Bài 20. Hợp kim sắt: Gang, thép

Bài thực hành Hóa học 9
Hợp kim sắt: Gang, thép
Nhóm 5:
1. Đào Thanh Lâm
2. Bùi Thị Khánh Linh
3. Mai Thanh Hải
4. Phạm Thị Hoàng Ngân
5. Trần Hải Yến
6. Nguyễn Ngọc Bảo Trang
Khái niệm về gang, thép
a. Gang
- Gang là hợp kim của sắt với cacbon.
I. Hợp kim của sắt

- Hàm lượng của C trong gang nằm trong miền từ 2,1% đến 4,3% trọng lượng, với. Một phần đáng kể Si (1-3%) trong gang tạo thành tổ hợp hợp kim Fe-C-Si.

- Tuy nhiên, gang được xem tương tự như hợp kim chứa hai nguyên tố là sắt và carbon ở trang thái đông đặc, trên biểu đồ trạng thái sắt - carbon tại điểm austectic (1154 °C và 4,3%C). Gang với thành phần hóa học gần điểm austectic có nhiệt đ nóng chảy trong khoảng từ 1150 đến 1200 °C, thấp hơn 300 °C so với sắt nguyên chất. Nhìn chung người ta xem gang như là một loại hợp kim có tính dòn. Màu xám ở mặt gãy thường là đặc điểm nhận dạng của gang: chính là sự phân bổ ở dạng tự do của khối carbon, với hình thù dạng tấm khi hợp kim đông đặc.
- Thành phần hóa học của gang bao gồm chủ yếu là:sắt (hơn 95% theo trọng lượng), và các nguyên tố hợp kim chính là C và Si.
*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.
I. Hợp kim của sắt
Khái niệm về gang, thép
.b. Thép
- Thép là hợp kim của sắt với cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon chiếm dưới 2%. Chúng làm tăng độ cứng, hạn chế sự di chuyển của nguyên tử sắt trong cấu trúc tinh thể dưới tác động của nhiều nguyên nhân khác nhau. Số lượng khác nhau của các nguyên tố và tỷ lệ của chúng trong thép nhằm mục
đích kiểm soát các mục tiêu chất lượng như độ cứng, độ đàn hồi, tính dể uốn, và sức bền kéo đứt. Thép với tỷ lệ cacbon cao có thể tăng cường độ cứng và cường lực kéo đứt so với sắt, nhưng lại giòn và dễ gãy hơn. Tỷ lệ hòa tan tối đa của carbon trong sắt là 2,14% theo trọng lượng (ở trạng thái Austenit) xảy ra ở 1.147 độ C. Ngày nay người ta gọi ngành công nghiệp thép (không gọi là ngành công nghiệp sắt và thép), nhưng trong lịch sử, đó là 2 sản phẩm khác nhau. Ngày nay có một vài loại thép mà trong đó cacbon được thay thế bằng các hỗn hợp vật liệu khác, và cacbon nếu có, chỉ là không được ưa chuộng.
I. Hợp kim của sắt
2. Phân loại và ứng dụng của gang, thép
a. Gang
* Tuỳ theo dạng graphit trong gang mà gang được phân thành các loại:
- Gang xám
- Gang trắng
- Gang cầu
- Gang giun
- Gang dẻo
* Với đặc tính: điểm nóng chảy thấp, độ chảy loãng tốt, tính đúc tốt, dễ gia công, có khả năng chịu mài mòn, nên giá thành gia công rất thấp, do đó gang được sử dụng trong rất nhiều chi tiết, lĩnh vực khác nhau. Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước…..
I. Hợp kim của sắt
b. Phân loại và ứng dụng của thép
*Các loại thép:
- Thép cacbon (cho đến 2,1% carbon)
- Thép silic (hợp kim hóa với silic)
- Thép không gỉ (hợp kim hóa với crôm)
- Thép hợp kim thấp
- Thép hợp kim thấp có độ bền caoThép dụng cụ (rất cứng; sau nhiệt luyện)
- Thép hợp kim cao (chuyên dụng; sau nhiệt luyện)
-Thép IF
*Thép có nhiều tính chất vật lí và tính chất hóa học rất quý mà sắt không có được như: đàn hồi, cứng, ít bị ăn mòn…. Nên được ứng dụng rất rộng rãi. Thép dùng để chế tạo nhiều chi tiết máy, vật dụng, dụng cụ lao động… Đặc biệt thép được dùng để làm vật liệu xây dựng, dùng để chế tạo ra phương tiện giao thông vận tải (tàu hỏa, tàu thủy, ô tô, xe gắn máy, xe đạp…)
II. Sản xuất gang, thép
1. Quy trình sản xuất gang
a. Nguyên liệu:
- Quặng sắt tự nhiên (có thành phần chủ yếu là oxit sắt) gồm quặng manhetit (chứa Fe3O4) và hematit (chứa Fe2O3). Ở Việt Nam có nhiều quặng hematit ở Thái Ngyên, Yên Bái, Hà Tĩnh,…..
- Than cốc, 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


II. Sản xuất gang, thép
1. Quy trình sản xuất gang
c. Quá trình sản xuất gang trong lò cao
- Quặng, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải đc đưa vào lò cao qua miệng lò và xếp thành từng lớp xen kẽ nhau. Không khí nóng được thổi từ hai bên lò từ dưới lên. Phản ứng tạo thành khí CO:
C + O2 CO2
t0
C + CO2 2CO
t0
- Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:
3CO + Fe2O3 3CO2 + 2Fe
4CO + Fe3O4 4CO2 + 3Fe
t0
t0
Một số oxit khác có trong quặng như MnO2 , SiO2 … cũng bị khử tạo thành các đơn chất Mn, Si….
Sắt nóng chảy hòa tan một lượng nhỏ cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang
II. Sản xuất gang, thép
1. Quy trình sản xuất gang
c. Quá trình sản xuất gang trong lò cao
- Đá vôi bị phân hủy thành CaO. CaO kết hợp với các oxit SiO2,… có trong quặng tạo thành xỉ
CaCO3 CaO + CO2
CaO + SiO2 CaSiO3
t0
t0
Xỉ nhẹ nổi lên trên và được đưa ra ngoài ở cửa tháo xỉ
- Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò
II. Sản xuất gang, thép
2. Quy trình sản xuất thép
a. Nguyên liệu sản xuất thép:
- Gang, sắt phế liệu và khí oxi là nguyên liệu chính để sản xuất thép
b. Nguyên tắc sản xuất thép
- Oxi hóa một số kim loại, phi kim để loại ra khỏi gang phần lớn các nguyên tố cacbon, silic, mangan…
II. Sản xuất gang, thép
2. Quy trình sản xuất thép
c. Quy trình sản xuất thép
Quá trình sản xuất thép được thực hiện trong các lò luyện thép như: lò Bét-xơ-me
Thổi khí oxi vào lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao. Khí oxi oxi hóa các nguyên tô trong gang như C, Mn, Si, S, P,….
C + O2 CO2
2Mn + O2 2MnO
S + O2 SO2
t0
t0
t0
O2
Xỉ nóng chảy
Thép
nóng chảy
Sự hoạt động của lò luyện thép
( Lò bet-xơ-me)
MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ SẢN XUẤT GANG, THÉP
~THE END~