Trả lời nhanh
Gang và thép đều là hợp kim của sắt với cacbon. Gang chứa 2–5% C, được luyện trong lò cao bằng cách dùng khí CO khử oxit sắt. Thép chứa dưới 2% C, được luyện bằng cách oxi hoá bớt cacbon và tạp chất của gang. Thép dẻo, đàn hồi, bền hơn gang nên dùng rất rộng rãi.
1. Hợp kim của sắt là gì?
Hợp kim là chất rắn thu được khi nung chảy hỗn hợp nhiều kim loại khác nhau hoặc kim loại với một số phi kim. Sắt nguyên chất khá mềm nên trong thực tế người ta ít dùng. Khi thêm cacbon và một lượng nhỏ nguyên tố khác (Si, Mn, S, P…), ta được hai hợp kim quan trọng nhất là gang và thép.
2. So sánh gang và thép
| Tiêu chí | Gang | Thép |
|---|---|---|
| Thành phần | Fe, C (2–5%) và một ít Si, Mn, S… | Fe, C (dưới 2%) và một lượng nhỏ nguyên tố khác |
| Phân loại | Gang trắng, gang xám | Thép thường (thép cacbon), thép đặc biệt (thêm Cr, Ni, Mn…) |
| Tính chất | Cứng, giòn, ít đàn hồi | Đàn hồi, dẻo hơn, cứng, bền |
| Ứng dụng | Gang trắng để luyện thép; gang xám đúc bệ máy, nắp cống, ống dẫn… | Xây dựng, cầu, đường ray, dụng cụ, chi tiết máy, vỏ tàu… |
Mẹo nhớ: “Gang nhiều C hơn thép” – ranh giới là 2%. Gang có nhiều cacbon nên cứng nhưng giòn; thép ít cacbon hơn nên dai và dẻo hơn.
3. Sản xuất gang trong lò cao
Nguyên liệu: quặng sắt (hematit Fe2O3, manhetit Fe3O4), than cốc, không khí giàu oxi, chất phụ gia (đá vôi CaCO3).
Nguyên tắc: dùng CO khử oxit sắt ở nhiệt độ cao.
- Than cốc cháy tạo nhiệt và khí CO2: C + O2 → CO2 (t°).
- CO2 bị than khử thành CO: CO2 + C → 2CO (t°).
- CO khử oxit sắt thành sắt: 3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2 (t°); 4CO + Fe3O4 → 3Fe + 4CO2 (t°).
- Tạo xỉ: CaCO3 → CaO + CO2 (t°); CaO + SiO2 → CaSiO3 (t°). Xỉ nhẹ hơn nên nổi lên trên gang lỏng và được tháo ra riêng.
Sắt tạo ra hoà tan thêm cacbon và một số nguyên tố khác thành gang lỏng chảy xuống đáy lò.
4. Sản xuất thép
Nguyên tắc: oxi hoá phần lớn cacbon và các tạp chất (Si, Mn, S, P) có trong gang để giảm hàm lượng cacbon xuống dưới 2%.
Nguyên liệu: gang (thường là gang trắng), sắt phế liệu, oxi (hoặc không khí giàu oxi).
- C + O2 → CO2 (t°)
- S + O2 → SO2 (t°)
- Si + O2 → SiO2 (t°)
Các khí thoát ra ngoài, oxit rắn tạo xỉ nổi lên. Phải dừng thổi oxi đúng lúc để thép có thành phần theo yêu cầu.
Lỗi sai thường gặp: nhiều bạn nhầm “luyện gang” và “luyện thép” cùng là khử. Thực tế luyện gang là khử oxit sắt bằng CO, còn luyện thép là oxi hoá bớt C và tạp chất – hai quá trình ngược chiều về bản chất.
5. Hướng dẫn giải các dạng bài thường gặp
Dạng 1: Câu hỏi lý thuyết
- Gang là gì, thép là gì? – Cả hai là hợp kim Fe–C; gang 2–5% C, thép dưới 2% C.
- Nguyên tắc sản xuất gang? – Khử oxit sắt bằng CO ở nhiệt độ cao trong lò cao.
- Nguyên tắc sản xuất thép? – Oxi hoá các nguyên tố C, Si, S… trong gang.
- Vì sao đá vôi được cho vào lò cao? – Để biến SiO2 (tạp chất trong quặng) thành xỉ CaSiO3 dễ tách khỏi gang.
Dạng 2: Bài toán tính lượng sắt, gang từ quặng
Ví dụ (tự đặt): Từ 1 tấn quặng hematit chứa 80% Fe2O3, hiệu suất quá trình 90%, thu được bao nhiêu tấn gang chứa 95% Fe?
- Khối lượng Fe2O3 = 1 × 80% = 0,8 tấn.
- Fe2O3 → 2Fe: 160 tấn oxit cho 112 tấn Fe, nên Fe lý thuyết = 0,8 × 112/160 = 0,56 tấn.
- Fe thực tế = 0,56 × 90% = 0,504 tấn.
- Khối lượng gang = 0,504 / 0,95 ≈ 0,53 tấn.
Mẹo: luôn đi theo chuỗi “quặng → chất nguyên chất → Fe lý thuyết → Fe thực tế → gang”, và nhớ nhân hiệu suất đúng một lần.
6. Bài luyện tập có đáp án
Bài 1. Cần bao nhiêu tấn quặng chứa 60% Fe2O3 để sản xuất 1 tấn gang chứa 95% Fe (coi hiệu suất 100%)?
Đáp án: Fe = 0,95 tấn → Fe2O3 = 0,95 × 160/112 ≈ 1,357 tấn → quặng = 1,357/0,6 ≈ 2,26 tấn.
Bài 2. Coi gang chỉ gồm Fe và C. Luyện 10 kg gang chứa 4% C thành thép chứa 1% C (chỉ C bị oxi hoá, Fe không mất). Tính khối lượng C đã bị đốt cháy.
Đáp án: Fe = 9,6 kg, chiếm 99% thép → khối lượng thép = 9,6/0,99 ≈ 9,70 kg → C còn lại ≈ 0,097 kg → C bị đốt = 0,4 − 0,097 ≈ 0,30 kg.
Bài 3. Viết phương trình điều chế sắt từ Fe3O4 trong lò cao.
Đáp án: Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2 (t°).
Câu hỏi thường gặp
Gang và thép khác nhau ở điểm nào?
Khác nhau chủ yếu ở hàm lượng cacbon: gang chứa 2–5% C nên cứng, giòn; thép chứa dưới 2% C nên dẻo, đàn hồi và bền hơn.
Nguyên tắc sản xuất gang là gì?
Dùng khí CO (sinh ra từ than cốc) khử oxit sắt trong quặng ở nhiệt độ cao trong lò cao, ví dụ 3CO + Fe2O3 → 2Fe + 3CO2.
Nguyên tắc sản xuất thép là gì?
Oxi hoá phần lớn cacbon và các tạp chất như Si, S, Mn trong gang bằng oxi để hàm lượng cacbon giảm xuống dưới 2%.
Vì sao cho đá vôi vào lò cao luyện gang?
Đá vôi bị nhiệt phân thành CaO, CaO kết hợp với SiO2 trong quặng tạo xỉ CaSiO3 nổi lên trên gang lỏng và dễ tách ra.