Hợp kim của 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

• Hợp chất của sắt
• Lý thuyết về sắt