Bài học

Gang — thành phần và nguyên tắc luyện gang trong lò cao

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được nguyên liệu và nguyên tắc luyện gang trong lò cao, viết được chuỗi phương trình khử oxide sắt qua từng giai đoạn nhiệt độ, và phân biệt được gang trắng với gang xám theo dạng tồn tại của carbon.

Kiến thức nền cần nhớ

Course 7 đã dạy nguyên tắc chung điều chế kim loại bằng nhiệt luyện: dùng chất khử như CO để khử oxide kim loại đứng sau nhôm trong dãy hoạt động, ví dụ $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$ . Bài này không dạy lại nguyên tắc đó, mà đi sâu vào cách nguyên tắc này được thực hiện ở quy mô công nghiệp trong lò cao, nơi phản ứng khử thực chất diễn ra theo nhiều bậc chứ không phải một bước duy nhất như phương trình tổng quát vẫn viết.

Course 7 đã dạy nguyên tắc chung điều chế kim loại bằng nhiệt luyện: dùng chất khử như CO để khử oxide kim loại đứng sau nhôm trong dãy hoạt động, ví dụ $Fe_2O_3 + 3CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe + 3CO_2$. Bài này không dạy lại nguyên tắc đó, mà đi sâu vào cách nguyên tắc này được thực hiện ở quy mô công nghiệp trong lò cao, nơi phản ứng khử thực chất diễn ra theo nhiều bậc chứ không phải một bước duy nhất như phương trình tổng quát vẫn viết.

Khởi động

Gang dùng đúc nồi, đúc tượng vì dễ nung chảy và đổ khuôn, nhưng lại rất giòn — chỉ cần rơi mạnh là vỡ. Thép thì ngược lại, dẻo dai, uốn cong được mà không gãy, dùng làm khung nhà, đường ray. Cả hai đều là hợp kim của sắt với carbon — vậy điều gì tạo ra khác biệt lớn đến vậy?

Kiến thức trọng tâm

Nguyên liệu của lò cao gồm bốn thành phần: quặng sắt (chủ yếu là hematit $Fe_2O_3$ hoặc manhetit $Fe_3O_4$ ), than cốc (vừa là nhiên liệu vừa là chất khử), đá vôi $CaCO_3$ (chất trợ dung, loại tạp chất), và không khí nóng thổi từ đáy lò lên.

Giai đoạn tạo khí CO. Than cốc cháy trong không khí nóng ở phần đáy lò tạo $CO_2$ : $C + O_2 \to CO_2$ . Khí $CO_2$ nóng đi lên gặp lớp than cốc phía trên, bị khử tiếp thành $CO$ : $CO_2 + C \to 2CO$ . Khí $CO$ chính là chất khử chủ lực trong toàn bộ lò cao.

Khử oxide sắt qua nhiều bậc. Khi khí $CO$ đi lên gặp quặng sắt ở các tầng nhiệt độ giảm dần, phản ứng khử KHÔNG xảy ra một bước như $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ vẫn thường viết tắt, mà đi qua ba bậc trung gian rõ rệt: ở khoảng $400$ – $500\ ^\circ C$ , $3Fe_2O_3 + CO \to 2Fe_3O_4 + CO_2$ ; ở khoảng $500$ – $600\ ^\circ C$ , $Fe_3O_4 + CO \to 3FeO + CO_2$ ; và ở khoảng $700$ – $800\ ^\circ C$ , $FeO + CO \to Fe + CO_2$ . Sắt nóng chảy hoà tan một phần carbon dư trong lò để tạo thành gang lỏng, chảy xuống đáy lò.

Vai trò của đá vôi. $CaCO_3$ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$ . $CaO$ sinh ra kết hợp với tạp chất $SiO_2$ có trong quặng để tạo xỉ lỏng $CaSiO_3$ nổi trên bề mặt gang nóng chảy, dễ dàng tách riêng — đây là cách loại bỏ tạp chất mà không cần thêm bước lọc phức tạp.

Gang trắng và gang xám. Gang là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon khoảng $2$ – $5\%$ , cùng một lượng nhỏ Si, Mn, P, S. Tuỳ tốc độ làm nguội và hàm lượng Si, carbon trong gang tồn tại ở hai dạng khác nhau: gang trắng có carbon liên kết dưới dạng xementit $Fe_3C$ cứng, giòn, dùng làm nguyên liệu luyện thép; gang xám có một phần carbon ở dạng than chì tự do phân tán trong khối kim loại, làm gang dễ đúc và ít giòn hơn, thường dùng đúc các vật dụng như nồi, ống nước, block động cơ.

Xỉ lò cao không phải chất thải bỏ đi. Khối xỉ $CaSiO_3$ nổi trên bề mặt gang lỏng, sau khi tách riêng và làm nguội nhanh bằng nước, trở thành nguyên liệu phụ gia cho ngành xi măng — xỉ hạt lò cao nghiền mịn thay thế một phần clanhke trong xi măng, vừa giảm giá thành vừa giảm phát thải $CO_2$ so với sản xuất xi măng thuần tuý. Việt Nam có quặng sắt trữ lượng lớn ở mỏ Thạch Khê (Hà Tĩnh), song dự án khai thác quy mô lớn vẫn đang trong giai đoạn cân nhắc kỹ tác động môi trường trước khi triển khai.

**Nguyên liệu của lò cao** gồm bốn thành phần: quặng sắt (chủ yếu là hematit $Fe_2O_3$ hoặc manhetit $Fe_3O_4$), than cốc (vừa là nhiên liệu vừa là chất khử), đá vôi $CaCO_3$ (chất trợ dung, loại tạp chất), và không khí nóng thổi từ đáy lò lên. **Giai đoạn tạo khí CO.** Than cốc cháy trong không khí nóng ở phần đáy lò tạo $CO_2$: $C + O_2 \to CO_2$. Khí $CO_2$ nóng đi lên gặp lớp than cốc phía trên, bị khử tiếp thành $CO$: $CO_2 + C \to 2CO$. Khí $CO$ chính là chất khử chủ lực trong toàn bộ lò cao. **Khử oxide sắt qua nhiều bậc.** Khi khí $CO$ đi lên gặp quặng sắt ở các tầng nhiệt độ giảm dần, phản ứng khử KHÔNG xảy ra một bước như $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ vẫn thường viết tắt, mà đi qua ba bậc trung gian rõ rệt: ở khoảng $400$–$500\ ^\circ C$, $3Fe_2O_3 + CO \to 2Fe_3O_4 + CO_2$; ở khoảng $500$–$600\ ^\circ C$, $Fe_3O_4 + CO \to 3FeO + CO_2$; và ở khoảng $700$–$800\ ^\circ C$, $FeO + CO \to Fe + CO_2$. Sắt nóng chảy hoà tan một phần carbon dư trong lò để tạo thành gang lỏng, chảy xuống đáy lò. **Vai trò của đá vôi.** $CaCO_3$ bị phân huỷ ở nhiệt độ cao: $CaCO_3 \xrightarrow{t^\circ} CaO + CO_2$. $CaO$ sinh ra kết hợp với tạp chất $SiO_2$ có trong quặng để tạo xỉ lỏng $CaSiO_3$ nổi trên bề mặt gang nóng chảy, dễ dàng tách riêng — đây là cách loại bỏ tạp chất mà không cần thêm bước lọc phức tạp. **Gang trắng và gang xám.** Gang là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon khoảng $2$–$5\%$, cùng một lượng nhỏ Si, Mn, P, S. Tuỳ tốc độ làm nguội và hàm lượng Si, carbon trong gang tồn tại ở hai dạng khác nhau: gang trắng có carbon liên kết dưới dạng xementit $Fe_3C$ cứng, giòn, dùng làm nguyên liệu luyện thép; gang xám có một phần carbon ở dạng than chì tự do phân tán trong khối kim loại, làm gang dễ đúc và ít giòn hơn, thường dùng đúc các vật dụng như nồi, ống nước, block động cơ. **Xỉ lò cao không phải chất thải bỏ đi.** Khối xỉ $CaSiO_3$ nổi trên bề mặt gang lỏng, sau khi tách riêng và làm nguội nhanh bằng nước, trở thành nguyên liệu phụ gia cho ngành xi măng — xỉ hạt lò cao nghiền mịn thay thế một phần clanhke trong xi măng, vừa giảm giá thành vừa giảm phát thải $CO_2$ so với sản xuất xi măng thuần tuý. Việt Nam có quặng sắt trữ lượng lớn ở mỏ Thạch Khê (Hà Tĩnh), song dự án khai thác quy mô lớn vẫn đang trong giai đoạn cân nhắc kỹ tác động môi trường trước khi triển khai.

Ví dụ

Viết chuỗi phương trình khử oxide sắt trong lò cao

1
Viết đầy đủ các phương trình hoá học xảy ra trong lò cao khi khí CO khử quặng hematit Fe₂O₃ thành Fe, đi qua các oxide trung gian.
2
Quá trình khử không nhảy thẳng từ Fe₂O₃ xuống Fe mà đi qua Fe₃O₄ rồi FeO, tương ứng số oxi hoá Fe giảm dần từ +3 xuống +8/3 (trung bình trong Fe₃O₄) rồi +2 rồi 0.
3
$3Fe_2O_3 + CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_3O_4 + CO_2$ $Fe_3O_4 + CO \xrightarrow{t^\circ} 3FeO + CO_2$ $FeO + CO \xrightarrow{t^\circ} Fe + CO_2$
$3Fe_2O_3 + CO \xrightarrow{t^\circ} 2Fe_3O_4 + CO_2$ $Fe_3O_4 + CO \xrightarrow{t^\circ} 3FeO + CO_2$ $FeO + CO \xrightarrow{t^\circ} Fe + CO_2$
4
Phương trình tổng quát $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ chỉ là tổng cộng ba bước trên — trong lò cao thực tế, phản ứng luôn diễn ra theo bậc vì mỗi tầng lò có nhiệt độ khác nhau.
Phương trình tổng quát $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ chỉ là tổng cộng ba bước trên — trong lò cao thực tế, phản ứng luôn diễn ra theo bậc vì mỗi tầng lò có nhiệt độ khác nhau.

Ví dụ

Tính khối lượng quặng hematit cần dùng để sản xuất gang

1
Một nhà máy cần sản xuất 10 tấn gang chứa 95% Fe (về khối lượng) từ quặng hematit chứa 80% $Fe_2O_3$ (còn lại là tạp chất trơ), biết hiệu suất toàn bộ quá trình khử đạt 90%. Tính khối lượng quặng hematit cần dùng.
Một nhà máy cần sản xuất 10 tấn gang chứa 95% Fe (về khối lượng) từ quặng hematit chứa 80% $Fe_2O_3$ (còn lại là tạp chất trơ), biết hiệu suất toàn bộ quá trình khử đạt 90%. Tính khối lượng quặng hematit cần dùng.
2
Khối lượng Fe có trong 10 tấn gang: $m_{Fe} = 10 \times 95\% = 9{,}5$ tấn.
Khối lượng Fe có trong 10 tấn gang: $m_{Fe} = 10 \times 95\% = 9{,}5$ tấn.
3
Theo bảo toàn nguyên tố Fe, cứ 1 mol $Fe_2O_3$ (160 g) tạo 2 mol Fe (112 g). Vậy khối lượng $Fe_2O_3$ lý thuyết cần: $m_{Fe_2O_3} = 9{,}5 \times \dfrac{160}{112} \approx 13{,}57$ tấn. (1)
Theo bảo toàn nguyên tố Fe, cứ 1 mol $Fe_2O_3$ (160 g) tạo 2 mol Fe (112 g). Vậy khối lượng $Fe_2O_3$ lý thuyết cần: $m_{Fe_2O_3} = 9{,}5 \times \dfrac{160}{112} \approx 13{,}57$ tấn. (1)
4
Vì hiệu suất chỉ đạt 90%, khối lượng $Fe_2O_3$ thực tế cần đưa vào lò: $m'_{Fe_2O_3} = \dfrac{13{,}57}{90\%} \approx 15{,}08$ tấn. (2) Từ (2), khối lượng quặng hematit (chứa 80% $Fe_2O_3$ ) cần dùng: $m_{quặng} = \dfrac{15{,}08}{80\%} \approx 18{,}85$ tấn. Vậy cần khoảng 18,85 tấn quặng hematit.
Vì hiệu suất chỉ đạt 90%, khối lượng $Fe_2O_3$ thực tế cần đưa vào lò: $m'_{Fe_2O_3} = \dfrac{13{,}57}{90\%} \approx 15{,}08$ tấn. (2) Từ (2), khối lượng quặng hematit (chứa 80% $Fe_2O_3$) cần dùng: $m_{quặng} = \dfrac{15{,}08}{80\%} \approx 18{,}85$ tấn. Vậy cần khoảng 18,85 tấn quặng hematit.

Sai lầm thường gặp

Nhiều học sinh viết luôn $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ như một bước duy nhất mà bỏ qua các oxide trung gian $Fe_3O_4$ , $FeO$ — với câu hỏi yêu cầu "các giai đoạn trong lò cao" thì đây là lỗi mất điểm dù kết quả cuối cùng bảo toàn nguyên tố vẫn đúng.

Nhiều học sinh viết luôn $Fe_2O_3 + 3CO \to 2Fe + 3CO_2$ như một bước duy nhất mà bỏ qua các oxide trung gian $Fe_3O_4$, $FeO$ — với câu hỏi yêu cầu "các giai đoạn trong lò cao" thì đây là lỗi mất điểm dù kết quả cuối cùng bảo toàn nguyên tố vẫn đúng.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Lò cao khử quặng sắt bằng CO qua ba bậc trung gian: Fe₂O₃ → Fe₃O₄ → FeO → Fe, theo tầng nhiệt độ giảm dần từ trên xuống. Đá vôi tạo xỉ CaSiO₃ loại tạp chất SiO₂. Gang là hợp kim Fe–C (2–5% C); gang trắng chứa xementit Fe₃C cứng giòn, gang xám chứa than chì tự do dễ đúc hơn.

Bài tiếp theo tiếp tục hành trình của sắt: từ gang thô, làm sao luyện thành thép — vật liệu dẻo dai hơn hẳn, được dùng trong hầu hết công trình xây dựng và cơ khí hiện đại.