Phân tích công thức hóa học của gang và ứng dụng trong sản xuất

Công thức hóa học của gang xác định đặc tính và ứng dụng của vật liệu này trong công nghiệp. Gang chứa 2-5% carbon cùng các nguyên tố khác tạo nên tính chất đặc biệt. Các phản ứng hóa học trong lò cao biến đổi quặng sắt thành gang với nhiều ứng dụng quan trọng.

Công thức hóa học của gang

Gang là hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon từ 2,14% đến 6,67%. Công thức hóa học của gang thường được biểu diễn dưới dạng Fe-C.

Trong quá trình giảng dạy, tôi thường giải thích cho học sinh hiểu rằng gang có 2 dạng chính:

Gang trắng:

Fe3C (Xementit) + Fe (Ferrit)

Gang xám:

Fe + C (Graphit)

Ngoài thành phần chính là sắt và carbon, công thức gang là gì còn phụ thuộc vào các nguyên tố phụ gia như:

Si (Silicon): 0,5-3,5%
Mn (Mangan): 0,2-1,0%
P (Photpho): 0,02-1,2%
S (Lưu huỳnh): 0,02-0,15%

Một mẹo nhỏ tôi hay chia sẻ với học sinh là: Gang giống như một “món cocktail” kim loại. Sắt là nguyên liệu chính, carbon là “gia vị” quyết định, còn các nguyên tố khác như Si, Mn là “phụ gia” tạo nên đặc tính riêng.

Khi phân tích mẫu gang trong phòng thí nghiệm, chúng ta thường gặp công thức tổng quát:

Fe(93-95%) + C(2,14-6,67%) + Si + Mn + P + S

Tỷ lệ các thành phần này quyết định tính chất cơ, lý của gang và ứng dụng của nó trong thực tế.

Thành phần và tính chất hóa học của gang

Gang là hợp kim của sắt và carbon với hàm lượng carbon từ 2,14% đến 6,67%. Thành phần hóa học của gang còn chứa các nguyên tố khác như Si, Mn, P, S tạo nên đặc tính riêng.

Các nguyên tố chính trong gang

Carbon là nguyên tố quan trọng nhất trong gang, quyết định tính chất cơ bản. Tôi thường giải thích với học sinh rằng carbon giống như “gia vị” trong món ăn – nhiều hay ít sẽ cho ra vị khác nhau.

Gang còn chứa silic (Si) từ 0,5-3,5% giúp tăng độ bền và khả năng chống gỉ. Mangan (Mn) chiếm 0,5-1,5% cải thiện độ cứng và tính dẻo.

Photpho (P) và lưu huỳnh (S) thường được kiểm soát ở mức dưới 0,1% vì có thể gây giòn và giảm chất lượng gang.

Phân loại gang theo hàm lượng carbon

Gang trắng có hàm lượng carbon 2,14-4,5%, thường được sử dụng để sản xuất thép. Bề mặt gang trắng có màu trắng bạc đặc trưng do carbon kết hợp với sắt tạo xementit.

Gang xám chứa 2,14-3,5% carbon, phần lớn carbon tồn tại dưới dạng graphit. Loại gang này dễ gia công, có khả năng chống rung tốt.

Gang cầu có thành phần carbon tương tự gang xám nhưng được xử lý đặc biệt để graphit tồn tại dưới dạng cầu, tăng độ bền.

Tính chất vật lý và hóa học của gang

Gang có tính chất đặc trưng là độ cứng cao, chịu nhiệt tốt nhưng khá giòn. Nhiệt độ nóng chảy thấp hơn thép, khoảng 1150-1200°C.

Gang dễ bị ăn mòn trong môi trường axit và bazơ mạnh. Tuy nhiên, lớp gỉ bề mặt có thể bảo vệ lớp gang bên trong khỏi ăn mòn sâu hơn.

Khả năng dẫn nhiệt và điện của gang kém hơn so với thép. Gang xám có khả năng hấp thụ rung động tốt nên thường được dùng làm đế máy công nghiệp.

Phân biệt gang trắng và gang xám trong công nghiệp

Gang trắng và gang xám là hai loại gang phổ biến trong công nghiệp luyện kim. Sự khác biệt chính nằm ở cấu trúc tinh thể và hàm lượng cacbon trong thành phần.

Đặc điểm cấu tạo của gang trắng

Gang trắng có cấu trúc tinh thể đặc trưng với cacbon tồn tại dưới dạng xementit (Fe3C). Điều này tạo nên bề mặt màu trắng sáng khi bị gãy.

Trong quá trình giảng dạy, tôi thường ví von gang trắng như một miếng bánh quy giòn tan. Cấu trúc tinh thể xementit khiến gang trắng có độ cứng cao nhưng dễ vỡ.

Hàm lượng cacbon trong gang trắng thường dao động từ 2,5-4,5%. Tốc độ làm nguội nhanh khiến cacbon không kịp tách ra thành graphit tự do.

Đặc điểm cấu tạo của gang xám

Gang xám có cấu trúc đặc biệt với cacbon tồn tại chủ yếu dưới dạng graphit tự do. Graphit phân bố thành những tấm mỏng, vảy hoặc phiến trong nền sắt.

Khi quan sát dưới kính hiển vi, các phiến graphit trông như những đường vân đen xám. Đây là lý do gang này có tên gọi là gang xám.

Quá trình làm nguội chậm cho phép cacbon có đủ thời gian kết tinh thành graphit. Điều này tạo nên tính chất đặc trưng của gang xám.

Ứng dụng của từng loại gang

Gang trắng thường được sử dụng để sản xuất:

• Bi nghiền trong máy nghiền bi do độ cứng cao
• Trục cán trong ngành luyện kim vì khả năng chịu mài mòn tốt
• Các chi tiết máy chịu ma sát lớn

Gang xám phù hợp với:

• Thân máy công cụ nhờ khả năng giảm chấn rung động
• Nồi, chảo, bếp đun do dẫn nhiệt tốt
• Các chi tiết máy phức tạp vì dễ gia công

Mỗi loại gang đều có những ưu điểm riêng phù hợp với từng mục đích sử dụng cụ thể trong công nghiệp.

Quy trình sản xuất gang từ quặng sắt

Quá trình sản xuất gang từ quặng sắt diễn ra trong lò cao với nhiều giai đoạn phức tạp. Gang được sản xuất như thế nào phụ thuộc vào việc kiểm soát chặt chẽ nguyên liệu và điều kiện phản ứng.

Để hiểu rõ quy trình này, chúng ta cần nắm được 3 yếu tố quan trọng: nguyên liệu đầu vào, các phản ứng hóa học của gang và điều kiện công nghệ cần thiết.

Nguyên liệu sản xuất gang

Quặng sắt là nguyên liệu chính để sản xuất gang, thường ở dạng oxit sắt Fe2O3 hoặc Fe3O4. Quặng cần được làm giàu để đạt hàm lượng sắt từ 50-65%.

Than cốc đóng vai trò vừa là nhiên liệu vừa là chất khử. Tôi thường giải thích với học sinh rằng than cốc giống như “người hùng” trong lò cao – vừa tạo nhiệt vừa giải phóng sắt từ quặng.

Đá vôi CaCO3 được thêm vào để tạo xỉ, loại bỏ tạp chất. Nó hoạt động như “người quét dọn” trong lò cao vậy.

Các phản ứng trong lò cao

Phản ứng oxi hóa than cốc tạo CO:
C + O2 → CO2
CO2 + C → 2CO

Phản ứng khử quặng sắt:
Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2
Fe3O4 + 4CO → 3Fe + 4CO2

Phản ứng tạo xỉ:
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + SiO2 → CaSiO3

Điều kiện công nghệ cần thiết

Nhiệt độ trong lò cao cần duy trì ở 1500-2000°C. Kinh nghiệm 20 năm giảng dạy cho thấy học sinh thường nhớ con số này qua hình ảnh “nóng gấp 20 lần nhiệt độ mùa hè”.

Áp suất khí nén cần đạt 2.5-3.5 atm để đảm bảo phản ứng diễn ra đều khắp lò. Tỷ lệ nguyên liệu phải được kiểm soát chặt chẽ: 1 tấn gang cần khoảng 1.7 tấn quặng và 0.5 tấn than cốc.

So sánh thành phần và tính chất của gang và thép

Gang và thép khác nhau như thế nào về bản chất? Đây là câu hỏi phổ biến của nhiều học sinh khi học về kim loại Fe. Cả hai đều là hợp kim của sắt nhưng có những điểm khác biệt cơ bản.

Công thức hóa học của gang là Fe-C với hàm lượng carbon cao và một số tạp chất khác. Gang có độ cứng cao nhưng khá giòn và khó gia công.

Thép là hợp kim Fe-C với hàm lượng carbon thấp hơn, có tính dẻo dai và dễ gia công hơn gang. Tôi thường ví von gang như một người cứng nhắc, còn thép như người mềm dẻo.

Sự khác biệt về hàm lượng carbon

Gang chứa từ 2-5% carbon, thường kèm theo Si (1-3%), Mn (0,5-1%), P và S (<1%). Lượng carbon cao làm gang rất cứng nhưng dễ gãy.

Thép chỉ chứa 0,02-2% carbon cùng một số nguyên tố khác như Cr, Ni, Mo với hàm lượng nhỏ. Nhờ vậy thép có độ bền và tính dẻo tốt hơn.

Phương pháp sản xuất

Gang được sản xuất trong lò cao bằng cách khử quặng sắt với than cốc ở nhiệt độ cao 1500-1700°C. Quá trình này tạo ra gang lỏng chứa nhiều carbon.

Thép được sản xuất từ gang bằng cách giảm hàm lượng carbon qua quá trình thổi khí O2. Phương pháp phổ biến là LD, Siemens-Martin hoặc lò điện.

Ứng dụng trong thực tế

Gang thường được dùng làm các chi tiết máy chịu mài mòn cao như xi lanh động cơ, bánh răng. Tôi từng thấy các cột đèn gang vẫn đứng vững sau hàng chục năm.

Thép có ứng dụng đa dạng hơn trong xây dựng, cơ khí, đóng tàu nhờ tính chất cơ học tốt. Từ dao kéo đến nhà cao tầng đều cần đến thép.

Việc lựa chọn gang hay thép phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng cụ thể. Gang bền với mài mòn, thép bền với va đập và biến dạng.

FAQ: Câu hỏi thường gặp về gang

Gang là vật liệu kim loại phổ biến trong công nghiệp. Tôi sẽ giải đáp một số thắc mắc thường gặp về loại vật liệu này.

Cách tính phần trăm carbon trong gang

Cách tính phần trăm carbon trong gang dựa trên công thức:

%C = (Khối lượng carbon/Khối lượng gang) x 100%

Ví dụ: Gang có khối lượng 100g chứa 2.5g carbon.
%C = (2.5/100) x 100% = 2.5%

Trong quá trình giảng dạy, tôi thường nhắc học sinh phân biệt gang với thép qua hàm lượng carbon. Gang chứa từ 2-5% carbon, còn thép chỉ chứa dưới 2% carbon.

Gang có phải là hợp kim không?

Gang có phải là hợp kim không? Câu trả lời là có. Gang là hợp kim của sắt với carbon và một số nguyên tố khác.

Thành phần chính của gang gồm:

• Sắt (Fe): 90-95%
• Carbon (C): 2-5%
• Các nguyên tố khác: Si, Mn, P, S

Sự có mặt của carbon và các nguyên tố khác tạo nên tính chất đặc trưng của gang như độ cứng cao và khả năng chịu mài mòn tốt.

Gang có thể bị gỉ không?

Gang có thể bị gỉ không? Câu trả lời là có. Gang vẫn có thể bị ăn mòn trong môi trường ẩm ướt.

Quá trình gỉ xảy ra do phản ứng oxi hóa giữa sắt trong gang với oxi và hơi nước trong không khí. Tuy nhiên, gang bị gỉ chậm hơn sắt thuần túy.

Để bảo vệ gang khỏi gỉ, cần sơn phủ bề mặt hoặc mạ một lớp kim loại chống ăn mòn. Trong thực tế, nhiều chi tiết máy bằng gang được xử lý bề mặt để tăng tuổi thọ sử dụng.

Kiến thức về công thức hóa học của gang giúp phân biệt rõ các loại gang trong công nghiệp. Gang là hợp kim quan trọng của sắt và carbon với hàm lượng carbon từ 2-5%. Quá trình sản xuất gang trong lò cao tạo ra gang trắng và gang xám có tính chất và ứng dụng khác nhau. Việc kiểm soát thành phần carbon quyết định chất lượng gang và khả năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.