Bài học

Sản xuất sắt trong lò cao

Em sẽ làm được gì?

Nêu được nguyên liệu và các phản ứng chính xảy ra trong lò cao để sản xuất gang từ quặng sắt, và tính được khối lượng sản phẩm khi bài cho hiệu suất phản ứng.

Cần nhớ trước

Nhớ lại quặng sắt hematit chứa Fe₂O₃, khái niệm chất khử — chất oxi hóa, và cách tính theo phương trình hóa học khi có hiệu suất.

Khởi động

Quặng sắt hematit chỉ là một loại đá màu nâu đỏ chứa Fe₂O₃ — không hề giống miếng sắt kim loại sáng bóng ta vẫn thấy. Bằng cách nào người ta biến được tảng đá đó thành sắt (gang) nóng chảy, chỉ trong một quy trình liên tục, không ngừng nghỉ?

Nguyên liệu sản xuất gang

Để sản xuất gang trong lò cao, cần ba nguyên liệu chính:

Quặng sắt (thường là quặng hematit chứa Fe₂O₃).
Than cốc (carbon) — vừa là nhiên liệu, vừa là chất khử.
Đá vôi (CaCO₃) — dùng để loại bỏ tạp chất (chủ yếu là silic dioxide SiO₂ lẫn trong quặng).

Không khí nóng được thổi liên tục từ đáy lò lên để duy trì phản ứng cháy.

Để sản xuất gang trong lò cao, cần ba nguyên liệu chính: - **Quặng sắt** (thường là quặng hematit chứa Fe₂O₃). - **Than cốc** (carbon) — vừa là nhiên liệu, vừa là chất khử. - **Đá vôi** (CaCO₃) — dùng để loại bỏ tạp chất (chủ yếu là silic dioxide SiO₂ lẫn trong quặng). Không khí nóng được thổi liên tục từ đáy lò lên để duy trì phản ứng cháy.

Các phản ứng chính trong lò cao

Trong lò cao xảy ra một chuỗi phản ứng nối tiếp nhau:

Bước 1 — Than cháy sinh nhiệt: $C + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} CO_2$

Bước 2 — Tạo khí CO (chất khử chính): $CO_2 + C \xrightarrow{t^{\circ}} 2CO$

Bước 3 — Khử oxide sắt thành sắt nóng chảy (phản ứng quan trọng nhất): $3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3CO_2$

Bước 4 — Đá vôi phân hủy và tạo xỉ để loại tạp chất: $CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} CaO + CO_2$ $CaO + SiO_2 \xrightarrow{t^{\circ}} CaSiO_3\ (\text{xỉ})$

Sắt nóng chảy (hòa tan thêm một lượng carbon dư, trở thành gang) chảy xuống đáy lò; xỉ nhẹ hơn nổi lên trên và được tách ra riêng; khí CO₂ và CO dư thoát ra ở đỉnh lò.

Trong lò cao xảy ra một chuỗi phản ứng nối tiếp nhau: **Bước 1 — Than cháy sinh nhiệt:** $$C + O_2 \xrightarrow{t^{\circ}} CO_2$$ **Bước 2 — Tạo khí CO (chất khử chính):** $$CO_2 + C \xrightarrow{t^{\circ}} 2CO$$ **Bước 3 — Khử oxide sắt thành sắt nóng chảy (phản ứng quan trọng nhất):** $$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3CO_2$$ **Bước 4 — Đá vôi phân hủy và tạo xỉ để loại tạp chất:** $$CaCO_3 \xrightarrow{t^{\circ}} CaO + CO_2$$ $$CaO + SiO_2 \xrightarrow{t^{\circ}} CaSiO_3\ (\text{xỉ})$$ Sắt nóng chảy (hòa tan thêm một lượng carbon dư, trở thành **gang**) chảy xuống đáy lò; xỉ nhẹ hơn nổi lên trên và được tách ra riêng; khí CO₂ và CO dư thoát ra ở đỉnh lò.

Khí CO sinh ra từ than cốc chính là chất khử trực tiếp biến Fe₂O₃ thành sắt kim loại.

Ví dụ

Ví dụ 1 — Viết và cân bằng phương trình khử (dạng chuẩn)

1
Viết phương trình hóa học của phản ứng khử Fe₂O₃ bằng khí CO trong lò cao.
2
CO là chất khử (nhường electron gián tiếp qua việc kết hợp O), Fe₂O₃ là chất bị khử.
3
$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3CO_2$ . Kiểm tra: Fe 2=2 ✓; C 3=3 ✓; O: trái $3+3=6$ , phải $2\times 0 + 3\times 2=6$ ✓.
$3CO + Fe_2O_3 \xrightarrow{t^{\circ}} 2Fe + 3CO_2$. Kiểm tra: Fe 2=2 ✓; C 3=3 ✓; O: trái $3+3=6$, phải $2\times 0 + 3\times 2=6$ ✓.
4
Đây là phản ứng cốt lõi của quá trình luyện gang — CO đóng vai trò chất khử để lấy oxygen ra khỏi Fe₂O₃.

Ví dụ

Ví dụ 2 — Tính khối lượng sản phẩm theo hiệu suất (dạng đề thi)

1
Cho 1 tấn quặng hematit chứa 80% Fe₂O₃ (về khối lượng) vào lò cao, phản ứng khử xảy ra với hiệu suất 90%. Tính khối lượng sắt (Fe) thu được (bỏ qua khối lượng carbon hòa tan trong gang).
2
$m_{Fe_2O_3} = 1\ \text{tấn} \times 80\% = 0{,}8$ tấn $= 800\,000$ gam.
$m_{Fe_2O_3} = 1\ \text{tấn} \times 80\% = 0{,}8$ tấn $= 800\,000$ gam.
3
$M_{Fe_2O_3} = 56\times 2 + 16\times 3 = 160$ g/mol. $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{800\,000}{160} = 5000$ mol.
$M_{Fe_2O_3} = 56\times 2 + 16\times 3 = 160$ g/mol. $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{800\,000}{160} = 5000$ mol.
4
$3CO+Fe_2O_3\rightarrow 2Fe+3CO_2$ , tỉ lệ Fe₂O₃:Fe = 1:2 nên $n_{Fe (lý\ thuyết)} = 2\times 5000 = 10\,000$ mol.
$3CO+Fe_2O_3\rightarrow 2Fe+3CO_2$, tỉ lệ Fe₂O₃:Fe = 1:2 nên $n_{Fe (lý\ thuyết)} = 2\times 5000 = 10\,000$ mol.
5
$n_{Fe (thực\ tế)} = 10\,000 \times 90\% = 9000$ mol. $m_{Fe} = 9000 \times 56 = 504\,000$ gam $= 504$ kg.
$n_{Fe (thực\ tế)} = 10\,000 \times 90\% = 9000$ mol. $m_{Fe} = 9000 \times 56 = 504\,000$ gam $= 504$ kg.
6
Khối lượng sắt thực tế thu được là 504 kg — thấp hơn lí thuyết (560 kg) vì hiệu suất phản ứng chỉ đạt 90%, không phải 100%.

Vì sao sản phẩm thu được là gang lỏng chứ không phải sắt tinh khiết?

Ở bước khử, sắt kim loại sinh ra ở trạng thái nóng chảy, tiếp xúc trực tiếp với than cốc dư và khí CO xung quanh trong lò. Sắt nóng chảy hòa tan thêm một lượng carbon (khoảng 2–5%) từ môi trường xung quanh, biến thành hợp kim Fe–C — chính là gang lỏng chứ không phải sắt nguyên chất. Việc hòa tan thêm carbon còn mang lại một lợi ích quan trọng: làm giảm đáng kể nhiệt độ nóng chảy của hỗn hợp so với sắt tinh khiết (sắt nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1538°C, trong khi gang lỏng chỉ cần khoảng 1150–1300°C đã chảy lỏng), giúp sản phẩm luôn ở trạng thái lỏng và chảy liên tục xuống đáy lò mà không bị đông cứng giữa chừng — đây là lí do lò cao có thể hoạt động liên tục hàng tháng, thậm chí hàng năm mà không cần dừng lò.

Ở bước khử, sắt kim loại sinh ra ở trạng thái nóng chảy, tiếp xúc trực tiếp với than cốc dư và khí CO xung quanh trong lò. Sắt nóng chảy hòa tan thêm một lượng carbon (khoảng 2–5%) từ môi trường xung quanh, biến thành hợp kim Fe–C — chính là **gang lỏng** chứ không phải sắt nguyên chất. Việc hòa tan thêm carbon còn mang lại một lợi ích quan trọng: làm **giảm đáng kể nhiệt độ nóng chảy** của hỗn hợp so với sắt tinh khiết (sắt nguyên chất nóng chảy ở khoảng 1538°C, trong khi gang lỏng chỉ cần khoảng 1150–1300°C đã chảy lỏng), giúp sản phẩm luôn ở trạng thái lỏng và chảy liên tục xuống đáy lò mà không bị đông cứng giữa chừng — đây là lí do lò cao có thể hoạt động liên tục hàng tháng, thậm chí hàng năm mà không cần dừng lò.

Ví dụ

Ví dụ 3 — Bài toán ngược: tính khối lượng quặng cần dùng (dạng đề thi)

1
Một nhà máy cần sản xuất 5,6 tấn sắt (Fe) nguyên chất trong gang, biết hiệu suất phản ứng khử đạt 80% và quặng sử dụng chứa 75% Fe₂O₃ về khối lượng. Tính khối lượng quặng cần đưa vào lò cao.
2
$n_{Fe(thực\ tế)} = \dfrac{5\,600\,000}{56} = 100\,000$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, lượng lí thuyết phải chia cho hiệu suất: $n_{Fe(lý\ thuyết)} = \dfrac{100\,000}{0{,}8} = 125\,000$ mol.
$n_{Fe(thực\ tế)} = \dfrac{5\,600\,000}{56} = 100\,000$ mol. Vì hiệu suất chỉ đạt 80%, lượng lí thuyết phải **chia** cho hiệu suất: $n_{Fe(lý\ thuyết)} = \dfrac{100\,000}{0{,}8} = 125\,000$ mol.
3
Theo $3CO+Fe_2O_3\rightarrow 2Fe+3CO_2$ , tỉ lệ Fe₂O₃ : Fe = 1 : 2 nên $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{125\,000}{2} = 62\,500$ mol. $m_{Fe_2O_3} = 62\,500\times 160 = 10\,000\,000$ gam $= 10$ tấn.
Theo $3CO+Fe_2O_3\rightarrow 2Fe+3CO_2$, tỉ lệ Fe₂O₃ : Fe = 1 : 2 nên $n_{Fe_2O_3} = \dfrac{125\,000}{2} = 62\,500$ mol. $m_{Fe_2O_3} = 62\,500\times 160 = 10\,000\,000$ gam $= 10$ tấn.
4
Vì quặng chỉ chứa 75% Fe₂O₃, khối lượng quặng lại phải chia cho tỉ lệ này: $m_{quặng} = \dfrac{10}{0{,}75} \approx 13{,}33$ tấn.
Vì quặng chỉ chứa 75% Fe₂O₃, khối lượng quặng lại phải **chia** cho tỉ lệ này: $m_{quặng} = \dfrac{10}{0{,}75} \approx 13{,}33$ tấn.
5
Cần khoảng 13,33 tấn quặng. Đây là bài toán "ngược" so với Ví dụ 2: thay vì tính sản phẩm từ nguyên liệu (nhân với hiệu suất), ta tính ngược nguyên liệu cần từ sản phẩm mong muốn — phải chia (không nhân) cho hiệu suất và cho phần trăm Fe₂O₃ trong quặng.

Sai lầm thường gặp

Nhiều bạn quên nhân thêm hiệu suất phản ứng khi bài cho "hiệu suất X%", dẫn tới tính ra khối lượng sản phẩm lí thuyết mà quên đây không phải khối lượng thực tế thu được. Với bài toán ngược (tính nguyên liệu từ sản phẩm), lỗi phổ biến nhất là nhân với hiệu suất/phần trăm thay vì chia — luôn nhớ: lượng nguyên liệu thực tế cần dùng bao giờ cũng lớn hơn lượng lí thuyết tối thiểu, nên phải chia cho hiệu suất (< 100%) chứ không nhân.

Nhiều bạn quên nhân thêm hiệu suất phản ứng khi bài cho "hiệu suất X%", dẫn tới tính ra khối lượng sản phẩm lí thuyết mà quên đây không phải khối lượng thực tế thu được. Với bài toán ngược (tính nguyên liệu từ sản phẩm), lỗi phổ biến nhất là **nhân** với hiệu suất/phần trăm thay vì **chia** — luôn nhớ: lượng nguyên liệu thực tế cần dùng bao giờ cũng lớn hơn lượng lí thuyết tối thiểu, nên phải chia cho hiệu suất (< 100%) chứ không nhân.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Tóm tắt

Lò cao sản xuất gang từ quặng sắt (Fe₂O₃), than cốc và đá vôi. Than cháy sinh nhiệt và tạo khí CO; CO khử Fe₂O₃ thành sắt nóng chảy (3CO+Fe₂O₃→2Fe+3CO₂); đá vôi tạo xỉ loại bỏ tạp chất SiO₂. Sản phẩm là gang lỏng chảy xuống đáy lò.

Từ quặng đến gang, thép và các biện pháp bảo vệ kim loại — cả hành trình đó đã đi qua. Chương cuối sẽ ôn tập và ráp lại thành một bức tranh tổng thể.