1. Gang
Gang là hợp kim của sắt – cacbon (2 – 5%) và một số nguyên tố khác 1 – 4%Si ; 0,3 – 5%Mn ; 0,1 – 2%P ; 0,01 – 1%S.
a. Phân loại, tính chất và ứng dụng của gang
Dựa vào thành phần, tính chất có 2 loại gang
| Phân loại | Gang trắng | Gang xám |
| Thành phần | Gang trắng chứa ít cacbon, rất ít silic, chứa nhiều xementit (Fe3C) | Gang xám chứa nhiều cacbon, silic |
| Tính chất | Gang trắng rất cứng và giòn | Gang xám kém cứng và kém giòn hơn gang trắng. Gang xám khi nóng chảy thành chất lỏng và khi hóa rắn sẽ tăng thể tích. |
| Ứng dụng | Gang trắng dùng để luyện thép | Gang xám dùng để đúc các bộ phận của máy, ống dẫn nước, cánh cửa… |
b. Sản xuất gang
| Nguyên liệu | Phản ứng hóa học xảy ra trong lò cao |
| • Quặng sắt: chứa 30 – 95% ià oxit sắt, không chứa hoặc chứa ít lưu huỳnh, photpho • Than cốc: (điều chế từ than mỡ). Than cốc có vai trò cung cấp nhiệt khi cháy, tạo ra chất khử là CO và tạo thành gang • Chất chảy: CaCO3  CaO + CO2 ↑CaO + SiO2 → CaSiO3 (SiO2 có trong quặng sắt), xỉ silicat dễ nóng chảy nổi lên trên gang |
• Phản ứng tạo chất khử CO. Không khí nóng được nén vào lò cao ở phía trên của nồi lò, đốt cháy hoàn toàn than cốc C + O2 → CO2 + 1800°C CO2 + C → 2CO. • Phản ứng khử oxit sắt – Phản ứng CO khử các oxit sắt thực hiện ở thân lò: 3Fe2O3 + CO  2Fe3O4 + CO2– Phần giữa thân lò nhiệt độ khoảng: 500° – 600°C Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2 ↑ • Phản ứng tạo xỉ: ở phần bụng lò, nhiệt độ khoảng 1000°C: CaCO3 → CaO + CO2 ↑ CaO + SiO2 → CaSiO3 (xỉ) |
Sự tạo thành gang: ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 1500oC, sắt nonhs chảy có hòa tan một phần cacbon và một lượng nhỏ mangan, silic, … đó là gang. Gang nóng chảy tích tụ ở nồi lò.
2. Thép
Thép là hợp kim sắt – cacbon (0,01 – 2%) và một lượng rất ít các nguyên tố Si, Mn,….
a. Phân loại, tính chất và ứng dụng của thép
Dựa vào thành phần, tính chất có 2 loại thép:
| Phân loại | Thép thường hay thép cacbon | Thép đặc biệt |
| Thành phần | Thép chứa ít cacbon, silic, mangan và rất ít lưu huỳnh, photpho |
Thép có chứa thêm các nguyên tố khác như: Si, Mn, Cr, Ni, W, V… |
| Tính chất và ứng dụng |
Độ cứng của thép phụ thuộc vào |
Thép đặc biệt có những tính chất cơ học, vật lí rất quý. • Thép Cr-Ni rất cứng, dùng để chế tạo vòng bi, vỏ bọc thép… • Thép không gỉ có thành phần 74%Fe, 18%Cr, 8%Ni dùng để chế tạo dụng cụ y tế, dụng cụ nhà bếp. • Thép W-Mo-Cr rất cứng dù ở nhiệt độ cao, dùng chế tạo dao cắt gọt kim loại cho máy tiện, máy phay. • Thép silic chế tạo lò xo, nhíp ôtô, thép mangan chế tạo đường ray xe lửa, máy nghiền đá. |
b. Sản xuất thép
| Nguyên liệu | Những phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình luyện gang thành thép |
|
• Gang trắng hoặc gang xám, sắt thép
|
• Khí oxi dược dùng làm chất oxi hoá các nguyên tố trong gang thành oxit – Cacbon và lưu huỳnh bị oxi hoá → CO2 và SO2 tách khỏi gang. – Silic và photpho bị oxi hóa → SiO2 và P2O5 Si + O2 → SiO2 ; 4P + 5O2 → 2P2O5 Những oxit này hoá hợp với chất chảy CuO tạo thành xỉ (canxi photphat và canxi silicat) nổi trên bề mặt thép lỏng: 3CaO + P2O5 → Ca3(PO4)2 CaO + SiO2 → CaSiO3 |
c. Các phương pháp sản xuất thép
| Qúa trình sản xuất | Ưu và nhược điểm | |
| Phương pháp lò thổi |
• O2 tinh khiết nén dưới áp suất 10atm được thổi trên bề mặt và trong lòng gang nóng chảy, do vậy oxi đã oxi hoá rất mạnh các tạp chất (C, Si, P, S,…) |
• Phản ứng trong khối gang toả nhiều nhiệt • Nâng cao chất lượng chủng loại thép • Lò lớn có thể luyện 300 tấn thép, trong thời gian 45 phút. |
| Phương pháp lò bằng |
• Nhiên liệu là khí đốt hoặc dầu cùng với không khí và oxi được phun vào lò để oxi hoá các tạp chất trong gang • 12 – 15% thép trên thế giới được sản xuất theo phương pháp này. |
• Xảy ra chậm nên 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 đó có thể luyện được thép chất lượng cao • Tốn nhiên liệu để đốt lò. |
| Phương pháp lò quang điện |
• Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và gang lỏng tạo ra nhiệt độ trên 3000°C và dễ điều chỉnh hơn so với các loại lò trên. • Khối lượng mỗi mẻ thép không lớn |
• Luyện được những loại thép đặc biệt mà thành phần có những kim loại khó nóng chảy như monfram (33500C) molipden (2620°C), Crom (1890°C) và loại được hầu hết các nguyên tố có hại cho thép như S, P. • Nhược điểm của lò quang điện là dung tích nhỏ, điện năng tiêu thụ lớn. |