Quặng sắt: từ hòn đá đỏ và cát đen nam châm hút tới thanh thép xây nhà

Quặng sắt là loại đá chứa nhiều hợp chất của sắt với oxy, thường có màu đỏ gạch, nâu vàng hoặc đen. Để có thanh thép, người ta đào quặng, nghiền nhỏ, nung cùng than cốc trong lò cao cho oxy tách ra khỏi sắt, được gang lỏng, rồi thổi bớt carbon để thành thép. Cả quá trình ấy đi ngược với chuyện chiếc đinh bị gỉ: thép gỉ chính là sắt đang quay về dạng đá.

Sắt có ở khắp nơi, vì sao vẫn phải tìm mỏ

Sắt là một trong những nguyên tố phổ biến nhất của vỏ Trái Đất, chiếm khoảng 5% khối lượng. Đất đỏ Tây Nguyên, đá ong xứ Đoài, vệt nâu trên gạch đều có màu nhờ sắt. Lõi Trái Đất thậm chí chủ yếu là sắt và niken.

Nhưng sắt nằm rải rác thì không lấy ra được một cách có lời. Người ta chỉ gọi là quặng khi đá chứa đủ nhiều kim loại, ở chỗ đủ gần mặt đất, để việc khai thác đáng công. Quặng sắt tốt thường chứa từ khoảng một nửa tới hai phần ba khối lượng là sắt. Đất đỏ ngoài vườn có sắt, nhưng không phải quặng.

Ba gương mặt quen của quặng sắt

Khoáng vật	Thành phần	Trông thế nào	Dấu hiệu nhận
Hematit	Sắt và oxy (Fe₂O₃)	Đỏ gạch, nâu đỏ, có khi xám bóng như kim loại	Vạch lên gạch men để lại bột đỏ nâu, kể cả khi mẫu màu xám
Magnetit	Sắt và oxy (Fe₃O₄)	Đen, nặng, hạt nhỏ như cát đen	Bị nam châm hút mạnh; bột vạch màu đen
Limonit	Sắt, oxy và nước	Vàng nâu, xốp, giống gỉ sắt	Bột vạch vàng nâu

Tên "hematit" bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp nghĩa là "máu", vì bột của nó đỏ như máu. Người tiền sử ở nhiều nơi trên thế giới đã nghiền đất đỏ giàu hematit làm màu vẽ lên vách hang. Magnetit thì là khoáng vật tự nhiên có từ tính mạnh nhất; người xưa phát hiện ra những hòn đá tự hút sắt chính là nhờ nó.

Những mỏ sắt khổng lồ sinh ra nhờ vi khuẩn

Phần lớn quặng sắt mà thế giới đào lên hôm nay nằm trong một loại đá lạ: đá sắt dải, gồm những lớp đỏ sậm và xám bạc xen nhau như bánh nhiều tầng. Các nhà địa chất cho rằng chúng hình thành chủ yếu trong khoảng 2,5 tới 1,8 tỷ năm trước.

Câu chuyện được nhiều người chấp nhận là thế này: biển thời ấy chứa rất nhiều sắt hoà tan, vì khí quyển còn gần như không có oxy. Rồi những sinh vật nhỏ bé biết quang hợp, như vi khuẩn lam, bắt đầu thải oxy. Oxy gặp sắt trong nước thì tạo thành gỉ, lắng xuống đáy biển thành lớp. Hàng trăm triệu năm như thế để lại những vỉa quặng dày hàng trăm mét ở Úc, Brazil, Nam Phi. Chi tiết của quá trình này vẫn còn được tranh luận, nhưng có thể nói thanh thép trong toà nhà ngày nay có một phần "công" của những sinh vật đầu tiên biết thở ra oxy.

Quặng sắt ở Việt Nam

• Mỏ Trại Cau (Thái Nguyên): nguồn quặng gắn liền với Khu Gang thép Thái Nguyên, nơi mẻ gang đầu tiên của lò cao ra lò năm 1963.
• Mỏ Quý Xa (Lào Cai): mỏ lộ thiên lớn ở vùng núi phía Bắc, cung cấp quặng cho nhà máy gang thép trong vùng.
• Mỏ Thạch Khê (Hà Tĩnh): nằm dưới lớp cát ven biển, quặng chủ yếu là magnetit. Đây được đánh giá là một trong những mỏ sắt lớn nhất Đông Nam Á, nhưng vì nằm sát biển, dưới cát và nước ngầm, việc khai thác đã được cân nhắc qua nhiều năm.

Còn rất lâu trước các mỏ hiện đại, người Việt cổ thời văn hoá Đông Sơn, cách nay hơn hai nghìn năm, đã dùng công cụ bằng sắt bên cạnh đồ đồng. Các lò luyện thời ấy nhỏ, nhiệt độ thấp hơn lò cao bây giờ nhiều, cho ra những khối sắt xốp phải rèn đi rèn lại mới dùng được.

Từ hòn đá tới thanh thép: các chặng chính

1. Khai thác: phần lớn mỏ sắt là mỏ lộ thiên, máy xúc đào từng tầng như bậc thang khổng lồ.
2. Nghiền và tuyển: quặng được đập nhỏ, rồi tách bớt đá vô dụng. Với magnetit, người ta dùng nam châm điện lớn hút riêng hạt quặng ra, giống hệt thí nghiệm nam châm với cát đen ở cuối bài.
3. Thiêu kết, vê viên: bột quặng được kết lại thành cục hoặc viên tròn để gió nóng thổi xuyên qua dễ dàng trong lò.
4. Lò cao: quặng, than cốc và đá vôi được đổ từ đỉnh lò. Từ dưới đáy, gió nóng thổi vào. Than cháy tạo khí CO, khí này "giật" oxy ra khỏi quặng. Ở vùng nóng nhất, nhiệt độ vượt 1.500 °C, sắt chảy thành gang lỏng. Đá vôi kéo cát, đất lẫn trong quặng thành xỉ nổi lên trên.
5. Luyện thép: gang chứa khoảng 4% carbon nên giòn. Thổi oxy vào gang lỏng để đốt bớt carbon, còn dưới khoảng 2% (thép xây dựng thường dưới 1%), ta có thép: vừa cứng vừa dẻo, uốn được mà không gãy.
6. Đúc, cán: thép lỏng đúc thành phôi, rồi cán nóng thành thép cuộn, thép thanh có gân, thép tấm.

Lò cao là việc của nhà máy lớn, chạy liên tục nhiều năm không tắt; không ai làm được ở nhà. Cũng vì quặng và than thường phải chở bằng tàu biển, nhiều khu liên hợp gang thép mới của Việt Nam được đặt ở ven biển miền Trung, gần cảng nước sâu.

Con đường thứ hai: thép từ sắt vụn

Không phải thanh thép nào cũng bắt đầu từ quặng. Thép là một trong những vật liệu được tái chế nhiều nhất thế giới tính theo khối lượng. Ô tô cũ, khung nhà dỡ bỏ, lon đồ hộp được gom về, dùng nam châm cẩu tách riêng, rồi nấu chảy trong lò điện hồ quang. Cách này không cần đào quặng, dùng ít than hơn, thải ít khí CO₂ hơn lò cao.

Những người thu mua đồng nát quanh khu bạn ở cũng là một mắt xích của chuỗi này. Họ thường mang theo một cục nam châm nhỏ để thử: hút là sắt thép, không hút là nhôm, đồng, inox loại không từ tính.

Gỉ sắt: thép đang trở về làm đá

Để có sắt, ta tốn rất nhiều năng lượng để tách oxy ra khỏi quặng. Khi để thép ngoài trời ẩm, oxy và nước lại từ từ gắn vào sắt, tạo thành gỉ màu nâu đỏ, rất giống limonit và hematit. Nói cách khác, gỉ là sắt đang quay về dạng ổn định mà nó từng có trong lòng đất.

Vì thế người ta sơn cầu sắt, mạ kẽm tôn lợp mái, trộn thêm crom để làm thép không gỉ. Ở vùng ven biển, gió mang hơi muối khiến gỉ diễn ra nhanh hơn nhiều; đó là lý do lan can, cửa sắt nhà gần biển chóng hỏng.

Thử làm: săn cát sắt bằng nam châm

Bạn cần: một nam châm khá mạnh (nam châm tủ lạnh loại dẹt hoặc nam châm đồ chơi), một túi ni lông có khoá kéo, đĩa giấy trắng, kính lúp. Cát lấy ở hố cát sân trường, bãi biển hoặc bờ sông quen thuộc khi đi cùng người lớn.

1. Cho nam châm vào trong túi ni lông và kéo kín. Túi giúp hạt sắt không bám chặt vào nam châm, dễ gỡ ra sau.
2. Rê túi nam châm chậm rãi trên mặt cát khô, vòng tròn vài lần.
3. Giơ lên đĩa giấy trắng, mở khoá túi và rút nam châm ra. Các hạt bám bên ngoài túi sẽ rơi xuống đĩa.
4. Soi bằng kính lúp: phần lớn là hạt đen bóng; nhiều hạt trong đó là magnetit, đúng loại khoáng vật đang nằm ở mỏ Thạch Khê.
5. So lượng cát sắt ở các nơi khác nhau: cát biển miền Trung, cát sông, cát xây dựng. Ghi lại nơi nào nhiều, nơi nào ít.

Lưu ý: không đưa nam châm lại gần điện thoại, thẻ ngân hàng, đồng hồ; không để em nhỏ ngậm nam châm. Ở bãi biển, chỉ làm ở chỗ cát khô gần bờ, có người lớn đi cùng.

Câu hỏi thường gặp

Quặng sắt là gì?

Quặng sắt là đá chứa nhiều hợp chất sắt tới mức khai thác có lời, thường là hematit, magnetit hoặc limonit. Quặng tốt chứa khoảng một nửa tới hai phần ba khối lượng là sắt. Đất có sắt nhưng ít thì không gọi là quặng.

Vì sao quặng sắt có màu đỏ?

Màu đỏ đến từ hợp chất sắt với oxy, giống hệt chất tạo nên gỉ sắt. Hematit là khoáng vật làm đỏ quặng, đất đỏ và nhiều loại đá. Magnetit lại có màu đen, nên không phải quặng sắt nào cũng đỏ.

Gang và thép khác nhau thế nào?

Gang chứa khoảng 4% carbon, cứng nhưng giòn, đúc được nhưng dễ nứt khi va đập. Thép chứa dưới khoảng 2% carbon, vừa cứng vừa dẻo nên uốn, cán, kéo thành sợi được. Thép làm ra bằng cách thổi oxy vào gang lỏng để đốt bớt carbon.

Việt Nam có mỏ sắt lớn không?

Có. Mỏ Thạch Khê ở Hà Tĩnh được đánh giá là một trong những mỏ sắt lớn nhất Đông Nam Á, nằm dưới lớp cát ven biển. Ngoài ra còn mỏ Trại Cau (Thái Nguyên) và Quý Xa (Lào Cai) gắn với các nhà máy gang thép phía Bắc.

Vì sao nam châm hút được cát đen?

Cát đen ở nhiều bãi biển và bờ sông chứa hạt magnetit, khoáng vật sắt có từ tính tự nhiên mạnh nhất. Nam châm hút những hạt này và bỏ lại hạt thạch anh. Nhà máy tuyển quặng cũng dùng nam châm điện theo đúng nguyên lý ấy.