Hợp kim của sắt: Gang, thép là gì? Phân loại và cách sản xuất

Sắt là một trong những nguyên tố hóa học quan trọng và mang tính ứng dụng cao trong cuộc sống. Hiểu về sắt và những hợp kim của sắt sẽ giúp bạn biết được những kiến thức hóa học chuẩn xác nhất cũng như có được những kiến thức thực tế hữu ích.

Khái niệm hợp kim của sắt

Trong cuộc sống hiện nay bạn có thể bắt gặp sắt ở mọi nơi. Chúng xuất hiện rất nhiều trong đời sống hàng ngày và trong nhiều lĩnh vực sản xuất. Đặc biệt sắt hay các hợp kim của sắt còn là một thành phần rất quan trọng trong nhiều ngành nghề kỹ thuật khác nhau. Bởi vậy việc hiểu được sắt và những kiến thức liên quan hợp kim của sắt sẽ giúp bạn có được những hệ thống nhận thức trọn vẹn và hoàn hảo nhất.

Khái niệm chung

Mọi người thường chỉ biết tới nguyên tố sắt. Tuy nhiên nếu đi sâu nghiên cứu thì bạn chắc chắn sẽ cần tìm hiểu về hợp kim của sắt. Để hiểu hợp kim của sắt thì bạn cần hiểu hợp kim là gì. Theo đó, hợp kim chính là một sản phẩm chất rắn thu được sau khi thực hiện làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại và phi kim hoặc của nhiều kim loại khác nhau.

Dựa vào những khái niệm của hợp kim có thể thấy được, sắt hiện nay cũng có nhiều hợp kim khác nhau. Phổ biến nhất về hợp kim của sắt chính là thép và gang. Hai ứng dụng này được coi là hợp kim của sắt quan trọng nhất và được ứng dụng nhiều nhất trong đời sống.

Khái niệm gang là gì?

Trên thực tế có rất nhiều người nhầm lẫn gang và thép là như nhau. Tuy nhiên chúng chỉ có điểm chung là cùng là hợp kim của sắt. Cụ thể, gang là một hợp kim phổ biến của sắt. Chúng chính là hợp kim của sắt và carbon, trong đó thành phần của carbon có khoảng 2 – 5%.

Ngoài thành phần chính đó thì trong gang còn có một số nguyên tố thường gặp khác như: S, Mn, Si… Mặc dù là hợp kim của sắt nhưng gang giòn và cứng hơn sắt. Trên thực tế hiện nay có những loại gang chính là gang trắng và gang xám.

Khái niệm thép là gì?

Thép cùng với gang cũng là một hợp kim của sắt. Theo đó, thép chính là hợp kim của sắt với cacbon cùng với rất nhiều những nguyên tố khác. Tuy nhiên hàm lượng carbon có trong đó chỉ dưới 2%. So với sắt thì thép có những tính chất vật lý vô cùng đặc biệt như: Ít bị ăn mòn, cứng và có độ đàn hồi tốt.

Trong cuộc sống hiện nay thì thép có rất nhiều ứng dụng khác nhau. Trong đó phổ biến nhất chính là sử dụng thép để chế tạo ra rất nhiều những dụng cụ lao động, vật dụng hay các chi tiết máy… Đặc biệt nhất hiện nay chính là việc thép được sử dụng chủ yếu để sản xuất các phương tiện giao thông, phương tiện vận tải và đặc biệt là vật liệu xây dựng.

Phân loại hợp kim của sắt

Cả gang và thép đều là hợp kim của sắt. Chúng đều có những thành phần khá giống nhau. Tuy nhiên trên thực tế, hàm lượng của từng loại sẽ có sự khác biệt. Và chính sự khác biệt đó đã tạo nên gang và thép như hiện nay.

Gang

Gang là một hợp kim quan trọng của sắt. Hiện nay có nhiều loại khác nhau. Cụ thể:

• Gang xám: Gang xám có thành phần nhiều silic và carbon hơn so với gang trắng. Gang xám sẽ có đặc tính ít giòn và mềm hơn. Hiện nay gang xám sẽ được sử dụng để sản xuất các vật liệu như ống nước, bệ máy…

• Gang trắng: Gang trắng sẽ có thành phần ít silic và carbon hơn so với gang xám. Gang trắng sẽ có đặc tính cứng và giòn hơn. Do đó mà trên thực tế, gang trắng sẽ được sử dụng để luyện thép.

• Gang graphit: Gang graphit cũng là một hợp kim của sắt và carbon. Thành phần carbon trong đó chiếm khoảng 2.14% cùng nhiều nguyên tố khác như S, , Si, Mn…

• Gang cầu: Gang cầu có thành phần gồm 4.3% nguyên tố C và 4.6% nguyên tố Si. Gang cầu được sử dụng phổ biến để sản xuất các loại van công nghiệp, các chi tiết máy…

• Gang dẻo: Gang dẻo sẽ được ủ “graphit hóa” từ gang trắng. Gang dẻo có ưu điểm là tuổi thọ lâu dài, tính dẻo tốt, độ bền tốt, chống chịu điều kiện khắc nghiệt tốt.

Thép

Cũng là một hợp kim quan trọng của sắt, thép hiện nay cũng mang đến rất nhiều những ứng dụng tuyệt vời trong đời sống. Thép có thành phần khá giống với gang tuy nhiên lượng carbon trong thép lại có hàm lượng rất nhỏ và chỉ dưới 2%. Hiện nay, thép có hai loại chính là:

Thép có nhiều ứng dụng trong đời sống

• Thép đặc biệt: Thép đặc biệt có trong thành phần nhiều nguyên tố như Cr, Mn và Si. Thép đặc biệt sẽ có đặc tính chắc chắn và cứng.

• Thép thường: Trong thành phần của thép thường sẽ có ít silic, carbon và mangan. Thép thường sẽ được sử dụng để chế tạo, sản xuất những vật dụng hàng ngày.

Tính chất của gang và thép

Gang và thép hiện nay được sử dụng rất nhiều trong đời sống và trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất. Mỗi loại sẽ có những tính chất khác nhau. Hiểu rõ về tính chất của chúng sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về các loại hợp kim của sắt.

Tính chất của gang

• Gang có độ giòn cao, độ cứng cao, khó gia công hàn hoặc cắt.

• Trong công nghiệp, gang graphit được sử dụng nhiều hơn bởi chúng dễ gia công và đặc tính mềm.

• Trong gia công đúc, gang được sử dụng nhiều để làm các chi tiết phức tạp như thân máy, vỏ máy, trục khuỷu, bánh đai, bánh răng, bánh đà, trục cán, ổ trượt…

• Gang xám có đặc tính khó rèn, chống uốn kém, dễ bị nguội nên dễ bị biến trắng và rất khó gia công cơ khí.

• Gang trắng được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc bởi chúng có đặc tính giòn, cứng, tính cắt gọt kém.

• Gang dễ nấu luyện, có độ giòn cao, có tính đúc tốt, có độ loãng chảy cao và thường không phù hợp để gia công hàn.

• Gang chịu được tải trọng cao, chịu nén, tốt, chống mài  mòn tốt, chống va đập tốt.

• Gang có nhiệt độ nóng chảy khoảng 1150 – 1200 độ C.

Tính chất của thép

• Thép có ánh kim, có tính dẫn điện mạnh.

• Thép chịu va đập tốt, chịu nhiệt tốt.

• Thép bị hóa dẻo ở nhiệt độ từ 500 – 600 độ C.

• Ở nhiệt độ dưới -50 độ C thì thép rất dễ nứt và giòn.

• Thép có khả năng chống oxi hóa của môi trường.

Sản xuất hợp kim của sắt như thế nào?

Gang và thép là hợp kim đặc biệt và phổ biến nhất của sắt. Chúng được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và trở thành một thành phần quan trọng trong nhiều ngành sản xuất. Vậy gang và thép được sản xuất như thế nào?

Sản xuất gang

Nguyên liệu sản xuất gang với thành phần chính là quặng sắt và than cốc. Theo đó, quặng sắt trong tự nhiên bao gồm hematit (chứa Fe2O3), quặng manhetit (chứa Fe3O4). Tại Việt Nam thì có thể tìm thấy nhiều quặng sắt ở Hà Tĩnh, Yên Bái hay Thái Nguyên. Ngoài ra để sản xuất gang còn cần một lượng than cốc, không khí có giàu oxi cùng một số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO3…

Nguyên tắc sản xuất gang: Gang sẽ được sản xuất dựa trên nguyên tắc dùng cacbon oxit để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện kim.

Quá trình sản xuất gang trong lò luyện kim:

• Quặng, than cốc cũng như đá vôi sẽ được xử lý để có kích thước vừa phải để có thể đưa vừa vào miệng của lò luyện kim. Các lớp sẽ được xếp với nhau một cách xen kẽ. Không khí trong lò luyện kim sẽ được đốt nóng từ dưới lên. Khi đó sẽ có phản ứng tạo ra khí CO.

C(r) + O2(k) → CO2(k)

C(r) + CO2(k) → 2CO(k)

• Khí CO sẽ được sử dụng để khử oxit sắt trong quặng thành sắt. Các oxit khác có trong quặng sắt cũng sẽ được khử để tạo thành đơn chất như Si, Mn… Sắt khi nóng chảy sẽ hòa tan một lượng nhỏ carbon cũng như một số nguyên tố khác để có thể tạo thành gang lỏng chảy xuống nồi lò và sẽ được đưa ra ngoài thông qua cửa tháo gang.

3CO(r) + Fe2O3(r) → 3CO2(k) + 2Fe(r) (điều kiện nhiệt độ cao)

• Đá vôi khi phân hủy sẽ tạo thành CaO. Khi đó, CaO sẽ tiếp tục kết hợp với các oxit SiO2.

CaO(r) + SiO2(r) → CaSiO3(k) (điều kiện nhiệt độ)

• Khí trong quá trình tạo thành trong lò cao sẽ được thoát ra thông qua miệng lò được gắn ở phía trên.

Sản xuất thép

• Nguyên liệu sản xuất thép: Chủ yếu là gang, khí oxi và sắt phế liệu.

• Nguyên tắc sản xuất thép: Thép sẽ được sản xuất thông qua việc oxi hóa một số kim loại, phi kim. Điều này sẽ giúp loại ra khỏi gang những nguyên tố như mangan, silic, carbon…

• Quá trình sản xuất thép: Thép sẽ được sản xuất trong lò luyện thép như lò bet-xơ-me. Để sản xuất thép, khí oxi sẽ được thổi và lò đựng gang nóng chảy ở nhiệt độ cao. Khí oxi sẽ oxi hóa các nguyên tố có trong gang như P, S, Si, Mn, C… và sản phẩm thu được khi đó chính là thép.

C + O2 → CO2(k) (điều kiện nhiệt độ)

Xem thêm: 

• Nhôm là kim loại gì? Các tính chất, ứng dụng và cách sản xuất nhôm
• Muối kali nitrat (KNO3): Định nghĩa, tính chất, cách điều chế và ứng dụng

Các ứng dụng hợp kim của sắt gang và thép

Gang và thép hiện nay được sử dụng khá nhiều trong các lĩnh vực của cuộc sống. Cụ thể các ứng dụng của gang và thép như sau:

Ứng dụng của thép

Thép được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực sản xuất. Theo đó bạn có thể bắt gặp thép được dùng trong:

• Ngành công nghiệp đóng tàu: Thép cũng được sử dụng rất nhiều trong ngành công nghiệp đóng tàu. Thép khi đó sẽ được sử dụng để đóng tàu thuyền bởi chúng có khả năng chịu nhiệt, độ bền cao, mài mòn tốt và rất dễ dát mỏng. Bạn có thể thấy được thép được sử dụng nhiều nhất để làm phần vỏ tàu.

• Ngành xây dựng: Thép được sử dụng nhiều trong ngành xây dựng. Cụ thể chúng được dùng để chế tạo bê tông cốt thép. Sự xuất hiện của thép sẽ mang đến sự chắc chắn, kiên cố cho công trình. Ngoài ra, thép cũng được dùng trong các công trình giao thông, hạ tầng cơ sở dân dụng.

Ứng dụng của gang

Gang cũng được sử dụng rất nhiều trong đời sống. Bạn có thể thấy được gang sử dụng nhiều trong:

• Trước đây, gang được sử dụng để làm vũ khí, lưỡi cày, nồi, nông cụ…

• Gang được sử dụng để làm những chi tiết ít chịu va đập và ít chịu tải.

• Gang cũng được dùng để sản xuất các chi tiết chịu mài mòn, ma sát.

• Gang dùng để sản xuất vỏ máy, bệ máy, thân máy, hộp số, hộp máy, đĩa phanh, xi lanh động cơ, đĩa bánh răng, dụng cụ nấu ăn, thiết bị khai thác mỏ…

Bài tập về hợp kim của sắt sách giáo khoa Hóa học 9 kèm lời giải

Hợp kim của sắt là một kiến thức quan trọng trong Hóa học lớp 9. Bởi vậy mà có rất nhiều bài tập liên quan đến hợp chất của sắt như gang, thép. Cụ thể, có một số bài tập cơ bản về hợp kim của sắt như sau:

Bài tập 1 (SGK Hóa học 9 trang 63)

Đề bài: Thế nào là hợp kim? Thế nào là gang, thép? Nếu thành phần, tính chất và ứng dụng của gang và thép.

Bài giải:

• Các chất thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại hay hỗn hợp phi kim, kim loại được gọi là hợp kim.

• Thép chính là hợp kim của sắt với cacbon cùng nhiều nguyên tố khác. Trong thành phần của thép thì carbon chỉ chiếm dưới 2%.

• Gang là hợp chất của sắt với cacbon cùng nhiều nguyên tố khác. Trong đó thành phần của carbon chiếm từ 2 – 5%.

• Ứng dụng của gang: Gang trắng thường được sử dụng để luyện thép, gang xám thường được dùng để chế tạo thiết bị, máy móc.

• Ứng dụng của thép: Thép sẽ được sử dụng để sản xuất vật dụng, dụng cụ lao động, chi tiết máy, vật liệu xây dựng, phương tiện giao thông vận tải…

Bài tập 3 (SGK Hóa học 9 trang 63)

Đề bài: Nguyên tắc luyện gang thành thép như thế nào? Viết các phương trình hóa học cụ thể.

Bài giải:

Gang sẽ được luyện thành thép thông qua nguyên tắc: Thực hiện loại bỏ gang ra khỏi các nguyên tốt như mangan, silic, carbon…

Khí oxi sẽ được thổi vào lò đựng gang đang nóng chảy. Khí oxi sẽ oxi hóa sắt thành FeO. FeO sẽ tiếp tục oxi hóa một số nguyên tố trong gang như: S, P, Si, Mn, C. Ví dụ:

2Fe + O2 → 2FeO

FeO + C → Fe + CO

2FeO + Si → 2Fe + SiO2

FeO + Mn → Fe + MnO.

Bài tập 4 (SGK Hóa học 9 trang 63)

Đề bài: Những khí thải (CO2, SO2 …) trong quá trình sản xuất gang, thép có ảnh hưởng như thế nào đến môi trường xung quanh? Dẫn ra một số phản ứng để giải thích. Thử nêu biện pháp để chống ô nhiễm môi trường ở khu dân cư gần cơ sở sản xuất gang thép.

Bài giải:

Trong quá trình luyện gang, những khí thải thí dụ như SO2, CO2 ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

Khí SO2 gây ô nhiễm không khí, độc hại cho con người và động thực vật.

Làm cho nồng độ axit trong nước mưa cao hơn mức bình thường.

SO2 + H2O → H2SO3

H2SO3 tiếp tục bị oxi hóa thành H2SO4.

CO2 + H2O → H2CO3

Biện pháp chống ô nhiễm môi trường: Xây dựng hệ thống liên hoàn xử lý khí thải độc hại trước khi đưa khí thải ra ngoài không khí. Trồng vành đai xanh để hấp thụ khí CO2.

Thông qua những kiến thức chi tiết nhất về hợp kim của sắt sẽ giúp bạn biết được gang và thép đều được ứng dụng rất nhiều trong đời sống và mang đến những hiệu quả vượt trội trong mỗi lĩnh vực. Bạn có thể truy cập ứng dụng Wikihoc để có thêm nhiều kiến thức về các môn học khác một cách chuẩn xác nhất.