XCAS ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG THÉP XÂY DỰNG

XCAS ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT TRONG THÉP XÂY DỰNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT

 ☼ 

BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

( 2006 )

Tên đề tài:

XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG SẮT (Fe)

TRONG THÉP XÂY DỰNG

HỒ THỊ BÍCH NGỌC ( Khoa Hóa học)

Chủ nhiệm đề tài:

Cộng tác viên: Nguyễn Hải Hà

Lê Thị Hải- Nguyễn Thị Như Mai

Đặng Thị Vĩnh Hòa- Phạm Nữ Ngọc Hân

MỤ Ï C LỤ Ï C

MUC LUC

ĐẶT VẤN ĐỀ 1

PHẦN THỨ NHẤT: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT 2

I Sắt I.1 Tính chất vật lý 2

I.2 Tính chất hóa học 2

I.3 Phương pháp điều chế 2

I.4 Trạng thái thiên nhiên 3

I.5 Ứng dụng 4

II Thép II.1 Thành phần, cấu tạo và đặc tính của thép 5

II.2 Các phương pháp chế tạo thép 10

II.3 Các loại thép thường dùng 13

II.3.1 Các phương pháp phân loại thép 13

II.3.2 Ký hiệu và công dụng của nhóm thép cán 15

nóng thông dụng (nhóm thép dùng trong xây dựng) III Các phương pháp phân tích định lượng sắt trong thép III.1 Phân tích khối lượng 17

III.2.Phân tích thể tích 17

III.3 Các phương pháp phân tích hóa lý 18

PHẦN THỨ HAI: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

19 I Phương pháp phân tích khối lượng định lượng sắt I.1 Nguyên tắc của phân tích khối lượng 19

I.2 Phân loại các phương pháp phân tích khối lượng 19

I.3 Phương pháp kết tủa xác định sắt trong thép xây dựng 19

I.3.1 Sơ đồ của sự xác định 19

I.3.2 Nghiên cứu xây dựng quy trình 19

I.3.3 Chuẩn bị mẫu 20

I.3.4 Phương pháp tính toán 20

II Phương pháp chuẩn độ thể tích II.1 Nguyên tắc của phân tích thể tích 22

II.2 Các phương pháp phân tích thể tích 22

II.3 Phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử xác định sắt 22

trong thép xây dựng

III Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử (EAS)

III.1 Nguyên tắc 23

PHẦN THỨ BA: THỰC NGHIỆM 24

I Máy móc, dụng cụ, hóa chất 24

II Nghiên cứu xây dựng quy trình phân tích bằng phương pháp khối lượng II.1 Khảo sát quy trình tạo kết tủa và nung kết tủa 25

II.1.1 Khảo sát ảnh hưởng của pH đến quá trình tạo kết tủa 25

II.1.2 Khảo sát các nguyên tố ảnh hưởng đến kết tủa 26

II.1.3 Khảo sát thời gian nung kết tủa 27

II.1.4 Khảo sát nhiệt độ nung kết tủa 28

II.2 Khảo sát quy trình phá mẫu 29

II.2.1 Khảo sát loại acid phá mẫu thích hợp 29

II.2.2 Khảo sát tỷ lệ mẫu : acid 30

II.2.3 Khảo sát nhiệt độ phá mẫu 30

II.2.4 Khảo sát thời gian phá mẫu 31

III Xác định hàm lượng sắt trong các loại thép xây dựng bằng phương pháp khối lượng III.1 Quy trình phân tích 32

III.2 Xác định sai số của phương pháp 34

III.3 Tiến hành phân tích trên các mẫu cụ thể 34

III.3.1 Chuẩn bị mẫu 34

III.3.2 Phân tích mẫu 34

IV Phân tích sắt bằng phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử 37

V Phân tích sắt bằng phương pháp quang phổ phát xạ 39

VI Kết quả phân tích sắt trong thép xây dựng bằng các phương pháp 40

KẾT LUẬN 41

TÀ Ø L Ệ ÄU THAM KHẢ ÛO

TA L EU THAM KHAO

1.Hóa học vô cơ- Hoàng Nhâm-Nhà xuất bản Giáo Dục, 2003

2.Hóa học vô cơ, các kim loại điển hình - PGS Nguyễn Đức Vận

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2004

3.Hóa đại cương-Nguyễn Đình Soa- Đại học Bách Khoa TPHCM,2005

4.Cơ sở hóa học phân tích- A.P.Kreskov

Nhà xuất bản Đại học và Giáo Dục chuyên nghiệp, Hà Nội –

Nhà xuất bản Mir, Maxcơva

5.Hóa học phân tích, cơ sở lý thuyết các phương pháp Hóa học phân tích-

Từ Vọng Nghi-Nhà xuất bản Đại học Quốc Gia Hà Nội, 2001

6.Các phương pháp Hóa phân tích- G Saclô

Nhà xuất bản Đại học và Giáo Dục chuyên nghiệp, 1978

7.Phân tích Lí – Hóa- Hồ Viết Quý-Nhà xuất bản Giáo Dục, 2000

8.Phân tích Hóa – Lí- Từ Văn Mặc-Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 1995

9.Các phương pháp phân tích Vật lí và Hóa lí- Nguyễn Đình Triệu

Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2001

10.Xử lý thống kê trong thực nghiệm hóa học-Cù Thành Long-

Trường Đại học Tổng hợp TPHCM,1994

11.Tiêu chuẩn Việt Nam, Thép kết cấu và thép dùng trong xây dựng

Nhà xuất bản Xây Dựng, 2001

12.Tính toán bằng đồ thị trong công nghệ chất vô cơ-Nxb KHKT , 1977

13.Kim loại học-VLKL - Lê ngọc Quý-Đại học Bách Khoa TPHCM,2005

14.Vật liệu học-Lê Công Dưỡng-Nxb Khoa học và Kỹ thuật, 1997

15.Handbook of Analytical Chemistry- Ju.Lurie-Mir Publishers Moscow

16 Principles of Quantitative Chemical Analysis- Robert de Levie

17 Modern Inorganic Chemistry - William.L.Jolly

Second Edition – McGraw – Hill, Inc New York, 1991

18 Comparative Inorganic Chemistry - Bernard M

Edward Arnord, New York 1991

19.General Chemistry-N.L.Glinka-Mir Publlisher Moscow,1981

20.Standard Methods of Chemical Analysis-N.Howell Furman-Toronto

ĐẶT VẤN ĐỀ

Thép là hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon, là sản phẩm của ngành luyện kim nói chung, ngành luyện kim đen nói riêng Thép có mặt ở khắp mọi nơi : từ dụng cụ gia đình cho tới các tác phẩm nghệ thuật, trong công nghiệp cơ khí (máy móc, công cụ và dụng cụ), trong ngành xây dựng (nhà cửa, cầu cống ), trong giao thông vận tải (đường sắt, tàu biển, ôtô, máy bay ), trong ngành năng lượng (khai thác than, dầu mỏ, nhiệt điện và thủy điện), trong quốc phòng (vũ khí, xe cộ ), chúng hiện chiếm khoảng 90% tổng khối lượng vật liệu kim loại dùng trong công nghiệp của thế giới

Ngày nay, nhiều loại vật liệu mới đã ra đời, nhưng vị trí then chốt của thép vẫn chưa bị thay đổi; việc sản xuất thép, gang với khối lượng lớn khá ổn định, và đã có thể chế tạo ra các loại thép với những tính chất rất khác nhau nhờ hợp kim hóa, nhờ kỹ thuật nhiệt luyện Do vậy, chúng có thể thỏa mãn được những đòi hỏi rất đa dạng trong thực tế Tính chất của thép phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa học của nó cũng như vào kỹ thuật chế tạo (nhiệt luyện thép) Để đánh giá chất lượng thép người ta dựa vào phương pháp phân tích thành phần kết hợp với các phương pháp kiểm tra tính chất cơ lý

Việc phân tích thành phần của thép thường được tiến hành bằng các phương pháp hóa lý (phân tích quang phổ, phân tích điện hóa ) Với

hy vọng xây dựng một quy trình phân tích thép đơn giản, nhanh chóng, tương đối chính xác bằng phương pháp hóa học, trong đề tài này, bước đầu chúng tôi :

- Tiến hành khảo sát, phân tích sắt trong thép xây dựng - một loại vật liệu quan trọng, có vai trò quyết định đến chất lượng của các công trình xây dựng - bằng phương pháp khối lượng

- Kiểm tra, so sánh kết quả nghiên cứu bằng các phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử; phân tích quang phổ phát xạ

PHẦN I :

PHẦN I : TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

Kí hiệu hóa học : Fe (Z=26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6 4s2

I.1 Tính chất vật lý

Sắt là kim loại màu trắng xám, có ánh kim, dễ rèn và dát mỏng

Trong thiên nhiên sắt có 4 đồng vị bền 54Fe, 56Fe , 57Fe và 58 Fe

to

nóng chảy= 1536oC, to

sôi= 2880oC, tỉ khối d= 7.91g/cm3 Sắt có 4 dạng thù hình bền ở những khoảng nhiệt độ xác định

Feα Feβ Feγ Feδ Fe lỏng

Những dạng α, β và γ có kiến trúc tinh thể kiểu lập phương tâm khối (Hình 1a), Feγ có kiến trúc tinh thể lập phương tâm diện (Hình 1b)

Sắt tạo nên rất nhiều hợp kim quan trọng, đặc biệt là hợp kim Fe – C Tùy thuộc vào lượng C trong sắt người ta chia ra : Sắt mềm (< 0,2 %C), thép (0,2 ÷ 2,14%C) và gang (2,14 ÷ 5 %C)

I.2 Tính chất hóa học

Sắt là kim loại có hoạt tính hóa học trung bình

Ở điều kiện thường nếu không có hơi ẩm, sắt không tác dụng rõ rệt ngay với những nguyên tố không kim loại điển hình như O2, S, Cl2, Br2

vì có màng oxit bảo vệ Nhưng khi đun nóng, phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là khi kim loại ở trạng thái chia nhỏ

(a) (b)

Hình 1 : Kiến trúc tinh thể của Feα, Feβ và Feδ (a)

Kiến trúc tinh thể của Feγ (b)

Fe + 5CO Fe(CO)5 Sắt tan trong dung dịch HCl, H2SO4 loãng :

Sắt tan trong dung dịch HCl, H

Fe + HCl FeCl2 + H2↑

Fe + HCl 2 FeCl

SO4 loãng : Còn trong dung dịch H2SO4 đặc, sắt bị oxi hóa đến Fe (III) :

Còn trong dung dịch H 2 + H2↑

2Fe + H2SO4 (đ) Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O 2Fe + H 2

SO4 đặc, sắt bị oxi hóa đến Fe (III) : Với HNO3 loãng và nồng độ vừa phải thì sắt bị hòa tan :

Với HNO 2SO4 (đ) Fe2(SO4)3 + 3SO2↑ + 6H2O

Fe + 4HNO3 Fe(NO3)3 + NO↑ + 2H2O

CO2 và khí O2 ở trong không khí tạo nên gỉ sắt

Đối với không khí và nước, sắt tinh khiết bền Ngược lại sắt có chứa tạp chất bị ăn mòn dần dưới tác dụng đồng thời của hơi ẩm, khí CO

3 lớn, sự hòa tan bị chậm lại và sắt trở nên trơ

Fe + 3/2O2 + nH2O Fe2O3.nH2O

Fe + 3/2O

2 và khí O2 ở trong không khí tạo nên gỉ sắt

Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra Hàng năm, lượng sắt, thép mất đi vì bị gỉ là vào khoảng ¼ lượng sắt thép được sản xuất trên toàn thế giới

Gỉ sắt tạo nên ở trên bề mặt là một lớp xốp và giòn không bảo vệ được sắt và quá trình ăn mòn sắt tiếp tục diễn ra Hàng năm, lượng sắt, thép mất đi vì bị gỉ là vào khoảng ¼ lượng sắt thép được sản xuất trên toàn thế giới

2 + nH2O Fe2O3.nH2O

I.3 Phương pháp điều chế

I.3 Phương pháp điều chế

Cách đây hơn 4000 năm loài người đã biết luyện sắt từ quặng Khoảng 3000 năm trước, thời đại đồ sắt đã thay thế thời đại đồ đồng, thiếc và tiếp tục phát triển cho đến ngày nay Hiện nay sắt và hợp kim của sắt chiếm 95% tổng lượng kim loại được sản xuất hàng năm trên thế giới

Mấy thế kỷ nay, sắt được sản xuất với quy mô công nghiệp bằng lò cao Nguyên liệu để luyện gang là quặng sắt, than cốc, chất chảy và không khí

Các phản ứng xảy ra :

C + O2 CO2

CO2 + Cnóng đỏ 2CO

Fe2O3 + 3CO 2Fe + 3CO2↑ Sắt luyện được thường lẫn các tạp chất như C, S

Sắt tinh khiết được điều chế bằng các phương pháp :

• Dùng H2 tinh khiết để khử oxit sắt tinh khiết

t 0

Fe2O3 + H2 2Fe + 3H2O Fe

t 0

• Nhiệt phân sắt pentacacbonyl

• Nhiệt phân sắt pentacacbonyl 2

O3 + H2 2Fe + 3H2O Fe(CO)5 Fe + 5CO↑

Fe(CO)

• Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch muối Fe (II), với dương cực là tấm Fe – Cr, còn âm cực là sắt tinh khiết Quá trình điện phân phụ thuộc vào các yếu tố như

pH của dung dịch, nồng độ của chất điện phân, mật độ dòng của anod và catod

• Sắt rất tinh khiết có thể điều chế bằng phương pháp điện phân dung dịch muối Fe (II), với dương cực là tấm Fe – Cr, còn âm cực là sắt tinh khiết Quá trình điện phân phụ thuộc vào các yếu tố như

pH của dung dịch, nồng độ của chất điện phân, mật độ dòng của anod và catod

5 Fe + 5CO↑

I.4 Trạng thái thiên nhiên

I.4 Trạng thái thiên nhiên

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất Trữ lượng của sắt trong vỏ quả đất là 1,5% tổng số nguyên tử (tương ứng) Sắt là kim loại đã được biết đến từ thời cổ xưa, có lẽ nó có nguồn gốc vũ trụ Trung bình trong 20 thiên thạch từ không gian vũ trụ rơi xuống trái đất, có 1 thiên thạch sắt Thiên thạch sắt chứa đến 90% Fe ; 8,5% Ni và 0,5%

Co Thiên thạch sắt lớn nhất đã biết được có khối lượng 60 tấn

Những khoáng vật của sắt là magnhetite (Fe3O4) chứa đến 72% Fe, hematite (Fe2O3) chứa 60% Fe, pyrite (FeS2) và siderite (FeCO3) chứa 35% Fe Ngoài những mỏ lớn tập trung khoáng vật của sắt, sắt còn phân tán trong khoáng vật của những nguyên tố phổ biến nhất như Al,

Nhiều hợp chất của sắt có ý nghĩa quan trọng trong thực tế như FeCl3 dùng làm chất đông tụ khi làm sạch nước, làm chất cầm máu, làm chất xúc tác trong hóa học hữu cơ Các muối ferit của kim loại hóa trị hai dùng trong kỹ thuật máy tính

Các oxit của sắt không những là nguồn điều chế nhiều hợp chất của sắt mà còn là nguồn nguyên liệu quan trọng của ngành luyện kim đen

II Thép [1,2,13,14,]

II.1 Thành phần cấu tạo và đặc tính của thép

Trước thế kỷ XIX người ta đã biết chủ yếu hợp kim sắt – cacbon có tên gọi là thép và gang Sau này người ta đã tạo ra hợp kim trên cơ sở sắt chứa crôm, niken và các nguyên tố khác Hiện nay người ta chia các hợp kim của sắt thành : thép cacbon, gang, thép hợp kim và thép có tính chất đặc biệt

Thép cacbon và gang là những hợp kim trên cơ sở sắt và cacbon Thép khác gang chủ yếu là ở thành phần hóa học, so với gang, thép chứa ít cacbon hơn và ít các tạp chất có hại như phôtpho, lưu huỳnh Thành phần cacbon trong thép nhỏ hơn 2,14% về khối lượng còn gang chứa tới 6,67%

Độ tan của cacbon trong sắt phụ thuộc vào biến dạng tinh thể của sắt và nhiệt độ Cacbon tan trong Feα rất ít và được gọi là ferrite, nhưng tan nhiều hơn trong Feγ Dung dịch rắn của cacbon trong Feγ được gọi là austenite Đây là pha xâm nhập (dung dịch rắn xâm nhập) Trong mạng lưới tinh thể austenite, những nguyên tử cacbon chiếm trung điểm của các cạnh và tâm của lập phương (Hình 3) Austenite bền về phương diện nhiệt động trong giới hạn rộng hơn nhiều so với Feγ tinh khiết

600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

9 10 11 12 13

A B

Hình 2 : Giản đồ trạng thái hệ sắt – cacbon

Hình 3 : Kiến trúc tinh thể của austenite

Thép là hợp kim gồm 2 pha : ferrite (cacbon, mangan, silic tan trong Feα) và cementite (Fe3C) Thép cứng, bền, dễ gia công cơ học Tính chất của thép phụ thuộc nhiều vào thành phần và đặc biệt vào việc xử lý nhiệt (nhiệt luyện thép) trong quá trình chế tạo

II.1.1 Nhiệt luyện thép [12,14]

Nhiệt luyện thép là công việc quan trọng nhất trong kỹ thuật thép, nó có thể làm biến đổi rất mạnh đến tính chất của thép Người ta dùng các kiểu nhiệt luyện khác nhau để truyền cho thép các tính chất khác nhau, trong đó quan trọng nhất là tôi, ram và xử lý hóa nhiệt

- Tôi được thực hiện bằng cách đun thép đến nhiệt độ cao hơn so với nhịêt độ 7270C (nhiệt độ chuyển hóa pearlite thành austenite), duy trì ở nhiệt độ này và làm lạnh nhanh Thép đã tôi có tính cứng, bền nhưng giòn Do đó thép tôi cần phải được ram

- Ram là công việc nhiệt luyện cuối cùng Ram được thực hiện bằng cách đun nóng thép đến nhiệt độ thấp hơn một chút so với nhiệt độ

7200C, giữ ở nhiệt độ này và làm lạnh tương đối chậm

Các quá trình xảy ra trong thép khi tôi và ram

E

G

1,2 1,6 600

700 800 900 1000 1100

1

2

3 1147

Hình 4 : Một phần giản đồ của hệ sắt – cacbon

Từ giản đồ nhận thấy :

• Khi đun thép có thành phần 0,8% cacbon (hỗn hợp eutecti của ferrite và cementite còn gọi là pearlite) ở 7270C pearlite chuyển thành austenite

• Khi đun thép có thành phần cacbon nhỏ hơn 0,8% (cấu trúc của thép gồm ferrite và pearlite); Ví dụ: 0,4%, ở 7270C pearlite chuyển thành austenite chúa 0,8%C Trên 7270C thì ferrite tan dần trong austenite, khi đạt tới điểm 2 thì ferrite biến mất, hàm lượng cacbon trong austenite đạt 0,4%

• Khi đun thép có thành phần cacbon lớn hơn 0,8% (cấu trúc của thép gồm pearlite và cementite); ví dụ 1,4%, ở 7270C thì pearlite chuyển thành austenite chứa 0,8%C Trên 727 0C thì cementite tan trong austenite, khi đạt tới điểm 4 thì cementite biến mất, hàm lượng cacbon trong austenite bằng 1,4%

Như vậy, giai đoạn đầu của sự tôi là sự đun nóng kèm theo sự chuyển hóa thép thành austenite (sự khuếch tán của các nguyên tử xảy

ra trong vật rắn rất chậm ngay khi ở nhiệt độ cao, vì vậy để chuyển hóa hoàn toàn, thép được giữ một thời gian ở nhiệt độ cao hơn một ít so với các điểm tương ứng trên đường SG và SE)

Quá trình xảy ra khi làm lạnh chậm austenite ngược với quá trình đốt nóng Nhưng khi làm lạnh nhanh, sự khuếch tán các nguyên tử cacbon và sắt không kịp xảy ra, tuy nhiên mạng tinh thể của sắt được xây dựng lại ở tốc độ bất kỳ nên Feγ chuyển thành Feα Kết quả thu được pha không bền về mặt nhiệt động học đó là dung dịch rắn quá

bão hòa của cacbon trong Feα - được gọi là martencite (pha này không bền về mặt nhiệt động học và không được phản ánh trên giản đồ trạng thái) Sự chuyển hóa martencite không kèm theo sự phân bố khuếch tán lại cacbon, nghĩa là trong sự chuyển hóa này sự dịch chuyển các nguyên tử cacbon và sắt không vượt quá khoảng cách giữa các nguyên tử, chỉ xảy ra sự xây dựng lại mạng lập phương tâm mặt của Feγ thành mạng lập phương tâm khối của Feα

Hình 5 : Kiến trúc tinh thể của martencite

Martencite có độ rắn cao và tăng khi hàm lượng cacbon tăng Độ rắn của martencite là do tính không đồng nhất rất tinh tế của cấu tạo làm cản trở sự lệch mạng Nhưng martencite giòn vì sức căng nội tại lớn xuất hiện khi tạo thành nó

Khi ram, martencite (và austenite dư) bị phân hủy một phần Mức độ chuyển hóa của martencite và cấu trúc của sản phẩm tạo thành phụ thuộc vào nhiệt độ khi ram :

• Ở nhiệt độ thấp (150 – 2500C) : cacbon chỉ thoát ra 1 phần khỏi martencite, tạo thành những bản mỏng cementite Sự ram ở nhiệt độ thấp làm giảm sức căng nội tại trong thép, làm tăng độ bền của nó, còn độ rắn và độ chịu mòn được bảo toàn (thép sản xuất các dụng cụ cắt gọt và đo)

• Ở nhiệt độ trung bình (350 – 5000C) : sự khuếch tán của các nguyên tử cacbon và sắt diễn ra khá nhanh, cacbon thoát ra hoàn toàn khỏi martencite Thép có cấu trúc ferrite và các tấm bản mỏng cementite, có tính đàn hồi cao (thép sản xuất lò xo, nhíp )

• Ở nhiệt độ cao (500 – 6800C) : ở nhiệt độ này xảy ra sự phát triển các tinh thể cementite, những bản mỏng của nó lớn lên và chuyển

thành dạng tròn Sự ram ở nhiệt độ cao làm tăng độ nhớt của thép, độ bền và độ rắn của nó giảm xuống 1 ít nhưng vẫn còn lớn (thép kết cấu)

- Xử lý hóa nhiệt : Trong một số trường hợp bề mặt của vật phẩm hoặc chi tiết phải có tính chất cơ học khác với tính chất trong toàn bộ khối của nó Ví dụ : trục ôtô phải có bề mặt rắn, chống mài mòn tốt và không giòn, nghĩa là có tính đàn hồi cần thiết để tránh vỡ khi va đập Trong những trường hợp này người ta xử lý thép bằng hóa nhiệt , tức là làm cho bề mặt vật phẩm được bảo toàn cacbon, nitơ hoặc một số nguyên tố khác – Sự bãûo hòa này đạt được bằng sự khuếch tán nguyên tố từ môi trường ngoài ở nhiệt độ cao

• Sự bão hòa cacbon (sự thấm cacbon) được thực hiện bằng cách đun nóng vật phẩm trong khí quyển CO, CH4 hoặc trong khối than hoạt tính Lúc đó lớp thép bề mặt với chiều sâu 0,5-2mm sẽ có độ rắn và bền cao, còn khối thép bên trong vẫn dẻo và đàn hồi

• Sự bảo hòa nitơ (sự thấm nitơ) được thực hiện bằng cách đun vật phẩm thời gian dài trong khí quyển nitơ ở 500 – 6000C Thép thấm nitơ có độ rắn còn lớn hơn thép thấm cacbon, do tạo thành sắt nitrua ở lớp bề mặt

II.1.2 Ảnh hưởng của các nguyên tố đến tính chất của thép [13,14]

a Ảnh hưởng của cacbon

Khi thay đổi lượng cacbon trong thép, cơ tính của thép thay đổi rất nhiều Bởi vì tổ chức của thép cacbon là hỗn hợp của 2 pha : ferrite và cementite, trong đó ferrite là pha mềm dẻo, còn cementite là pha cứng, giòn Lượng cacon càng tăng thì lượng cementite trong thép cũng tăng lên, nó cản trở sự di trượt của ferrite và do đó, độ bền và độ cứng của thép tăng lên nhưng độ dẻo dai lại giảm đi

b Ảnh hưởng của mangan

Mangan được cho vào thép dưới dạng fero – mangan để khử FeO có hại theo phản ứng sau :

FeO + Mn MnO + Fe (MnO nổi lên đi vào xỉ, ra ngoài) Mangan còn loại trừ FeS có hại đối với thép

Mặt khác mangan lại còn hòa tan vào ferrite làm tăng độ bền và độ cứng của pha này, do đó làm tăng cơ tính của thép Tuy nhiên, do lượng mangan ít nên tác dụng này không lớn lắm

c Ảnh hưởng của silic

Silic cũng giống như mangan được cho vào thép dưới dạng fero – silic để khử oxi, tác dụng khử oxi của silic còn mạnh hơn mangan Silic hòa tan vào ferit làm tăng độ bền và độ cứng của pha này Nhưng lượng silic trong thép cacbon ít, nên ảnh hưởng này cũng không lớn lắm

d Ảnh hưởng của photpho

Photpho là tạp chất có hại, nó chứa sẵn trong quặng sắt và chỉ khử được đến một giới hạn nhất định tùy theo phương pháp luyện Khi photpho hòa tan vào ferrite làm cho nó giảm độ dẻo và gây nên hiện tượng giòn (ngay ở nhiệt độ thường)

Tuy nhiên có trường hợp photpho lại có lợi khi ta dùng nó trong thép để tăng độ giòn, dễ gia công cắt gọt trên các máy tự động Thép này được gọi là thép tự động có thành phần phopho tới 0,15%

e Ảnh hưởng của lưu huỳnh

Lưu huỳnh là tạp chất có hại, nó làm cho thép giòn nóng, do đó khó cán, rèn hay dập Cho mangan vào thép sẽ làm giảm được tác dụng có hại của lưu huỳnh

Lưu huỳnh chỉ có lợi khi ta dùng nó để làm tăng độ giòn, dễ gia công cắt gọt, nó được đưa vào thép tự động với thành phần tới 0,3%

f Ảnh hưởng của các chất khí (O 2 , N 2 )

Ngoài các nguyên tố ảnh hưởng nhiều đến thép như C, Si, Mn, P, S

ra trong thép còn có oxi, nitơ là các tạp chất có hại vì làm thép giòn cứng (riêng nitơ có tác dụng tốt một phần ở chỗ nó làm nhỏ hạt) nhưng chỉ có trong thép rất ít, bằng cách phân tích thông thường rất khó phát hiện

II.2 Các phương pháp chế tạo thép

Thép là vật liệu quan trọng của nền kinh tế quốc dân và được sản xuất với quy mô công nghiệp lớn Phương pháp hiện đại điều chế thép gồm các bước : Luyện gang từ quặng, luyện thép từ gang, sau cùng thép lỏng được đúc, cán ép và nhiệt luyện (tùy theo công dụng)

II.2.1 Luyện gang từ quặng

Được tiến hành trong lò cao khổng lồ

Xỉ Gang

Không khí nóng

Cốc, gang lỏng, xỉ 13000 C

10000C

4500C Khí lò cao

3Fe2O3+CO=

2Fe3O4+CO2

Quặng Than cốc Đá vôi

Fe3O4+CO=

3FeO+CO2

FeO+CO=Fe+CO2CaCO3=CaO+CO2CaO+SiO2=CaSiO3

Hình 6 : Sơ đồ các phản ứng hóa học xảy ra ở các phần khác nhau của

lò cao

Khi khử quặng thì thu được sắt ở trạng thái rắn, nó dần dần đi xuống vào phần nóng hơn của lò (bụng lò) và hòa tan cacbon tạo thành gang Gang nóng chảy và chảy xuống phần dưới của nồi lò, còn xỉ lỏng tập trung trên bề mặt gang, bảo vệ cho gang khỏi bị oxi hóa Gang và xỉ được tháo ra qua các lỗ ở đáy lò theo mức độ tích tụ của chúng (các lỗ này được bịt bằng đất sét trong thời gian luyện gang)

II.2.2 Luyện thép

Luyện thép là quá trình loại bỏ lượng dư các tạp chất C, S, P, Si, Mn có trong gang Muốn vậy người ta oxi hóa các tạp chất đó thành oxit, những oxit ở trạng thái khí như CO và CO2 bay ra ngoài, còn những oxit ở trạng thái rắn biến thành xỉ và nổi lên trên lớp thép lỏng

a Phương pháp Bessemer (Năm 855)

Người ta luyện thép trong lò thổi Gang lỏng ở lò cao được chuyển thẳng vào lò thổi Không khí thổi vào gang lỏng đốt cháy những tạp chất có trong gang

Si + O2 SiO22Mn + O2 2MnO

C + O2 CO2 và oxi hóa một phần sắt

2Fe + O2 2FeO Những phản ứng này phát nhiệt nhiều làm cho nhiệt độ ở trong lò thổi lên đến 16000C và toàn bộ chất ở trong đều ở trạng thái lỏng Silic dioxit được tạo nên từ Si có trong gang và silic dioxit có trong lớp lò tác dụng với MnO và FeO tạo thành xỉ

FeO + SiO2 FeSiO3 MnO + SiO2 MnSiO3

Xỉ lỏng nổi lên trên lớp thép lỏng được trút ra trước thép khi quay nghiêng lò thổi

Quá trình luyện gang thành thép xảy ra nhanh ở trong lò thổi, chỉ trong 15 – 20 phút, nên không cho phép điều chỉnh thành phần của thép Nhược điểm của phương pháp Bessemer là không luyện được thép từ loại gang chứa nhiều photpho

b Phương pháp Thomas (Năm 1878)

Phương pháp Thomas khắc phục nhược điểm của phương pháp Bessemer và cho luyện thép từ gang chứa đến 2% P Phương pháp này cũng dùng không khí nén thổi vào gang lỏng ở trong lò thổi giống phương pháp Bessemer nhưng lớp của lò thổi được làm bằng gạch chịu lửa chứa MgO hay hỗn hợp MgO và CaO Lớp lót lò này cho phép loại bỏ phosphor

4P + 5O2 P4O10

P4O10 + 6CaO 2Ca3(PO4)2Phương pháp Thomas cũng như phương pháp Bessemer không loại bỏ hoàn toàn được lưu huỳnh là tạp chất có hại ở trong gang Bởi vậy cả hai phương pháp này chỉ dùng để luyện thép từ gang không có quá 0,05% lưu huỳnh

c Phương pháp Martin (Năm 1860)

Khác với hai phương pháp trên, trong phương pháp Martin, chất oxi hóa không chỉ là oxi của không khí đuợc thổi vào lò mà cả sắt (III) oxit của quặng sắt và của sắt vụn cho thêm vào cùng với gang Quá trình luyện thép được thực hiện trong lò lửa ngọn,nhiệt độ của lò đạt đến

18000C, gọi là lò Martin

Những phản ứng hóa học xảy ra trong lò lửa ngọn không khác với lò thổi nhưng quá trình luyện thép kéo dài khoảng từ 6 –8 giờ Nhờ thời gian kéo dài như vậy, người ta có thể phân tích được sản phẩm và cho thêm những vật liệu cần thiết để chế các loại thép có thành phần mong muốn, nhất là thép hợp kim Tuy nhiên, để luyện thép hợp kim, người

ta thường hay dùng lò điện hồ quang có nhiệt độ trên 30000C

d Phương pháp baz-oxi (Năm 1953)

Phương pháp này hiện đại hơn, hiện nay được sản xuất rất phổ biến

ở nhiều nước trên thế giới Phương pháp baz-oxi cải tiến phương pháp Bessemer : dùng lò thổi có công suất lớn hơn và thổi khí oxi tinh khiết có áp suất 10atm Phối liệu nạp vào lò thổi là gang lỏng và sắt vụn Qua một ống dẫn được làm lạnh ở ngoài bằng nước và đưa xuyên qua miệng lò thổi tới gần phối liệu, người ta thổi đồng thời bột CaO và khí

O2 vào lò Dòng CaO và O2 đó với tốc độ lớn có thể đi đến đáy lò và khuấy trộn mạnh lớp phối liệu lỏng ở trong lò

Tạp chất trong phối liệu được oxi hóa thành oxit rồi oxit tác dụng với CaO tạo thành xỉ Nhờ nhiệt của phản ứng oxi hóa tạp chất, các chất ở trong lò vẫn giữ đươcï ở trạng thái lỏng Sau khoảng 40 phút, kéo ống dẫn khí ra khỏi lò và nghiêng lò để đổ xỉ ra trước, thép ra sau

Phương pháp baz-oxi được sử dụng chủ yếu để sản xuất thép cacbon, trong 40-45 phút lò thổi sản xuất được 300 – 350 tấn thép

II.3 Các loại thép thường dùng [11,12,13]

Tùy theo việc sử dụng người ta chia thép làm 2 nhóm :

- Nhóm thép cacbon : dùng trong ngành chế tạo máy nói chung và ngành xây dựng

- Nhóm thép hợp kim : dùng để chế tạo các dụng cụ cắt, dụng cụ đo, các chi tiết máy có yêu cầu độ bền, độ dẻo cao Trong nhóm thép hợp kim có thép hợp kim đặc biệt là các thép có từ tính, thép không gỉ, thép chịu nhiệt

II.3.1 Các phương pháp phân loại thép

Có nhiều cách phân loại thép khác nhau, nhưng thường gặp các cách sau :

a Theo chất lượng

Theo chất lượng luyện kim tức là theo mức độ đồng nhất của thành phần hóa học, tổ chức và tính chất của thép và đặc biệt là mức độ chứa các tạp chất có hại P, S người ta phân ra các loại sau :

- Thép có chất lượng thường, có thể chứa tới 0,06% S và 0,07% P

- Thép có chất lượng tốt, chứa không quá 0,04% S và 0,035% P

- Thép có chất lượng cao, chứa không quá 0,025% mỗi nguyên tố

- Thép có chất lượng đặc biệt cao, chứa không quá 0,015% S và 0,025% P

Chất lượng của thép do phương pháp luyện quyết định Thép cacbon có thể gồm 3 loại chất lượng đầu, thép hợp kim có thể gồm 3 loại chất lượng sau

b Theo phương pháp khử oxi

Theo mức độ khử oxi phân ra : thép sôi, thép lặng và nửa lặng

- Thép sôi là thép được khử oxi không triệt để, chỉ dùng fero – mangan Do vẫn còn FeO, nên nó có thể tác dụng với C trong thép lỏng theo phản ứng sau :

- Thép nửa lặng là loại trung gian giữa thép sôi và thép lặng chỉ được khử oxi bằng fero –mangan và nhôm

Thép cacbon thấp có thể có ở cả 3 loại kể trên Thép cacbon trung bình có thể là thép lặng hoặc nửa lặng Thép cacbon cao và thép hợp kim luôn là thép lặng Vật đúc chỉ được chế tạo từ thép lặng

c Theo công dụng

Đây là cách phân biệt thường dùng nhất, gồm 3 nhóm chính

- Thép cán nóng thông dụng : loại này chủ yếu dùng trong xây dựng và các công việc thông thường tương tự, nói chung không cần qua nhiệt

- Thép kết cấu : chủ yếu để làm các chi tiết máy, thường phải qua nhiệt luyện

- Thép dụng cụ : Chủ yếu để làm dụng cụ (cắt gọt, biến dạng, đo lường) thường bắt buộc phải qua nhiệt luyện

II.3.2 Ký hiệu và công dụng của nhóm thép cán nóng thông dụng (hay chính là nhóm thép dùng trong xây dựng)

Trong nội dung đề tài này, chúng tôi chỉ xét tới đối tượng chính là các loại thép dùng trong xây dựng Do đó chúng tôi chỉ tập trung xem xét đến đối tượng chính này

Nhóm thép này hiện chiếm tới 80% khối lượng thép dùng trong thực tế, thường được cung cấp ở dạng qua cán nóng (tấm; thanh; dây; ống; thép hình : chữ U, I; thép góc ) từ các nhà máy liên hợp luyện kim với mục đích chủ yếu để làm các kết cấu trong xây dựng như nhà, xưởng, cầu, cống, cốt thép của bêtông (Cũng có thể sử dụng trong chế tạo máy để làm chi tiết máy không quan trọng)

Mác thép σb , MPa σ0,2 , MPa δ5 , %

Theo TCVN 1765-75 nhóm thép này được ký hiệu bằng chữ CT (C là cacbon, T là thép), với con số tiếp theo chỉ giới hạn bền kéo tối thiểu (kG/mm2), muốn đổi ra MPa chỉ việc nhân với 9,81 (thường lấy tròn bằng 10) Nhóm thép này lại được chia ra thành 3 phân nhóm nhỏ :

- Phân nhóm A : Chỉ quy định về cơ tính, mà không quy định về thành phần hóa học (xem bảng 1)

- Phân nhóm B : Chỉ quy định về thành phần hóa học, mà không quy định về cơ tính Thép thuộc phân nhóm này ký hiệu thêm chữ B ở trước chữ CT (xem bảng 2)

- Phân nhóm C : Được quy định cả về cơ tính và thành phần hóa học,

cơ tính giống nhóm A, còn thành phần hóa học thì giống nhóm B Ký hiệu thêm chữ C ở trước chữ CT Ví dụ mác thép CCT34s có cơ tính tương tự CT34s và thành phần tương tự BCT34s

Các mác phân nhóm A được dùng làm các chi tiết, kết cấu mà chế tạo chúng không phải qua gia công nóng (như hàn, biến dạng dẻo, nhiệt luyện), do đó chúng bảo tồn tổ chúc và cơ tính ban đầu theo tiêu chuẩn (Bảng 1)

- 0,050,050,070,07

-

-

- 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17 0,05-0,17

- 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,12-0,30 0,15-0,35 0,15-0,35

0,06 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05 0,05

0,06 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04

Bảng 2 : Thành phần hóa học của các mác thép cacbon chất lượng

thường, phân nhóm B Các mác phân nhóm B được dùng làm các chi tiết, kết cấu khi chế tạo có qua gia công nóng (hàn, rèn, nhiệt luyện), do đó tổ chức và cơ tính ban đầu không tồn tại Muốn vậy cần biết thành phần hóa học (đặc biệt là cacbon) để xác định chế độ gia công nóng

Các mác phân nhóm C được chuyên dùng làm kết cấu hàn Trong trường hợp này phải biết cả cơ tính ban đầu của thép bởi vì chúng được bảo tồn (không thay đổi) ở các phần không bị nung nóng So với 2 phân nhóm trên, phân nhóm C có chất lượng cao hơn

Cả 3 phân nhóm được dùng làm các kết cấu kim loại và chi tiết chịu

này còn có những phân nhóm đặc biệt như làm kết cấu xây dựng, đóng tàu, làm cầu,

này còn có những phân nhóm đặc biệt như làm kết cấu xây dựng, đóng tàu, làm cầu,

III Các phương pháp phân tích định lượng sắt trong thép

III Các phương pháp phân tích định lượng sắt trong thép [15,20]

Để định tính, định lượng thép thông thường người ta phải chuyển mẫu về dạng dung dịch (trừ phương pháp quang phổ phát xạ) bằng các dung dịch axit thích hợp

III.1 Phương pháp phân tích khối lượng [4,5,16]

Phương pháp này dựa trên việc kết tủa ion sắt (III) bằng amoni

hidroxit dưới dạng Fe(OH)3 và thu được dạng cân Fe2O3 bằng cách nung Fe(OH)3 rồi từ dạng cân để tính hàm lượng sắt

2Fe3O4 + 2HNO3 3Fe2O3 + H2O+ 2NO2↑ Sắt(III) hidroxit được kết tủa từ dung dịch nóng, khi đó muối sắt(III)

bị thủy phân, ví dụ :

FeCl3 + 2H2O Fe(OH)2Cl + 2HCl

Do đó, để tránh sự thủy phân và để oxi hóa sắt (II) thành sắt (III) người ta thêm axit nitric trong quá trình phân tích

Fe(OH)2Cl + 2H+ 2H2O + Fe3+ + Cl3Fe2+ + 4HNO3 3Fe3+ + NO↑ + 2H2O + 3NO3-

III.2 Phân tích thể tích (chuẩn độ) [6,16]

III.2.1Phương pháp oxi hóa khử

Phương pháp dựa trên phản ứng:

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O Khi kết thúc phản ứng, dựa vào thể tích KMnO4 (MnO4-) để tính hàm lượng sắt

III.2.2Phương pháp tạo phức

Dựa trên phản ứng

Fe3+ + H2Sal Fe(sal)+ + 2H+Fe(sal)+ + H2Y2- FeY- + H2Sal Xác định hàm lượng ion sắt (III) bằng cách chuẩn độ trực tiếp bằng dung dịch chuẩn EDTA với chất chỉ thị acid sulfosalisilic ở pH = 2

III.3 Các phương pháp phân tích hóa lý [7,8,9,20]

III.3.1.Phương pháp trắc quang so màu

Phương pháp trắc quang so màu sử dụng các phản ứng hóa học để chuyển chất cần xác định thành một hợp chất có màu, sau đó dựa vào sự hấp thụ bức xạ điện từ của dung dịch màu này hay so sánh cường độ màu thu được với cường độ màu của dung dịch đã biết trước nồng độ sẽ định lượng được chất cần xác định trong mẫu

-Xác định sắt dùng thuốc thử ortho-phenantroline:phenantrolinetạo với Fe(II) thành một phức có màu đỏ da cam ở pH=3.2-3.3

_Xác định sắt dùng thuốc thử thiocyanat:ở pH=2, Fe(III) tạo được phức chất màu đỏ máu với thiocyanat

-Xác định sắt dùng thuốc thử acid salisilic:Fe(III) tạo được với acid salisilic các phức có thành phần và màu sắc khác nhau tùy thuộc vào

pH của môi trường

III.3.2.Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử

Phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử còn gọi tắt là EAS dựa vào việc đo bước sóng, cường độ và các đặc trưng khác của bức xạ điện từ do các nguyên tử hay ion ở trạng thái hơi bị kích thích phát ra Hiện tượng phát xạ nguyên tử xảy ra là do sự thay đổi trạng thái năng lượng của các nguyên tử Bình thường các nguyên tử ở trạng thái không kích thích hay còn gọi là trạng thái cơ bản tương ứng với mức năng lượng thấp nhất E0 Bằng một biện pháp nào đó ta cung cấp năng lượng cho nguyên tử, các nguyên tử có thể chuyển lên các mức năng lượng cao hơn E1, E2 Người ta nói các nguyên tử chuyển lên trạng thái nguyên tử kích thích Trạng thái này không bền sau 1 khoảng thời gian rất ngắn (cỡ 10-8s) nguyên tử sẽ quay về trạng thái cơ bản hay ở trạng thái kích thích nào đó có mức năng lượng thấp hơn Từ nguồn bức xạ do mẫu phát ra ta xử lý để có kết quả phân tích

PHẦN II :

PHẦN II : PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Với mục đích đặt ra là phân tích hàm lượng sắt trong các loại thép xây dựng Chúng tôi đã chọn :

- Phương pháp phân tích khối lượng (cụ thể là phương pháp kết tủa) làm phương pháp chính

- Kết hợp với phương pháp chuẩn độ oxi hóa – khử và phương pháp quang phổ phát xạ nguyên tử để kiểm tra

I Phương pháp phân tích khối lượng định lượng sắt [4,6,10]

I.1 Nguyên tắc của phân tích khối lượng

Phân tích khối lượng là một phương pháp của phân tích hóa học định lượng dựa trên sự đo chính xác khối lượng của chất cần xác định, hoặc của thành phần nó được tách ra ở trạng thái tinh khiết hóa học, hoặ dưới dạng hợp chất thích hợp (có thành phần không đổi, biết chính xác)

I.2 Phân loại các phương pháp phân tích khối lượng

Các phương pháp phân tích khối lượng gồm 3 nhóm lớn : phương pháp tách, phương pháp kết tủa và phương pháp cất

I.3 Phương pháp kết tủa xác định sắt trong thép xây dựng

I.3.1 Sơ đồ của sự xác định

t 0 3H 2 O)

(-Axit 6OH

-(2) (1)

Mẫu 2Fe3+(dd) 2Fe(OH)3↓ Fe2O3

Chất xác định Dạng kết tủa Dạng cân

I.3.2 Nghiên cứu xây dựng quy trình

a Quy trình phá mẫu

- Khảo sát lựa chọn loại axit phá mẫu thích hợp

- Khảo sát tỉ lệ mẫu : lượng axit thích hợp

- Khảo sát nhiệt độ phá mẫu

- Khảo sát thời gian phá mẫu

b Quy trình tạo kết tủa, nung kết tủa

- Khảo sát pH thích hợp

- Khảo sát các nguyên tố ảnh hương đến kết tủa

- Khảo sát nhiệt độ nung kết tủa

- Khảo sát thời gian nung kết tủa