Bài 18: Giới thiệu về hợp kim
10/5/2024
1. Hợp kim
- Hợp kim là vật liệu kim loại có chứa một kim loại cơ bản và một số kim loại hoặc phi kim khác.
- Một số hợp kim có độ cứng, độ bền, khả năng chống ăn mòn cao hơn so với kim loại tạo nên chúng nên được sử dụng phổ biến.
- Ví dụ: hợp kim đồng thau được chế tạo từ đồng và kẽm, có độ cứng lớn hơn, khả năng chống ăn mòn tốt hơn so với hai kim loại ban đầu.
2. Một số hợp kim phổ biến
Gang, thép và hợp kim nhôm là các hợp kim phổ biến có thành phần, tính chất đặc trưng với nhiều ứng dụng quan trọng trong đời sống và sản xuất.
| Hợp kim | Thành phần | Tính chất | Ứng dụng |
| Gang | Chủ yếu là sắt, 2% – 5% carbon và một số nguyên tố khác | Có độ cứng và độ bền tương đối cao, dẫn nhiệt tốt | Sản xuất bếp, lò nướng hoặc lò hơi, chi tiết máy móc, bánh răng,... |
| Thép thường (thép carbon) | Chủ yếu là sắt, dưới 2% carbon và một lượng nhỏ nguyên tố khác | Dẻo và cứng | Làm vật liệu xây dựng, chế tạo các vật dụng trong đời sống,... |
| Inox (thép đặc biệt) | Chủ yếu là sắt và một số nguyên tố khác như Cr, Ni,... | Khó bị rỉ | Dao, kéo, bồn rửa nhà bếp, dụng cụ phẫu thuật,... |
| Duralumin | Hợp kim của nhôm với Cu, Mg, Mn, ... | Nhẹ và bền | Chế tạo vỏ máy bay, phụ tùng xe đạp, ... |
3. Sản xuất gang và thép
a. Các giai đoạn cơ bản của quá trình sản xuất gang
- Nguyên liệu để sản xuất gang bao gồm: quặng sắt (thường là quặng hematite, thành phần chính là Fe2O3), than cốc, không khí nóng, phụ liệu như đá vôi (chứa CaCO3), ... Quặng, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa vào lò cao qua miệng lò và xếp thành từng lớp xen kẽ nhau. Không khí nóng giàu oxygen được thổi vào lò từ dưới lên.
Quá trình sản xuất gang xảy ra theo các giai đoạn chính:
• Than cốc bị đốt cháy, phản ứng tạo carbon monoxide
Không khí nóng giàu oxygen được thổi từ dưới lên của hai bên lò sẽ phản ứng đốt cháy carbon (than cốc) tạo khí carbon dioxide:
C + O2 → CO2
Khí carbon dioxide tiếp tục phản ứng với than cốc để tạo thành carbon monoxide:
CO2 + C → 2CO
• Phản ứng của carbon monoxide với oxide của sắt
Ở nhiệt độ cao, khí CO sinh ra sẽ phản ứng với Fe2O, tạo thành sắt:
3CO + Fe2O3 → 3CO2 + 2Fe
Sắt nóng chảy hoà tan một lượng nhỏ carbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy xuống nổi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.
• Quá trình tạo xỉ
Nhiệt độ cao trong lò làm đá vôi phân huỷ thành CaO:
CaCO3 (to) → CaO + CO2
CaO sẽ kết hợp với tạp chất có trong quặng để tạo thành xỉ, ví dụ:
CaO + SiO2 → CaSiO3
Xỉ nóng chảy nhẹ hơn gang nên nổi trên bề mặt và được đưa ra ngoài ở cửa tháo xỉ. Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò.
B. Quá trình sản xuất thép
- Thép là một loại hợp kim của sắt với carbon, nhưng trong thép hàm lượng carbon nhỏ hơn 2%.
- Nguyên liệu chính để sản xuất thép là gang (hoặc thép phế liệu) và khí oxygen.
- Trong quá trình sản xuất thép, oxygen được thổi vào lò để phản ứng với một phần tạp chất (C, S, Si, Mn,...) trong gang. Các oxide tạo thành ở dạng khí (CO2, SO2, ...) sẽ thoát ra theo khí thải, còn các oxide ở dạng rắn (SiO2, MnO2, ...) sẽ tạo xỉ và tách ra ngoài.
