Luyện tập Hợp kim của sắt

Nguyên tắc luyện thép từ gang là: Dùng O₂ oxi hoá các tạp chất Si, P, S, Mn,… trong gang để thu được thép.

n_Fe2O3 = 14: 160 = 0,0875 mol

n_{Fe (gang)} = 2.n_Fe2O3 = 0,175 mol 

Hàm lượng C có trong gang là

%m_C = 100% - (0,175.56) :10. 100% = 2%.

 Nguyên tắc sản xuất gang là khử sắt oxit bằng CO ở nhiệt độ cao.

 Nguyên liệu chính để sản xuất thép là Gang, sắt phế liệu, oxi.

Phương trình hóa học 

Fe₂O₃ + 3CO 2Fe + 3CO₂ 

Khối lượng Fe2O3 có trong 1,2 tấn quặng hematit là:

Theo phương trình ta có:

Khối lượng sắt thu được (theo lý thuyết) là:

Vì hiệu suất là 80% nên khối lượng Fe thu được thực tế là:

Khối lượng gang thu được là: 

Trong công nghiệp, gang và thép được sử dụng nhiều vì có ưu điểm là cứng, dẻo, ít bị ăn mòn.

Vai trò của oxi là để oxi hóa các tạp chất (S, Si, Mn), C và oxi hóa 1 phần Fe để tạo thành xỉ và tách ra khỏi gang. 

Để sản xuất gang trong công nghiệp, cần có các nguyên liệu: Quặng sắt hemantit (Fe₂O₃) hoặc manhetit (Fe₃O₄), tha cốc, không khí và chất phụ gia.

Trong gang có C nên không hòa tan được trong các dung dịch HCl, H₂SO₄ loãng, NaOH.

Để hòa tan hoàn toàn mẫu gang ta có thể dùng dung dịch HNO₃ đặc, nóng.

 Vai trò của oxi là để oxi hóa các tạp chất (S, Si, Mn), C và oxi hóa 1 phần Fe để tạo thành xỉ và tách ra khỏi gang.

 Khối lượng FeCO₃ có trong quặng:

Trong 116 kg FeCO₃ có 56 kg Fe

Vậy trong 800 kg FeCO₃ có x gam Fe

Khối lượng gang theo lý thuyết thu được là:

Hiệu suất của quá trình phản ứng là:

        = 92,98%

 %Fe _(FeO) = (56 : 72).100% = 77,78%

m_Fe2O3 = 6,4 tấn => n_Fe = 2n_Fe2O3 = 0,08 tấn mol

=> m_{Fe thực tế} = m_{Fe lí thuyết}.H% = 0,08.56.75% = 3,36 tấn

=> m_Thép = 3,36 tấn

Thép là hợp kim của sắt chứa hàm lượng cacbon < 2%.

Áp dụng bảo toàn nguyên tố C:

n_{C (trong thép)} = n_CO2 = 0,07 (mol)

%C = (0,07.12):10.100% = 8,4% 

n_H2 = 0,15 mol,

n_HCl = 0,7 mol

Quy đổi hỗn hợp ban đầu thành Fe và O

Theo định luật bảo toàn nguyên tố H ta có:

n_H(HCl)= n_H(H2) + n_H(H2O)

=> n_H(H2O) = 0,7- 0,15.2 = 0,4 mol

=> n_H2O = 0,4:2 = 0,2 mol

=> n_O(H2O) = n_H2O = 0,2 mol

Bảo toàn nguyên tố Fe và O ta có

n_{O (X)} = n_{O (H2O)} = 0,2 mol

=> m_O = 0,2. 16 = 3,2 gam

m_Fe = m_M - m_O(H2O) = 20 - 16.0,2 = 16,8 gam

=> n_Fe = 0,3 mol

Chất rắn B thu được là Fe₂O₃

=> n_Fe2O3 = 1/2n_Fe = 0,3 : 2 = 0,15 mol

=> m_rắn =160.0,15 = 24 gam

Phân loại gang: gang trắng và gang xám.

+ Gang xám: Chứa nhiều C và S, ít cứng và kém giòn hơn gang trắng, dùng chế tạo máy, ống dẫn nước. Gang xám dùng để đúc bệ máy, ống dẫn nước,…

+ Gang trắng: Chứa ít C, rất ít Si, chứa nhiều xementit (Fe₃C), cứng và giòn, dùng luyện thép. Gang trắng dùng để luyện thép.

 Khối lượng Fe₃O₄ trong 150 tấn quặng là:

Khối lượng Fe trong 120 tấn Fe₃O₄: 

Khối lượng gang thu được: