Регламентированный семинар "Металлургия"

Цели урока:

• Не претендуя на полноту воспроизведения изученного материала научить ребят выделять главное, четко и кратко выражать свои мысли, соблюдая регламент, быстро ориентироваться в обильной массе учебного материала, выявлять необходимое в данный момент.
• Обобщить знания о производстве чугуна, стали, алюминия. Развивать умения слушать, анализировать, делать выводы.

Оборудование: Таблицы, схемы, макеты соответствующих производств, песочные часы (10 мин., 3 мин.), протокол судейства.

Эпиграф к уроку: “Железо ржавеет, не находя себе применения, стоячая вода гниет или на холоде замерзает, а ум человека, не находя себе применения, чахнет”. Леонардо да Винчи.

Подготовка к семинару.

Класс делится на 3 группы. Каждая группа получает задание: подготовить выступления по вопросам, а также изготовить схемы, рисунки, таблицы к выступлению.

Вопросы 1 группы.

1. Что такое металлургия и каково ее значение в народном хозяйстве? Какие способы промышленного получения металлов существуют?
2. Производство чугуна. Устройство и работа доменной печи.
3. Химические реакции, протекающие в доменной печи.
4. Какие общие принципы химических производств соблюдаются в доменном процессе?
5. Краеведческий материал. Вопросы экологии.

Вопросы 2 группы.

1. Чугун – основное сырье для получения стали. Состав стали.
2. Химические реакции, лежащие в основе переработки чугуна в сталь.
3. Мартеновский способ производства стали, его сущность, преимущества и недостатки.
4. Кислородно-конвертерный и электродуговой способы производства стали, их сущность, преимущества и недостатки.
5. Краеведческий материал. Вопросы экологии.

Вопросы 3 группы.

1. История возникновения производства алюминия.
2. Сырье для получения алюминия и его подготовка к электролизу.
3. Электролитическое получение алюминия.
4. Устройство и работа электролизера.
5. Краеведческий материал. Вопросы экологии.

Правила проведения семинара, оценивание групп.

Выступление 1-й группы по предварительно подготовленным вопросам – 8-10 минут. Наивысшая оценка выступления – 5 баллов (выделено самое главное, время не превышено, участвовало наибольшее количество учеников).

После выступления 1-й группы две другие в течение 3-х минут могут задавать первой группе вопросы. За каждый поставленный вопрос задавшая его группа получает 1 балл. Вопрос должен быть обращен конкретно к определенному ученику первой группы. Если ученик ответил на него, то его группа получает

1 балл; если ответил другой ученик в первой группе, то – 0,5 балла. Если никто в первой группе не смог ответить на этот вопрос, то отвечает задававший вопрос ученик и получает 1 балл за ответ. Одному и тому же ученику в группе может быть задано не более двух вопросов. Во время ответов на вопросы группа может взять тайм-аут и посовещаться в течение 30 минут, но тогда ответ оценивается в 0,5 баллов. Таким образом, в течение 3-х минут группы могут зарабатывать себе баллы с помощью заданных вопросов и ответов на них.

Затем выступает 2-я группа, и после ее выступления вопросы задаются уже этой группе двумя другими. Далее – выступление 3-ей группы, и снова вопросы в течение 3-х минут для нее. Каждая группа стремится заработать большее количество баллов и выйти на первое место. Результаты отражаются в Протоколе судейства.

Протокол судейства

В конце урока учитель подводит итоги, подсчитываются баллы, называется лучшая группа, лучшие выступающие, определяются победители, проводится награждение.

* * *

Конечно, выбор содержания материала урока зависит от учителя и учащихся. Приведу примерное содержание данного урока.

 Выступление 1-й группы

• Металлургия – наука о промышленных способах получения металлов.

а) черная металлургия – получение железа и его сплавов;

б) цветная металлургия – получение цветных металлов (легкие – Ti, Al, Mg; тяжелые – Cu, Pb, Zn, St; благородные – Au, Ag, Pt; редкие – W, Md).

• Месторождения полезных ископаемых. Основные понятия: рудные месторождения, горнодобывающая промышленность, металлическая руда, пустая порода, богатые руды, бедные руды, обогащение бедных руд.
• Способы промышленного получения металлов зависят от:

а) распространения металла в природе;

б) химической активности металла;

в) потребности в металле и необходимой степени его чистоты;

K, Ca, Na, Mg – получают при электролизе расплавленной или растворенной руды;

Al, Ti, Cr, Zn, Fe – получают при помощи химического восстановления в печи;

Cu, Ag – получают при термическом разложении.

Основные способы получения металлов: восстановление типичными восстановителями (каменноугольный кокс, CO, CH₄ , H₂), алюминотермия, металлотермия, электролиз.

• Потребность в металлах.

Наиболее широкое применение имеют железо и алюминий – они являются двумя важными промышленными металлами.

Производство железа дешевле. Оно может быть переплавлено в различные типы сталей, обладающих самыми разнообразными свойствами.

Алюминий легче, но прочнее (имеет высокое отношение прочности к весу), причем от коррозии его предохраняет собственный оксидный слой, однако производство его обходится дороже. Он так же хорошо проводит электрический ток.

• Химическое восстановление: принципы.

Очень важна стоимость восстановителя. Наиболее дешевым является углерод (кокс). Если восстановителем является другой, химически более активный металл, необходимо учитывать, сколько в этом случае будет стоить экстракция.

Всегда дешевле использовать непрерывный процесс, чем процесс с дозированной загрузкой реагентов (которые расходуются до конца). Однако требования к качеству металла могут значительно превышать возможности экономичного непрерывного производства.

Металл может быть загрязнен восстановителем, и потребуется дальнейшая очистка, например железо, переплавляют в сталь.

• Электролитическое восстановление: принципы.

Все руды являются тугоплавкими твердыми ионными соединениями. Для того, чтобы понизить температуру плавления, к ним добавляют примеси, например, добавление криолита понижает температуру плавления боксита с 2045 до 950 ⁰С.

Количество металла, выделяющегося на катоде, зависит от силы протекающего тока, поэтому большинство электролитических ячеек работает при очень больших значениях силы тока.

Продуктами являются очень активные металлы и неметаллы, поэтому ячейки оборудованы специальными устройствами для их выведения.

Процесс является дорогим, поскольку для нагрева ячейки и восстановления руды необходимо большое количество электрической энергии.

• Получение железа: доменная печь.

Загрузку доменной печи компонентами производят через ее верхнюю часть. Загрузка содержит: железную руду – источник железа; кокс – топливо и восстанавливающий агент; известняк – для образования шлака, растворяющего примеси, имеющие высокую температуру плавления. Предварительно нагретый воздух вдувается в нижнюю часть печи.

Основными реакциями являются:

1) горение кокса С + О₂ —> СО₂

2) избыток кокса восстанавливает оксид углерода (IV) в оксид углерода (11).

С + СО₂ —> 2СО

3) оксид углерода (11), поднимаясь внутрь печи, восстанавливает железную руду, падающую вниз Fe₂O₃ + 3CO —> 2Fe + 3CO₂

4) не прореагировавшая железная руда восстанавливается еще не прореагировавшим коксом 2Fe₂O₃ +3C —> 4Fe + 3CO₂

5) известняк разлагается CaCO₃ —> CaO + CO₂

6) оксид кальция вступает в реакцию с примесями, имеющими высокую температуру плавления, образуя шлак, который также предохраняет расплавленное железо от раскаленного воздуха, продувающего печь СаО + SiO₂ —> CaSiO_3.

Неочищенное железо (чугун) из доменной печи содержит следующие примеси: углерод (из кокса), азот (из воздушного дутья), кремний (из песчаных примесей, присутствующих в руде). Эти примеси делают железо очень хрупким, поэтому их необходимо удалить. Это происходит в конвертере при превращении чугуна в сталь.

Выступление 2-й группы.

• Чугун содержит до 4,5% углерода, до 2,5% фосфора, до 0,8% серы. На переработку в сталь идет белый или передельный чугун (на изломе светло-серый цвет). Углерод в белом чугуне в виде карбида Fe₃C. Серый или линейный чугун (углерод в виде графита) идет на изготовление отливок крупных деталей машин, моховиков, плит, не подвергающихся ударам.
• Сталь содержит углерод не более 2,5%. Сталь с наибольшим содержанием углерода (2,5%) называют твердой, сталь с содержанием углерода 0,03% - мягкая и ковкая.

Технологические примеси стали:

• Полезные – Mn (от 0,3 до 0,9%), Si(от 0,2 до 0,5%). После переделки чугуна в сталь их специально добавляют. Марганец уменьшает красноломкость, кремний предотвращает образование пористости в отливках (пузырьки СО). Полезными примесями также являются Cr, Ni, W, Md, Wd, Ti, Al (нержавеющая, хромоникелевая, инструментальная сталь).
• Вредные – S, P, As, Sb, Sn, Zn, Pb, O, N, H – они реагируют с легирующими добавками, образуя хрупкие соединения (оксиды, сульфиды нитриды), S, FeS – увеличивают красноломкость, Р, Р₂О₅ – увеличивают хладноломкость. Вредные примеси удаляют при добавлении флюсов. Н, О, N устраняют из жидкой стали с помощью вакуумирования, продувки аргоном.
• Большинство реакций – окислительно-восстановительные.

1-я группа реакций (нежелательные).

Окисление железа.

2Fe + O₂ —> 2FeO + Q

Fe₃O₄ или Fe₂O₃ —> лом.

Fe + Fe₃O₄ —> 4FeO

2-я группа реакций.

Окисление примесей.

Si + 2FeO —> SiO₂ + 2Fe

Mn + FeO —> MnO + Fe

2P + 5FeO —> 5Fe + P₂O₅

C + FeO —> Fe + CO₂ – эффект кипения, перемешивание, очистка от шлака, пузырьков N₂ и Н₂.

3-я группа реакций.

Устранение соединений серы и фосфора негашеной известью.

3СаО + Р₂О₅ —> Са₃(РО₄)₂

СаО + FeS —> CaS + FeO

Удаление FeO – раскисление стали. Раскислители – сплавы Fe с Mn или Si, Al.

4-я группа реакций.

Восстановление FeO до Fe.

FeO + Mn —> MnO + Fe

MnO + SiO₂ —> MnSiO₃ —> шлак.

В зависимости от требований, предъявляемых к стали, различны и способы выплавки стали.

1). Кислородно-конвертерный способ.

Сырье – жидкий чугун. Процесс быстрый, себестоимость стали низкая. Кислородное дутье сокращает время плавки до 20 минут. Недостатки процесса – периодичность, невысокое качество стали.

2). Мартеновский способ.

Сырье – твердый чугун, металлолом, железная руда. Топливо – газ. С 1972 года мартеновские печи не строят – громоздки, работа с перерывами (даже в период выпуска стали жгут топливо). Высококачественную легированную сталь получить нельзя, так как атмосфера печи и шлаки – окислители.

3). Электродуговой способ.

Графитовые Электроды, дуга 3000–4000^oС. Атмосфера восстановительная, так как сгорание электродов приводит к образованию СО. Но получить сталь с содержанием углерода менее 0,1% нельзя, так как электроды сгорают и увеличивают содержание углерода в стали.

Сходство всех трех способов – периодичность. Отличия – сырье, источник тепла, время плавки, качество выплавленной стали.

Выступление 3-й группы.

В древности алюминиевые украшения были дороже золотых, так как самородного алюминия не было, а получать его было очень трудно. Несмотря на дороговизну, ценные свойства алюминия повлекли за собой его использование не только в виде украшений.

Впервые в 1825 году датский ученый Эрстед получил алюминий электролизом глинозема. Большие затраты электроэнергии, дороговизна производства тормозили широкое развитие алюминиевого производства. В конце IX века найдены дешевые источники электроэнергии – и производство алюминия резко возрастает. На рубеже IX- XX веков автопромышленность, машиностроение, авиация уже не могут обойтись без алюминия. В нашей стране алюминий впервые получен в 1929 году, а с 1932 года налажено его крупномасштабное производство.

Для электролитического получения алюминия необходимы: боксит, криолит, гидроксид натрия, углерод из сырой нефти. Боксит – Al₂O₃ 3H₂O, горная порода, похожая на глину, источник алюминия; основная часть боксита – оксид алюминия (30-60%), связанный с водой; в качестве вредных примесей боксит содержит кремнезем (SiO₂), оксиды железа и титана (Fe₂O₃ TiO₂). Криолит – Na₃AlF₆ используется для понижения температуры плавления очищенного оксида алюминия. Гидроксид натрия используется для очистки боксита; углерод – для приготовления анодов.

Боксит дробят, перемалывают (в шаровых мельницах), обрабатывают раствором щелочи. Оксид алюминия растворяется, поскольку он амфотерный, и может быть отфильтрован от примесей (Fe₂O₃, SiO₂, TiO₂), которые остаются в осадке. Раствор алюмината затравливают чистым оксидом алюминия, а затем при температуре 1200 ⁰С (в барабанных вращающихся печах) разлагают на оксид и воду. Чистый оксид отфильтровывается, а гидроксид натрия возвращается в производственный цикл.

Аl₂O₃ — тугоплавкое и неэлектропроводное вещество (температура плавления 2050 ⁰С), поэтому электролиз проводят в присутствии добавок, снижающих температуру плавления и повышающих электрическую проводимость. Аl₂O₃ высушивается и смешивается с криолитом. Это понижает температуру плавления до 950 ⁰С. Оксид растворяется (состав шихты: 8-10% Аl₂O₃ и 90-92% Na₃AlF₆) и подвергается электролизу в покрытой графитом ванне, играющей роль катода. Расплавленная шихта имеет плотность 2,35г/см², а образовавшийся из неё алюминий 2,73г/см², поэтому алюминий, выделяясь на катоде, опускается на дно ванны, откуда выпускается наружу через некоторые промежутки времени. Ионы кислорода окисляются на углеродных (графитовых) анодах, погруженных в расплав. Образующийся газообразный кислород вступает в реакцию с горячими анодами, и в результате получается двуокись углерода. В каждой ячейке расположено несколько анодов, и по мере выгорания они поочерёдно заменяются. Кроме того, необходимо постоянно очищать анодные газы, в которых содержится пыль криолита, оксида алюминия, газы СО₂, СО и НF.

• Реакция на катоде: Аl³⁺ + 3e —> Al⁰
• Реакции на аноде: 2О^2- —> О₂ + 4е, затем О₂ + С – СО₂

Рассказ о Волгоградском алюминиевом заводе.

На заключительном этапе урока, после обсуждения всех вопросов по усмотрению учителя можно провести графический диктант.

ЗАДАНИЕ. Если вы не согласны с утверждением, поставьте знак ^ на отрезке с номером соответствующего утверждения.

1). Сталь – это сплав железа с углеродом, фосфором, серой, марганцем, кремнием, причем углерода в стали содержится от 2,5% до 4,5%.

2). Чугун бывает белый или передельный и серый или литейный.

3). Мn – является вредной технологической примесью стали, увеличивающей её красноломкость.

4). Р – является полезной технологической примесью стали.

5). Конечный продукт доменного производства – жидкий чугун.

6). Главным восстановителем в доменной печи является оксид углерода (IV).

7). В доменной печи получают химически чистое железо.

8). В состав шихты доменной печи входят: железная руда, кокс, флюсы.

9). Распар – это верхняя часть доменной печи.

10). Химические реакции, лежащие в основе переработки чугуна в сталь в основном являются реакциями окисления и устранения примесей.

11). Удаление FeO из стали с помощью сплавов Fe c Mn, Si и Аl называется раскислением стали.

12). Конечный продукт, получаемый в мартеновской печи – жидкий чугун.

13). Сталь в нашей стране получают тремя способами: с помощью конвертеров, доменных печей и электродуговых печей.

14). Преимущество кислородно-конвертерного способа производства стали в том, что процесс быстрый, кислородное дутье сокращает время плавки до 20 минут, себестоимость стали низкая.

15). Недостаток мартеновского способа производства стали в том, что мартены работают только на жидком раскаленном чугуне.

16). Сырьем для производства Аl является боксит.

17). Шихта, загружаемая в электролизер, состоит из гидроксида алюминия 8-10% и криолита 92-90%.

18). Электролитическое восстановление Аl происходит на аноде.

19). В электролизер опущены два электрода, один подключён к положительному, другой к отрицательному источнику тока.

20). Силумин – это сплав алюминия с кремнием.

Ответы к графическому диктанту: