Gang là gì? Kiến thức tổng quan từ A-Z

Khái niệm gang là gì?

Gang là hợp kim của Sắt, Cacbon và một số nguyên tố khác như Si, Mn, P, S, trong đó hàm lượng Cacbon chiếm tỷ trọng lớn nhất từ ​​2 - 5%. Gang có màu chủ đạo thường là màu xám, đặc tính giòn, nhiệt độ nóng chảy cao, chống ăn mòn tốt. Hiện nay gang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: công nghiệp, nông nghiệp, dân dụng, đặc biệt là sản xuất các loại van công nghiệp như van bi, van một chiều, van cổng,...

Phân loại gang

Theo thống kê hiện nay gang được chia thành 2 loại chính như sau:

Gang trắng

Gang trắng, còn được gọi là gang thường là hợp kim Fe - C, trong đó hàm lượng cacbon ở dạng liên kết Fe3C là 3-3,5%. Đặc biệt:

• Gang trắng trước cùng tinh % C ≤ 4,3%.

• Gang trắng cùng tinh% C = 4,3%.

• Gang trắng sau cùng tinh % C ≥ 4,3%. (Theo Wikipedia)

Đặc điểm của dòng gang này là có màu trắng sáng, độ cứng cao, giòn, khó cắt, hàn. Vì vậy, nó được sử dụng chủ yếu để luyện thép hoặc chế tạo các chi tiết máy cần chống ăn mòn cao. Hoặc dùng để đúc ủ thành các loại gang khác như gang dẻo, gang xám chuyển sang màu trắng.

Gang xám

Gang xám là một loại gang được cấu tạo bởi toàn bộ cacbon tồn tại ở dạng Graphit. Graphit này ở dạng tấm, phiến, chuỗi ... Bề mặt gang xám khi đứt gãy có màu xám, là màu đặc trưng của ferit và graphit tự do. Đây là loại gang thông dụng nhất, được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là cơ khí.

Do Graphit có độ bền cơ học kém nên gang xám có độ bền kém, độ dẻo và độ dai thấp. Tuy nhiên, graphit có ưu điểm là tăng khả năng chống mòn của gang xám, giúp gang dễ vỡ vụn khi cắt, giảm rung động, giảm co ngót khi nấu chảy. Vì vậy có khả năng gia công và chống mài mòn tốt.

Tính chất của gang

Gang được coi là tương tự như một hợp kim có chứa hai nguyên tố: Sắt và cacbon ở trạng thái rắn. Nhiệt độ nóng chảy của gang từ 1150 đến 1200 độ C, thấp hơn 300 độ C so với sắt nguyên chất.

Gang được coi là hợp kim giòn. Màu xám khi đứt gãy thường là đặc điểm nhận dạng của gang đó là sự phân bố ở dạng tự do của khối lượng cacbon, có dạng như tấm khi hợp kim đông đặc.

Sản xuất gang như thế nào?

Gang là một trong những vật liệu được sử dụng nhiều trong đời sống hiện nay. Vậy quy trình sản xuất gang được diễn ra như thế nào?

Nguyên liệu để sản xuất gang là gì?

Nguyên liệu để sản xuất gang là quặng sắt, ví dụ như quặng manhetit (chứa Fe304), quặng hematit; than cốc (than tinh luyện); không khí có nhiều oxi và một số chất phụ gia khác như đá vôi CaCO3, ...

Nguyên tắc sản xuất gang là như thế nào?

Dùng cacbon oxit để khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện.

Quá trình sản xuất gang

• Quặng, than cốc, đá vôi có kích thước vừa phải được đưa vào lò cao qua miệng lò và xếp thành từng lớp xen kẽ với nhau. Không khí nóng được thổi từ 2 bên lò từ dưới lên. 

Phản ứng tạo thành khí CO:

 C(r) + O2(k) → CO2(k) (điều kiện có nhiệt độ)

 C(r) + CO2(k) → 2CO(k) (điều kiện có nhiệt độ)

• Tính khử của oxit sắt thành sắt.

  3CO(k) + Fe2O3(r) → 2Fe(r) + 3CO2(k) (điều kiện có nhiệt độ cao)

Một số oxit khác có trong quặng như MnO2, SiO2,... cũng bị khử để tạo thành đơn chất Mn, Si,... 

Sắt nóng chảy hòa tan 1 lượng nhỏ cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang lỏng chảy nồi lò và được đưa ra ngoài qua cửa tháo gang.

• Đá vôi bị phân hủy thành CaO, kết hợp với SiO2 có trong quặng để tạo thành xỉ.

 CaO(r) + SiO3(r) → CaSiO3(r) (điều kiện có nhiệt độ)

Xỉ nhẹ nổi lên trên và được thải ra ngoài ở cửa thải xỉ.

• Khí tạo thành trong lò cao được thoát ra ở phía trên gần miệng lò.

Ứng dụng của gang

Với những ưu điểm và đặc tính nổi bật như độ giòn cao và chống ăn mòn, chịu nhiệt tốt thì gang được sử dụng rộng rãi để sản xuất trong nhiều lĩnh vực. Đặc biệt:

• Trong ngành chế tạo máy, đúc các loại đai máy lớn có độ phức tạp cao, không cần chịu uốn lớn nhưng cần đảm bảo sự chịu lực nén tốt.

• Trong sản xuất dây đai máy công cụ (tiện, phay, bào,...), thân máy động cơ đốt trong.

• Trong sản xuất các loại van công nghiệp: Van cổng, van bướm, van cầu, van cân bằng trong nước, khí nén, hơi nước nóng...

• Gang được dùng để chế tạo trục khuỷu, ống dẫn nước đường kính lớn, nắp hố ga, rào chắn... vì tính an toàn cao, dễ thi công, giá thành rẻ.

• Trong lĩnh vực trang trí thì gang có tính đúc tốt, bề mặt có thể mài dũa dễ dàng.

Xem thêm: 

• Kim loại sắt: Khái niệm, tính chất và ứng dụng
• Nhôm là kim loại gì? Các tính chất, ứng dụng và cách sản xuất nhôm

Bài tập về gang sách giáo khoa kèm lời giải

Dựa vào những lý thuyết trên bạn có thể dựa vào đó để giải một số bài tập trong Sách giáo khoa Hóa học lớp 9 sau:

Bài tập 1 (SGK Hóa học 9, trang 63)

Hợp kim là gì? Gang và thép là gì? Nêu thành phần, tính chất và ứng dụng của gang, thép.

Gợi ý đáp án:

Hợp kim là chất thu được sau khi làm nguội hỗn hợp nóng chảy của nhiều kim loại khác nhau hoặc hỗn hợp kim loại và phi kim loại.

Gang là hợp chất của sắt với cacbon, trong đó hàm lượng cacbon chiếm từ 2% đến 5%. Ngoài ra trong gang còn có một số nguyên tố khác như Si, Mn, S ...

Thép là hợp kim sắt của cacbon và một số nguyên tố khác, trong đó hàm lượng cacbon nhỏ hơn 2%.

Ứng dụng của gang và thép:

• Gang, thép có nhiều ứng dụng trong sản xuất, kỹ thuật và đời sống. Gang trắng dùng để luyện thép, gang xám dùng để chế tạo máy móc thiết bị.

• Thép được dùng để chế tạo nhiều chi tiết máy, công cụ và dụng cụ lao động. Đặc biệt thép được dùng để làm vật liệu xây dựng nhà cửa, cầu cống, phương tiện giao thông.

Bài tập 2 (SGK Hóa học 9, trang 63)

Nêu nguyên tắc sản xuất gang và viết các phương trình phản ứng hoá học.

Gợi ý đáp án:

Nguyên tắc sản xuất gang: Dùng cacbon oxit khử oxit sắt ở nhiệt độ cao trong lò luyện (lò cao). Phương trình hóa học xảy ra:

C + O2 → CO2

C + CO2 → 2CO

Khí CO khử oxit sắt trong quặng thành sắt:

3CO + Fe2O3 → 3CO2 ↑ + 2Fe

MnO2 + 2CO → Mn + 2CO2 ↑

SiO2 + 2CO → Si + 2CO2 ↑

Sắt nóng chảy hòa tan cacbon và một số nguyên tố khác tạo thành gang.

Bài tập 3 (SGK Hóa học 9, trang 63)

Nêu nguyên tắc luyện gang thành thép và viết các phương trình hóa học.

Gợi ý đáp án:

Nguyên lý luyện gang thành thép: Loại bỏ khỏi gang hầu hết các nguyên tố cacbon, silic, mangan...

Thổi khí oxi vào lò chứa gang đang nóng chảy, khí oxi oxi hóa sắt thành FeO. Khi đó FeO sẽ oxi hóa một số nguyên tố trong gang như C, Mn, Si, P, S. Ví dụ:

2Fe + O2 → 2FeO

FeO + C → Fe + CO

2FeO + Si → 2Fe + SiO2

FeO + Mn → Fe + MnO.

Trên đây Monkey đã giới thiệu đến các bạn gang là gì? Nguyên lý và quy trình sản xuất gang như thế nào? Hy vọng bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn. Nếu bạn cần tìm hiểu thêm về nhiều môn học khác có thể truy cập trực tiếp vào website Monkey để được có thêm nhiều kiến thức thú vị nhé!