Bài 33: Lí thuyết và giải bài tập về hợp kim của sắt

I. TÓM TẮT LÍ THUYẾT

1. Gang

a. Khái niệm

Gang là hợp kim của sắt với các bon trong đó có từ 2 đến 5% khối lượng các bon, ngoài ra còn một lượng nhỏ các nguyên tố Si, Mn, S,…

b. Phân loại

• Gang xám: 
  • Là gang chứa cacbon ở dạng than chì.
  • Dùng để đúc bên máy, ống dẫn nước, cánh cửa,...
• Gang trắng:
  • Là gang chứa ít các bon hơn, chủ yếu ở dạng Xementit (Fe₃C)
  • Dùng để luyện thép.

c. Sản xuất Gang

 

• Nguyên tắc: Khử quặng sắt oxit bằng than cốc trong lò cao.
• Nguyên liệu: Quặng sắt oxit (quặng hematit đỏ Fe₂O₃), than cốc, chất chảy (CaCO₃ hoặc  SiO₂).
• Các phản ứng xảy ra trong quá trình luyện gang:
  • Phản ứng tạo chất khử CO
  • Phần trên của nồi lò: C + O₂ \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CO₂
  • Khí CO₂ đi lên bị khử thành CO: CO₂ + C \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2CO
  • Phản ứng khử sắt oxit: 
  • Phần thân lò có nhiệt độ khoảng 400⁰C: 3Fe₂O₃ + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2Fe₃O₄+ CO₂\(\uparrow\)
  • Phần giữa thân lò nhiệt độ khoảng 500 – 600⁰C: Fe₃O₄ + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 3FeO + CO₂\(\uparrow\)
  • Phần dưới thân lò nhiệt độ khoảng 700 – 800⁰C: FeO + CO \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) Fe  + CO₂\(\uparrow\)
  • Phản ứng tạo xỉ.
  • CaCO₃ \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaO + CO₂\(\uparrow\)
  • CaO + SiO₂ \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) CaSiO₃​

​d. Sự tạo thành gang

Ở phần bụng lò có nhiệt độ khoảng 1500⁰C Sắt nóng chảy từ thân lò đi xuống bụng lò hoà tan một phần C và một lượng nhỏ Mn, Si….tạo thành gang ( có d = 6,9) chìm xuống dưới, xỉ nhẹ hơn nổi lên trên bảo vệ gang khôing bị oxi hoá. Sau một thời gian tháo xỉ và gang ra.

2. Thép

a. Khái niệm

Thép là hợp kim của sắt chứa từ 0,01 – 2% khối lượng các bon, cùng với một số nguyên tố khác (Si, Mn, Cr, Ni,,…)

b. Phân loại

• Thép thường (hay thép cacbon): 
  • Thép mềm : chứa không quá 0,1% C. Dễ gia công. ⇒ Ứng dụng kéo sợi, cán thành thép lá dùng để chế tạo các vận dụng trong đời sống, sây dựng nhà cửa,..
  • Thép cứng: Chứa trên 0,9%C ⇒ Dùng để chế tạo các công cụ, các chi tiết máy,…
• Thép đặc biệt: Đưa thêm vào thép thường một số nguyên tố làm cho thép có tính chất đặc biệt.
  • Thép chứa 13%Mn rất cứng ⇒ Dùng làm máy nghiền đá.
  • Thép chứa khoảng 20%Cr và 10%Ni rất cứng không gỉ ⇒ Dùng làm dụng cụ gia đình, y tế…
  • Thép chứa 18%W và 5% Cr rất cứng ⇒ Dùng để chế tạo máy căt, máy phay,…

c. Sản xuất Thép

• Nguyên tắc: Giảm hàm lượng các tạp chất Si, Mn, S, P, C… chất trong gang bằng cách Oxi hoá các tạp đó thành oxit, rồi biến thành sỉ và tách ra khỏi thép.
• Các phương pháp luyện Thép

Đặc điểm	Phương pháp Bet – xơ – me	Phương pháp Mactanh	Phương pháp lò điện
Sơ đồ	Luyện thép trong lò hình quả lê, vỏ bằng thép bên trong lát gạch chịu lửa.	Nạp vào lò: gang, thép phế liệu, chất chảy Đốt lò bằng dầu madut hoặc khí đốt, không khí giàu oxi, nhiệt độ 17000C. Khí oxi, gỉ sắt oxi hoá các chất trong gang  Fe2O3 + 3C \(\overset{t^{0}}{\rightarrow}\) 2Fe + 3CO	Nhiệt lượng sinh ra trong lò hồ quang điện giữa các điện cực bằng than chì và của gang lỏng
Ưu điểm	Thời gian luyện thép nhanh (15’), khoảng cách giữa 2 lần luyện ngắn ( 30 – 40 phút) Thiết bị đơn giản, vốn đầu tư ít không cần nhiên liệu.	Tận dụng được thép phế liệu đề luyện thép. Luyện được những loại thép chất lượng cao, có thành phần như ý muốn khối lượng thép mỗi mẻ lớn ( 100 – 200 tấn)	Luyện được những loại thép đặc biệt, thành phần có những kim loại khó nóng chảy như W, Mo, Cr, và không chứa các tạp chất có hại
Nhược điểm	Không luyện được thép từ gang. Thời gian luyện thép nhanh,không luyện được thép theo ý muốn Chất lượng thép không cao chứa nhiều phốt pho.	Tốn nhiên liệu Thời gian luyện thép mỗi mẻ dài ( 10 – 12 giờ)	Dung tích lò nhỏ, khối lượng mỗi mẻ thép không lớn.

II. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA

Câu 1. (Trang 151 SGK) 

Nêu những phản ứng chính xảy ra trong lò cao.

Bài làm:

• Phản ứng tạo chất khử CO.

C + O₂ →(t^o) CO₂

CO₂ + C →(t^o)  2CO

• Phản ứng khử sắt oxit

3Fe₂O₃ + CO →(t^o)  2Fe₃O₄ + CO₂

Fe₃O₄ + CO →(t^o)  3FeO + CO₂ ↑

FeO + CO →(t^o)  Fe  + CO₂ ↑

• Phản ứng tạo xỉ.

CaCO₃ →(t^o)  CaO + CO₂↑

CaO + SiO₂ →(t^o)  CaSiO₃.

Câu 2. (Trang 151 SGK) 

Nêu các phương pháp luyện thép và cho biết ưu điểm, nhược điểm của mỗi phương pháp.

Bài làm:

Phương pháp Bet – xơ – me:

Ưu điểm:

• Thời gian luyện thép nhanh (15’), khoảng cách giữa 2 lần luyện ngắn ( 30 – 40 phút)
• Thiết bị đơn giản, vốn đầu tư ít
• Không cần nhiên liệu.

Nhược điểm:

• Không luyện được thép từ gang.
• Thời gian luyện thép nhanh, không luyện được thép theo ý muốn
• Chất lượng thép không cao chứa nhiều phốt pho.

Phương pháp Mactanh ( lò Mactanh)

Ưu điểm:

• Tận dụng được thép phế liệu đề luyện thép.
• Luyện được những loại thép chất lượng cao, có thành phần như ý muốn
• Khối lượng thép mỗi mẻ lớn ( 100 – 200 tấn)

Nhược điểm

• Tốn nhiên liệu
• Thời gian luyện thép mỗi mẻ dài ( 10 – 12 giờ)

Phương pháp lò điện.

Ưu điểm

• Luyện được những loại thép đặc biệt, thành phần có những kim loại khó nóng chảy như W, Mo, Cr, và không chứa các tạp chất có hại

Nhược điểm

• Dung tích lò nhỏ, khối lượng mỗi mẻ thép không lớn.  

Câu 3. (Trang 151 SGK) 

Một loại quặng chứa sắt trong tự nhiên đã được loại bỏ tạp chất. Hòa tan quặng này trong dung dịch HNO₃ thấy có khí màu nâu bay ra, dung dịch thu được cho tác dụng với BaCl₂  có thấy kết tủa màu trắng (không tan trong axit mạnh). Loại quặng đó là

A. xiđêrit. 

B. hematit.

C. manhetit .

D. pirit sắt.

Bài làm:

Đáp án D

Hòa tan quặng này trong dung dịch HNO₃ thấy có khí màu nâu bay ra => trong quặng có Fe (II)

Mặt khác dung dịch thu được cho tác dụng với BaCl₂  có thấy kết tủa màu trắng (không tan trong axit mạnh) => kết tủa đó là BaSO₄ =>trong quặng có S

=>Quặng đó là pirit (FeS₂)

Câu 4. (Trang 151 SGK) 

Để khử hoàn toàn 17,6 gam hỗn hợp gồm Fe, FeO, Fe₃O₄, Fe₂O₃ đến Fe cần vừa đủ 2,24 lít khí CO (đktc). Khối lượng sắt thu được là

A.15 gam.

B.16 gam.

C.17 gam.

D.18 gam

Bài làm:

Áp dụng định luật bảo toàn khối lượng ta có :

m_hh+m_CO=m_Fe+m_CO2

=> m_Fe = 17,6 + 0,1 . 1,28 - 0,1.44 = 16 (gam).

Câu 5. (Trang 151 SGK) 

Nung một mẫu thép thường có khối lượng 10 gam trong O₂ dư thu được 0,1568 lít khí CO₂ (đktc). Thành phần phần trăm theo khối lượng của cacbon trong mẫu thép đó là :

A.0,82%.

B. 0,84%

C. 0,85%.

D. 0,86%.

Bài làm:

Đáp án B.

Trong thép chưa Fe và C =>khí CO₂ sinh ra khí nung có số mol bằng số C trong thép

N_C = n_CO = \[\frac{0,1568}{22,4}\] = 0,007 (mol)

=>m_C = 0,007 . 12 = 0,084 (g)

=>%C = (\[\frac{0,84}{10}\]) . 100% = 0,84%

Câu 6. (Trang 151 SGK) 

Cần bao nhiêu tấn quặng manhetit chứa 80% Fe₃O₄ để có thể sản xuất được 800 tấn gang có hàm lượng sắt là 95%. Biết rằng trong quá trình sản xuất, lượng sắt bị hao hụt là 1%.

Bài làm:

Khối lượng sắt có trong tấn gang chứa 95% sắt là : 

m_Fe = 800.95%=760 (tấn).

Khối lượng sắt thực tế cần phải có là : 

m_Fe  = 760 / 99% =767,68 (tấn).

Khối lượng Fe₃O₄ cần dùng là: \[\frac{767,68.232}{56.3}\]= 1060,13 (tấn)

Khối lượng quặng manhetit cần dùng là : 1060,13 / 80% = 1325,163 (tấn).

 

Bài viết gợi ý: