiết khác như Mn, Ni, Cr, Mo, W, V,... Do vậy, có thể luyện được những loại thép có chất lượng cao.
Mỗi mẻ thép ra lò có khối lượng chừng 300 tấn trong thời gian từ 5 − 8 giờ. Khoảng 12 − 15% thép trên thế giới được sản xuất theo phương pháp này.

* Phương pháp lò điện

Trong lò điện, các thanh than chì là một điện cực, gang được dùng như là điện cực thứ hai. Hồ quang sinh ra giữa chúng tạo được nhiệt độ cao hơn và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên. Do vậy phương pháp lò hồ quang điện có ưu điểm là luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như vonfam (t_nc3350⁰C) molipđen (t_nc2620⁰C), crom (t_nc1890⁰C) và loại được hầu hết những nguyên tố có hại cho thép như lưu huỳnh , photpho. Nhược điểm của lò hồ quang điện là dung tích nhỏ nên khối lượng mỗi mẻ thép ra lò không lớn

III.Bài tập vận dụng

Bài 1: Nêu khái niệm hợp kim, gang, thép.

Bài 2: Trình bày quá trình sản xuất gang, thép

Bài 3: Lập các phương trình hoá học theo sơ đồ sau đây:

        a)  FeO   +  …  ---- > Fe   +   MnO

          b)  Fe₂O₃   +  CO  ---- > …   +  CO₂

          c)  …    +    Si    ----- > Fe  +   SiO₂

          d)  FeO   +  C   ----- > Fe   +   …

Cho biết phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện gang, phản ứng nào xảy ra trong quá trình luyện thép. Chất nào là chất oxi hoá, chất nào là chất khử ?

Bài 4: : Cho luồng khí CO đi qua một lượng quặng hematit ( chứa Fe₂O₃ ) thì thu được 300,8 gam hỗn hợp các chất rắn X và thoát ra hỗn hợp khí Y. Cho hấp thụ toàn bộ khí Y bằng dung dịch NaOH dư thấy khối lượng bình NaOH tăng thêm 52,8 gam. Đem chất rắn X hòa tan trong dung dịch HNO₃ dư thu được 387,2 gam muối. Tính thành phần % khối lượng của Fe₂O₃ trong quặng?

Bài 4: Quặng nào sau đây có hàm lượng Fe cao nhất.

1. Hematit đỏ ( Fe₂O₃).                               C. Manhetit ( Fe₃O₄).
2. Pirit. ( FeS₂)                                           D. Xederit ( FeCO₃).

Bài 5: Gang và thép là hợp kim của Fe . Tìm phát biểu đúng.

1. Gang là hợp kim Fe – C ( 5 đến 10%).                     
2. Nguyên tắc sản suất gang là khử Fe trong oxit bằng CO, H₂ hay Al ở nhiệt độ cao.
3. Nguyên tắc sản xuất thép là oxi hoá các tạp chất trong gang. (C, Si, Mn, S, P) thành oxit nhằm giảm hàm lượng của chúng.
4. Thép là hợp kim Fe –C  ( 2 à 5%).

Bài 6: Phản ứng nào sau đây có thể xảy ra ở cả hai quá trình luyện gang và luyện thép.

1. FeO + CO  Fe + CO₂.                     C. SiO₂ + CaO  CaSiO₃.
2. FeO + Mn  Fe + MnO.                    D. S + O₂  SO₂.

Bài 7: Phương pháp nào có thể luyện được những loại thép có chất lượng cao và tận dụng sắt thép phế liệu.

1. Phương pháp Betxơmen. ( lò thổi Oxi).                  
2. Phương pháp Mactanh ( lò bằng).
3. Phương pháp lò điện .                                   
4. Phương pháp Mactanh và lò điện.

Bài 8 (1). Quặng sắt. (2). Quặng Cromit.   (3) Quặng Boxit.  (4) Than cốc.  (5) Than đá.

           (6) CaCO₃,          ( 7) . SiO₂.

          Những nguyên liệu dùng để luyện gang là:

1. (1), (3), (4), (5).                                      C. (1), (4), (7).
2. (1), (3), (5), (7).                                      D. (1), (4), (6).(7).

Bài 9: Trong sản xuất gang, người ta dùng một loại than vừa có vai trò là nhiêu liệu cung cấp nhiệt cho lò cao, vừa tạo ra chất khử CO, vừa tạo thành phần từ 2-5% C trong gang. Loại than đó là:

1. than non.                   B.Than đá.           C. Than gỗ.          D. Than cốc.

Bài 10: Thép là hợp kim Fe – C và một số nguyên tố khác.  trong đó C chiếm khoảng.

1. trên 2%                               C. 5 à 10%
2. 0,01% đến 2%                    D. Không chứa C.

Bài 11: Trong quá trình luyện gang thành thép, vai trò của oxi là:

1. Oxi hoá Fe ® Fe²⁺ , Fe³⁺.
2. Oxi hoá C, S , Si , P tạo thành các oxit.
3. Đóng vai trò đốt cháy nhiên liệu.
4. Cả, A, B, C

Bài 12: Dùng quặng manhetit chứa 80% Fe3O4 để luyện thành 800 tấn gang có hàm lượng Fe là 95%. Quá trình sản xuất gang bị hao hụt 1%. Vậy đã sử dụng bao nhiêu tấn quặng?
A. 1325,3.              B. 1311,9.            C. 1380,5.            D. 848,126.

Bài 12: Đem đun nóng một lượng quặng hematit chứa Fe₂O₃, có lẫn tạp chất trơ và cho luồng khí CO đi qua, thu được 300,8 gam hỗn hợp các chất rắn, đồng thời có hỗn hợp khí thoát ra. Cho hấp thụ hỗn hợp khí này vào bình đựng lượng dư dung dịch xút thì thấy khối lượng bình tăng thêm 52,8 gam. Nếu hòa tan hết hỗn hợp chất rắn trong lượng dư dung dịch HNO₃ loãng thì thu được 387,2 gam một muối nitrat. Hàm lượng Fe₂O₃ theo khối lượng trong loại quặng hematit này là
A. 60%                   B. 40%                 C. 20%                 D. 80%

IV. Đáp án

Bài 3:

   FeO      +    Mn                Fe    +     MnO  (Luyện thép)

   Fe₂O₃   +   3CO              2Fe    +    3CO₂   (Luyện gang)

   2FeO      +    Si                 2Fe    +     SiO₂  (Luyện thép)

    FeO      +    C                   Fe    +     CO      (Luyện thép)

- Chất khử : Mn, CO, Si, C            - Chất oxi hóa : Fe₂O₃ , FeO

Bài 4:

m_tăng =  = 52,8 gam

=> n_{O ( bị khử )} =  = 1,2 mol

       => Khối lượng của quặng = m_X + m_O = 300,8 +1,2.16 = 320 gam

BTNT Fe : = ½  = 0,8 mol

       => %  = 0,8.160/320.100% = 40%