Bài học

Thép — nguyên tắc luyện thép và ứng dụng hợp kim của sắt

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em mô tả được nguyên tắc luyện thép từ gang bằng cách oxi hoá bớt carbon và tạp chất, viết được phương trình minh hoạ, và phân biệt được thép thường với thép hợp kim theo thành phần và ứng dụng.

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước em đã học lò cao khử quặng sắt thành gang bằng CO — một quá trình KHỬ, làm giảm số oxi hoá của Fe từ $+3$ xuống $0$ . Bài này đi theo chiều ngược hẳn: từ gang lỏng chứa nhiều carbon và tạp chất, người ta OXI HOÁ bớt các nguyên tố này để thu được thép. Nắm chắc hai chiều phản ứng trái ngược nhau này — khử ở lò cao, oxi hoá ở lò luyện thép — là chìa khoá tránh nhầm lẫn xuyên suốt cả hai bài.

Bài trước em đã học lò cao khử quặng sắt thành gang bằng CO — một quá trình KHỬ, làm giảm số oxi hoá của Fe từ $+3$ xuống $0$. Bài này đi theo chiều ngược hẳn: từ gang lỏng chứa nhiều carbon và tạp chất, người ta OXI HOÁ bớt các nguyên tố này để thu được thép. Nắm chắc hai chiều phản ứng trái ngược nhau này — khử ở lò cao, oxi hoá ở lò luyện thép — là chìa khoá tránh nhầm lẫn xuyên suốt cả hai bài.

Khởi động

Một con dao thép không gỉ (inox) để ngoài trời ẩm nhiều năm vẫn sáng bóng, trong khi một chiếc đinh sắt thường thì gỉ sét chỉ sau vài tuần. Bí quyết nằm ở một kim loại được thêm vào thép — kim loại đó chính là chủ đề của chương tiếp theo.

Kiến thức trọng tâm

Nguyên tắc luyện thép là oxi hoá bớt carbon, silicon, mangan, phosphorus, lưu huỳnh có trong gang lỏng bằng cách thổi khí oxygen tinh khiết qua khối gang nóng chảy (phương pháp lò thổi oxy, hay lò LD), hoặc nấu chảy thép phế liệu bằng hồ quang điện (lò điện hồ quang) rồi tinh luyện tương tự. Khi oxygen thổi vào, carbon hoà tan trong gang bị oxi hoá thành khí thoát ra, tạo hiện tượng sôi bọt đặc trưng của mẻ luyện thép: $2C + O_2 \to 2CO\uparrow$ (hoặc $C + O_2 \to CO_2\uparrow$ khi lượng oxygen dư). Silicon và mangan cũng bị oxi hoá thành oxide, kết hợp với $CaO$ thêm vào tạo xỉ nổi lên trên: $Si + O_2 \to SiO_2$ ; $SiO_2$ này phản ứng tiếp với $CaO$ tạo xỉ $CaSiO_3$ tương tự cơ chế loại tạp chất đã gặp ở lò cao.

Thép là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon thấp hơn gang rất nhiều, thường dưới $2\%$ (phần lớn thép xây dựng thông dụng chỉ khoảng $0{,}1$ – $0{,}8\%$ C). Hàm lượng carbon thấp hơn khiến mạng tinh thể của thép ít bị phá vỡ trật tự hơn gang, nên thép dẻo dai, chịu uốn, chịu va đập tốt hơn nhiều — đúng như quan sát ở phần khởi động bài trước: gang giòn dễ vỡ, thép dẻo dai không gãy.

Thép thường và thép hợp kim. Thép thường (thép carbon) chỉ gồm Fe, C và một lượng rất nhỏ tạp chất còn sót — dùng làm cốt thép xây dựng, tấm lợp, khung nhà xưởng. Thép hợp kim được luyện thêm các kim loại khác vào để cải thiện tính chất theo mục đích sử dụng: thêm mangan tăng độ cứng và khả năng chịu va đập (dùng làm đường ray xe lửa); thêm crom, niken tăng khả năng chống ăn mòn — nổi bật nhất là thép không gỉ (inox), chứa từ $10{,}5\%$ crom trở lên, tạo một lớp oxide $Cr_2O_3$ mỏng, bền, tự phục hồi trên bề mặt, ngăn oxygen và hơi ẩm tiếp xúc với sắt bên trong — đây chính là bí quyết inox không gỉ mà em sẽ tìm hiểu kỹ hơn về bản thân crom ở chương tới. Việt Nam hiện có nhiều nhà máy luyện thép quy mô lớn như Hoà Phát (Dung Quất) và Formosa (Hà Tĩnh), cung cấp phần lớn thép xây dựng và thép cuộn cán nóng trong nước.

Vì sao lò điện hồ quang ngày càng phổ biến. So với lò thổi oxy vốn phải bắt đầu từ gang lỏng nấu trực tiếp từ quặng, lò điện hồ quang nấu chảy thép phế liệu bằng nhiệt của hồ quang điện giữa các điện cực than chì và khối kim loại, sau đó cũng thổi oxygen tinh luyện tương tự để đạt thành phần mong muốn. Vì nguyên liệu đầu vào là thép phế liệu tái chế thay vì quặng mới khai thác, phương pháp này tiêu tốn ít năng lượng hơn và giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính so với việc luyện gang từ quặng qua lò cao rồi mới luyện thép — đây là lý do ngành thép nhiều nước, trong đó có Việt Nam, đang mở rộng tỉ trọng lò điện hồ quang trong tổng sản lượng thép.

**Nguyên tắc luyện thép** là oxi hoá bớt carbon, silicon, mangan, phosphorus, lưu huỳnh có trong gang lỏng bằng cách thổi khí oxygen tinh khiết qua khối gang nóng chảy (phương pháp lò thổi oxy, hay lò LD), hoặc nấu chảy thép phế liệu bằng hồ quang điện (lò điện hồ quang) rồi tinh luyện tương tự. Khi oxygen thổi vào, carbon hoà tan trong gang bị oxi hoá thành khí thoát ra, tạo hiện tượng sôi bọt đặc trưng của mẻ luyện thép: $2C + O_2 \to 2CO\uparrow$ (hoặc $C + O_2 \to CO_2\uparrow$ khi lượng oxygen dư). Silicon và mangan cũng bị oxi hoá thành oxide, kết hợp với $CaO$ thêm vào tạo xỉ nổi lên trên: $Si + O_2 \to SiO_2$; $SiO_2$ này phản ứng tiếp với $CaO$ tạo xỉ $CaSiO_3$ tương tự cơ chế loại tạp chất đã gặp ở lò cao. **Thép** là hợp kim Fe–C với hàm lượng carbon thấp hơn gang rất nhiều, thường dưới $2\%$ (phần lớn thép xây dựng thông dụng chỉ khoảng $0{,}1$–$0{,}8\%$ C). Hàm lượng carbon thấp hơn khiến mạng tinh thể của thép ít bị phá vỡ trật tự hơn gang, nên thép dẻo dai, chịu uốn, chịu va đập tốt hơn nhiều — đúng như quan sát ở phần khởi động bài trước: gang giòn dễ vỡ, thép dẻo dai không gãy. **Thép thường và thép hợp kim.** Thép thường (thép carbon) chỉ gồm Fe, C và một lượng rất nhỏ tạp chất còn sót — dùng làm cốt thép xây dựng, tấm lợp, khung nhà xưởng. Thép hợp kim được luyện thêm các kim loại khác vào để cải thiện tính chất theo mục đích sử dụng: thêm mangan tăng độ cứng và khả năng chịu va đập (dùng làm đường ray xe lửa); thêm crom, niken tăng khả năng chống ăn mòn — nổi bật nhất là **thép không gỉ (inox)**, chứa từ $10{,}5\%$ crom trở lên, tạo một lớp oxide $Cr_2O_3$ mỏng, bền, tự phục hồi trên bề mặt, ngăn oxygen và hơi ẩm tiếp xúc với sắt bên trong — đây chính là bí quyết inox không gỉ mà em sẽ tìm hiểu kỹ hơn về bản thân crom ở chương tới. Việt Nam hiện có nhiều nhà máy luyện thép quy mô lớn như Hoà Phát (Dung Quất) và Formosa (Hà Tĩnh), cung cấp phần lớn thép xây dựng và thép cuộn cán nóng trong nước. **Vì sao lò điện hồ quang ngày càng phổ biến.** So với lò thổi oxy vốn phải bắt đầu từ gang lỏng nấu trực tiếp từ quặng, lò điện hồ quang nấu chảy thép phế liệu bằng nhiệt của hồ quang điện giữa các điện cực than chì và khối kim loại, sau đó cũng thổi oxygen tinh luyện tương tự để đạt thành phần mong muốn. Vì nguyên liệu đầu vào là thép phế liệu tái chế thay vì quặng mới khai thác, phương pháp này tiêu tốn ít năng lượng hơn và giảm đáng kể lượng khí thải nhà kính so với việc luyện gang từ quặng qua lò cao rồi mới luyện thép — đây là lý do ngành thép nhiều nước, trong đó có Việt Nam, đang mở rộng tỉ trọng lò điện hồ quang trong tổng sản lượng thép.

Giá trị %C là mức đại diện thường gặp trong sách giáo khoa, không phải hằng số tuyệt đối cho mọi mẻ luyện.

Ví dụ

Viết phương trình oxi hoá carbon khi luyện thép

1
Viết phương trình hoá học biểu diễn quá trình oxi hoá bớt carbon trong gang lỏng khi thổi khí oxygen để luyện thép, giải thích hiện tượng sôi bọt quan sát được.
2
Oxygen thổi vào gang lỏng oxi hoá carbon hoà tan thành khí CO hoặc CO2 thoát ra khỏi khối kim loại lỏng.
3
$2C + O_2 \to 2CO\uparrow$ . Khí CO sinh ra trong lòng khối kim loại lỏng thoát mạnh lên bề mặt, tạo hiện tượng sôi bọt dữ dội đặc trưng của mẻ luyện thép.
$2C + O_2 \to 2CO\uparrow$. Khí CO sinh ra trong lòng khối kim loại lỏng thoát mạnh lên bề mặt, tạo hiện tượng sôi bọt dữ dội đặc trưng của mẻ luyện thép.
4
Đây là phản ứng OXI HOÁ carbon (ngược chiều với lò cao, nơi CO đóng vai trò chất KHỬ oxide sắt) — nhớ đúng chiều phản ứng để không nhầm lẫn hai công đoạn luyện gang và luyện thép.

Ví dụ

Bài toán tính khối lượng oxygen cần dùng để hạ hàm lượng carbon

1
Một mẻ gang lỏng nặng 2 tấn chứa 4% carbon (về khối lượng) được luyện thành thép chứa 0,5% carbon. Giả sử toàn bộ carbon bị loại đều chuyển hoá theo phương trình $C + O_2 \to CO_2$ và hiệu suất phản ứng đạt 100%, tính khối lượng oxygen cần dùng.
Một mẻ gang lỏng nặng 2 tấn chứa 4% carbon (về khối lượng) được luyện thành thép chứa 0,5% carbon. Giả sử toàn bộ carbon bị loại đều chuyển hoá theo phương trình $C + O_2 \to CO_2$ và hiệu suất phản ứng đạt 100%, tính khối lượng oxygen cần dùng.
2
Khối lượng carbon ban đầu: $2 \times 4\% = 0{,}08$ tấn $= 80\ kg$ . Khối lượng thép thu được xấp xỉ khối lượng gang ban đầu (khối lượng carbon mất đi không đáng kể so với 2 tấn), nên khối lượng carbon còn lại trong thép: $2 \times 0{,}5\% = 0{,}01$ tấn $= 10\ kg$ .
Khối lượng carbon ban đầu: $2 \times 4\% = 0{,}08$ tấn $= 80\ kg$. Khối lượng thép thu được xấp xỉ khối lượng gang ban đầu (khối lượng carbon mất đi không đáng kể so với 2 tấn), nên khối lượng carbon còn lại trong thép: $2 \times 0{,}5\% = 0{,}01$ tấn $= 10\ kg$.
3
Khối lượng carbon đã bị oxi hoá: $m_C = 80 - 10 = 70\ kg$ , tương ứng $n_C = \dfrac{70}{12} \approx 5{,}83\ kmol$ . (1)
Khối lượng carbon đã bị oxi hoá: $m_C = 80 - 10 = 70\ kg$, tương ứng $n_C = \dfrac{70}{12} \approx 5{,}83\ kmol$. (1)
4
Theo PT $C + O_2 \to CO_2$ , tỉ lệ mol $1:1$ , nên $n_{O_2} = n_C \approx 5{,}83\ kmol$ , suy ra $m_{O_2} \approx 5{,}83 \times 32 \approx 186{,}6\ kg$ . Vậy cần khoảng 186,6 kg khí oxygen.
Theo PT $C + O_2 \to CO_2$, tỉ lệ mol $1:1$, nên $n_{O_2} = n_C \approx 5{,}83\ kmol$, suy ra $m_{O_2} \approx 5{,}83 \times 32 \approx 186{,}6\ kg$. Vậy cần khoảng 186,6 kg khí oxygen.

Sai lầm thường gặp

Học sinh dễ nhầm hàm lượng carbon giữa gang và thép — nhớ ngược lại rằng thép chứa nhiều carbon hơn gang. Cần nhớ đúng: GANG có carbon CAO (2–5%), THÉP có carbon THẤP hơn hẳn (thường dưới 2%, phần lớn dưới 1%) vì thép được luyện bằng cách oxi hoá BỚT carbon từ gang.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Luyện thép là quá trình OXI HOÁ bớt carbon, Si, Mn, P, S trong gang bằng oxygen — ngược chiều với luyện gang trong lò cao (là quá trình KHỬ). Thép có %C thấp hơn gang nên dẻo dai hơn. Thép hợp kim thêm Cr, Ni, Mn... để tăng độ cứng hoặc chống ăn mòn; thép không gỉ chứa ≥10,5% Cr.

Chương tiếp theo tìm hiểu chính bản thân crom — kim loại đứng sau bí quyết chống gỉ của inox, cùng những hợp chất crom(III) và crom(VI) có màu sắc rất đặc trưng.