Разработка комбинированного урока "Черная металлургия"

Учитель географии

I. Значение отрасли

Сегодня на уроке вы познакомитесь с наиболее важной отраслью производства – “Черной металлургией”. Получение металлов тесным образом связано с химией. Слово “химия” восходит к древнеегипетскому “хюмейа”, что означает искусство выплавлять металлы.

До 90 % металлов, применяемых в современном производстве, это черные металлы (железо и его сплавы). Сплавы железа – важнейший конструкционный материал. Основной их потребитель – машиностроение (демонстрация модели машины). Россия занимает четвёртое место в мире по выплавке черных металлов после США, Японии и Китая.

Почему же в станах такое внимание уделяется производству металлов?

Что же включает в себя данное производство?

(Работа с картой и атласом. На магнитной доске появляются карточки с изображением условных знаков “железная руда” и “каменный уголь”)

Первая ступень металлургического производства – это добыча сырья. Какое сырье необходимо?

Где же сосредоточены месторождения каменного угля?

Каково положение с железной рудой?

(Курская магнитная аномалия, Горная Шория, Приангарское, Качканарское, Костамукшское)

Учитель химии

Мощные залежи железных руд образованы оксидами железа. Промышленное значение имеют железные руды: бурый железняк Fe₂O₃ nH₂O, красный железняк Fe₂O₃ и магнитный железняк Fe₃O₄. Железная руда содержит, пустую породу – главным образом кислородные соединения кремния и алюминия. (Демонстрация куска руды)

Посмотрим на диаграмму, в которой указано содержание оксида железа в руде.

(Показ слайда “Содержание железа в рудах”)

У вас на столе находятся образцы руд и вы с помощью компаса определите, где у вас магнитный железняк (стрелка сильно отклоняется), красный железняк (стрелка незначительно отклоняется) и бурый (стрелка не отклоняется, т.к. не обладает магнитными свойствами). (Практическая работа)

Вторым неменее важным компонентом является уголь. Однако, он также содержит примеси табл.1

Таблица 1. Состав каменного угля

Составная часть

Массовая доля, %

Углерод

66

Водород

4

Кислород и азот

10

Вода

3-8

Зола

4-6

Сера

2-3

Выгодно ли использовать в производстве вещества с примесями?

На горнообогатительных фабриках руду измельчают и с помощью электромагнита отделяют от пустой породы.

Уголь подвергают коксованию – нагреванию до 1000 ⁰С без доступа воздуха в течение 14 ч. Полученный кокс содержит до 98 % углерода.

Что мы с вами сделали с сырьем?

Процесс удаления примесей называется обогащением.

Для начала производства необходим ещё один компонент – известняк

Известняк способствует снижению температуры плавления и удалению оставшихся примесей в виде шлака.

Исходное сырье в металлургии называют шихтой. В состав шихты входит руда, кокс и известняк (флюс).

Производство чугуна осуществляется в доменных печах.

(Слайд “Доменная печь”)

Печь представляет собой усеченный конус высотой более 30 м и диаметром 10 м. Внутри печь выложена огнеупорным кирпичом, а снаружи облицована стальными листами.

Получение чугуна сводится к восстановлению железа из оксидов железа и переводу пустой породы в шлак.

Восстановление оксидов железа в доменной печи происходит по стадии: Fe₂O₃ -> Fe₃O₄ -> FeO -> Fe.

Сверху в доменную печь загружают руду, кокс и известняк. Снизу подается воздух, обогащенный кислородом. В нижней части печи горит кокс. Шихта постепенно опускается вниз, а навстречу движутся нагретые газы. Тем самым осуществляется принцип теплообмена и противотока реагентов.

Рассмотрим химизм процесса, протекающего в доменной печи. Запишем уравнения реакций.

1. C+O₂ = CO₂ + Q

При горении кокса развивается высокая температура (1700⁰С).

Проходя через раскалённый кокс, CO₂ восстанавливается до СО.

2. С+CO₂ -> 2CO
3. 3Fe₂O₃ + CO -> 2Fe₃O₄ + CO₂
4. Fe₃O₄ +CO -> 3FeO + CO₂
5. FeO + CO -> Fe + CO₂

Образовавшийся оксид углерода (II) восстанавливает при высокой температуре (700 ⁰С ) оксиды железа.

Железо частично реагирует с углеродом с образованием карбида железа Fe₃С, которое растворяется в расплавленном железе.

3Fe + C = Fe₃С

Также жидкое железо способно растворять в себе до 4 % углерода и другие примеси. Таким образом, чугун – это сплав железа с углеродом, карбидом железа , так же S, P, Si. Примеси ухудшают качество чугуна. Чугун выпускают из печи несколько раз в сутки. Он выливается огненным потоком при температуре 1500 ⁰С.

Для перевода пустой породы в шлак применяется известняк CaCO₃. При высокой температуре карбонат кальция разлагается:

CaCO₃= CaO+CO₂

Образовавшийся основной оксид кальция взаимодействует с кислотными оксидами пустой породы:

CaO + SiO₂= CaSiO₃

CaO + Al₂O₃ =Ca(AlO₂)₂

Образуется жидкий шлак – смесь силикатов и алюминатов кальция. Шлак, как более лёгкий, всплывает над чугуном. Тем самым предохраняет железо от окисления. Жидкий шлак выпускается в нижней части печи. Доменный шлак в основном используют в строительстве.

В верхней части печи удаляется доменный газ. Он содержит СО. Поэтому его применяют в качестве топлива в воздухонагревателях. Доменный процесс стремятся проводить при возможно высокой температуре. Для интенсификации процессов сгорания кокса и поддержания высокой температуры в доменную печь вдувают подогретый воздух, обогащённый кислородом.

Доменная печь работает непрерывно при высокой температуре. Поддержание высокой температуры достигается тем, что все реакции идут с выделением тепла. Таким образом соблюдается принцип теплообмена.

Большинство реакций протекающих в печи являются гетерогенными. Для ускорения процесса перед загрузкой компонены шихты дробят и отбирают куски определённых размеров.

Итак, мы, получили чугун.

(Демонстрация образца чугуна)

(К магнитной доске прикрепляется карточка “Выплавка чугуна”)

По применению чугун делится на три группы: 1) литейный; 2) специальный; и 3) передельный. Именно из предельного чугуна и выплавляют сталь. Сущность предела чугуна в сталь сводится к удалению избыточного углерода и вредных примесей (кремния, фосфора и серы) путем их окисления (выжигания). Использование известняка достигается уменьшение содержания кремния фосфора и серы.

Существет несколько способов переработки чугуна в сталь: кислородно - конвертерный и электродуговой.

Конвертор имеет грушевидную форму, его ёмкость достигает 400 т. Изготовлен из стальных листов и выложен изнутри огнеупорным кирпичом. Конвертор загружают в наклонном положении. Для конвертирования чугуна конвертор возвращают в вертикальное положение.

В конвертор загружают жидкий чугун, добавляют металлический лом и известняк. При продувании кислорода в расплавленном чугуне происходит окисление вредных примесей – углерода, фосфора, и кремния.

1. 2С+ О₂=СО₂
2. 4Р+5О₂ =2Р₂О₅
3. Si + О₂=SiО₂

За счёт теплоты реакций поддерживается высокая температура, что способствует ускорению процесса передела чугуна в сталь. При конвертировании чугуна углерод выгорает. Кислотные оксиды фосфора и кремния с оксидом кальция (образующегося при разложении известняка) превращаются в фосфаты и силикаты кальция. Они отделяются от стали в виде жидкого шлака. В шлак переводится также сера в виде сульфида кальция. После окончания процесса конвертирования конвертор наклоняют и выпускают шлак, а затем сталь.

(К магнитной доске прикрепляется карточка “Производство стали”)

Передел чугуна в сталь осуществляется также в электропечах при температуре 2000 ⁰С и выше. Это способствует более полному удалению фосфора и серы за счет связывания их в шлак. В электропечах выплавляют легированные стали и ферросплавы.

Разработан новый метод получения железа природным газом, при этом образуется губчатое железо, из которого впоследствии получают сталь.

4Fe₂O₃+3CH₄= 8Fe +6H₂O+3CO₂

Учитель географии

Ферросплавы – это сплавы железа с заданными свойствами.

Какова цель производства ферросплавов?

Ферросплавы широко используются. Феррониклель используется в качестве конструкционного материала при изготовлении электроламп

Завершающая стадия металлургического процесса – производство проката.( Учебник географии стр. 145)

(К магнитной доске прикрепляется карточка “Производство проката”, работа с учебником географии)

Учитель химии

В ходе производства металла осуществляется переработка отходов и их утилизация. Отходящие газы металлургического предприятия с большим содержанием SO₂ используют для получения серной кислоты. При меньшем содержании оксида серы (IV) его утилизируют, проводя химическую реакцию с известняком в присутствии кислорода воздуха:

CaCO₃ +2SO₂ +O₂ = 2CaSO₄ + 2CO₂

Продукт реакции используют в строительной промышленности. Шлаки из доменной печи и летучие продукты коксования каменного угля используют в производстве удобрений. Применяются шлаковые воды, содержащие растворенные соединения серы находят применение для лечения. Шлаковые водолечебницы действуют на крупных металлургических заводах.

Для того, чтобы всё это работало, необходима электроэнергия.

Посмотрите, на одной территории размещаются предприятия, относящиеся к различным, отраслям производства. Такая форма организации производства называется комбинирование.

Какова цель такой формы организации производства?

(Безотходное производство)

Учитель географии

В современном производстве металла используется огромное количество воды. Наличие большого количества сточных вод – является показателем несовершенства применяемых технологий. На предприятиях стремятся к замкнутому циклу водопотребления и к бессточному производству, что с экологической точки зрения является очень важным. Таким образом, создаются замкнутые территориально-производственные циклы безотходной технологии в пределах всего комплекса.

Где в России, в каких городах находятся крупнейшие металлургические комбинаты?

Проанализируя карту, мы должны ответить на вопрос: “Сколько баз черной металлургии в России? Используя материал урока составьте характеристику каждой базы.

Д/З химия стр. 31-32, п.9 №5, география п. 25-26