Hợp kim của Sắt (Gang và Thép) – Sản xuất luyện kim

1. Gang (Giàu Cacbon, giòn)

Khái niệm: Gang là hợp kim của sắt (Fe) với cacbon (C), trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2% đến 5% khối lượng, cùng một số tạp chất (Si, Mn, S, P).

Phân loại:

• Gang xám: Chứa nhiều cacbon ở dạng than chì (graphit). Kém bền, giòn, dùng đúc bệ máy, ống nước.
• Gang trắng: Cacbon ở dạng xementit (Fe₃C). Rất cứng, dùng chủ yếu làm nguyên liệu để luyện thép.

Sản xuất Gang (Trong Lò Cao)

Nguyên liệu: Quặng sắt (Hematit Fe₂O₃), than cốc (để tạo chất khử CO và tạo nhiệt), quặng đá vôi (làm chất chảy CaCO₃ để loại bỏ tạp chất đất đá SiO₂).

Nguyên lý: Dùng CO khử các oxit sắt ở nhiệt độ cao.

• C + O₂ ⟶ CO₂ ⟶ (Tác dụng với C) ⟶ Tạo ra 2CO
• Khí CO khử quặng sắt dần dần từ trên xuống dưới:
  3Fe₂O₃ + CO ⟶ 2Fe₃O₄ + CO₂
  Fe₃O₄ + CO ⟶ 3FeO + CO₂
  FeO + CO ⟶ Fe (Sắt nóng chảy) + CO₂

Sắt nóng chảy hòa tan một phần cacbon tạo thành Gang lỏng chảy ra đáy lò. Đá vôi phân hủy tạo CaO, kết hợp SiO₂ tạo xỉ (CaSiO₃) nổi lên trên bảo vệ gang không bị oxi hóa.

2. Thép (Ít Cacbon, dẻo và cứng)

Khái niệm: Thép là hợp kim của sắt chứa ít cacbon hơn gang (từ 0.01% đến 2%).

Thép có tính đàn hồi cao, dẻo, cứng, được ứng dụng rộng rãi nhất trong mọi lĩnh vực (xây dựng, chế tạo máy, đóng tàu).

Sản xuất Thép (Luyện Thép)

Nguyên liệu: Gang trắng (hoặc thép phế liệu), khí Oxi.

Nguyên lý: Oxi hóa để loại bỏ bớt Cacbon và các tạp chất (Si, Mn, S, P) có trong gang để hạ tỉ lệ C xuống dưới 2%.

Quá trình luyện thép thường dùng lò chuyển (thổi khí Oxi vào lò chứa gang lỏng). Oxi sẽ phản ứng với C tạo CO, CO₂ bay lên, phản ứng với Si, Mn tạo xỉ nổi lên trên. Ta thu được thép lỏng chất lượng cao.