Цель урока: формирование знаний о значении, составе и географии черной металлургии.
Задачи: дать представление о технологии производства чугуна и стали, сформировать умения решать технико-экономические задания по размещению металлургических предприятий разного типа; развивать пространственное и логическое мышление; воспитывать чувство хозяина своей земли.
Тип урока: изучение нового материала.
Методы: наглядные, практические.
Оборудование: учебник географии, учебник химии, контурные карты, атлас, настенная карта «Полезные ископаемые России» и «Черная металлургия», коллекция «Металлы и их сплавы», интерактивная доска (или экран для демонстрации презентации – Приложение).
Оформление доски: дата, название темы урока.
План урока:
- Организационный момент. (2 мин)
- Новые знания. (25 мин)
- Воспроизведение информации и упражнение в ее применении. (15 мин)
- Подведение итогов урока. (2 мин)
- Домашнее задание. (1 мин)
Ход урока
I. Организационный момент.
Постановка темы и целей урока. (Слайд 1)
II. Новые знания.
Учитель географии. (Слайд 2) Сегодня вы познакомитесь с одной из старейших отраслей мировой и российской промышленности – черной металлургией (Слайд 3). Без ее продукции – чугуна и стали – невозможно изготовить плуг или трактор, станок или локомотив, сеялку или автомобиль. Особенно велико значение стали, из этого конструкционного материала производят самые разные виды промышленной продукции. Давайте попробуем на минуту представить себе, что из нашего современного мира исчезла сталь. Разрушились бы заводы и трубопроводы, бытовая и сельскохозяйственная техника. Сталь можно сравнить с кальцием в организма человека, без кальция невозможна жизнь человека, без стали – промышленности.
Производство металлов – сложный процесс. Так, черная металлургии охватывает добычу и обогащение железной руды, спекание ее в агломерат, производство кокса, огнеупоров и других вспомогательных материалов, выплавку чугуна, стали, производство проката и изделий дальнейшего передела.
Черная металлургия чрезвычайно материалоемкая отрасль: для производства 1 т стали необходимо израсходовать около 7 т сырья, в первую очередь руды черных металлов и кокса. Поэтому на первом этапе ее формирования и развития наибольшее значение имели месторождения железной и марганцевой руд, коксующихся углей, высококачественных известняков, формовочных песков и огнеупоров, а также наличие потребителя и квалифицированных трудовых ресурсов.
Транспортный фактор в наибольшей степени влияет на размещение предприятий по производству железорудного сырья и топлива (кокса). В последние годы возрастает значение экологического фактора. На долю предприятий черной металлургии приходится до четверти всего объема выбросов пыли и окиси углерода, более половины окислов серы. Существенно загрязнение поверхностных вод, ведь отрасль является крупнейшим потребителем воды в промышленности (для производства одной тонны чугуна используется до 20 тонн воды).
Проблемой черной металлургии России является удаленность ряда сырьевых баз от потребителя. Так, значительная часть топливно-энергетических и рудных ресурсов сосредоточена в восточных районах страны, тогда как крупнейшие потребители находятся в европейской части России. Нередко обогащенную железную руду и коксующийся уголь приходится везти за многие сотни километров от мест их добычи.
(Слайд 4) Самое важное сырье для черной металлургии – железная руда. Ее главные минералы: магнетит, гематит, гетит, мартит. Различают богатые руды (с содержанием железа более 50 %), рядовые (содержат 50-25 %) и бедные (до 25 % железа). Вспомните, где расположены крупные месторождения железной руды (Курская магнитная аномалия, Горная Шория, Кольский полуостров, Алданский щит, Ангаро-Питский район).
Учитель показывает месторождения на настенной карте.
Учитель химии. После добычи железную руду измельчают и обогащают – отделяют от пустой породы. Затем обогащенную руду обжигают в присутствии коксовой пыли, то есть подвергают агломерации. В ходе этого процесса из руды удаляется часть вредных примесей, происходит частичное восстановление железа. Затем спекшийся агломерат дробят на куски.
Другой важный компонент металлургического производства -кокс, он используется при выплавке чугуна как топливо и восстановитель железа. Кокс производят из коксующихся углей путем нагрева до 1000°С без доступа воздуха. При этом из угля удаляются органические и неорганические соединения. Полученное топливо содержит до 98% углерода.
Учитель географии. (Слайд 5). Каменный уголь – твердое горючее, полезное ископаемое растительного происхождения. Это переходная форма от бурых углей к антрацитам. По выходу летучих веществ и спекаемости каменный уголь подразделяется на ряд марок, среди них выделяются следующие: длиннопламенные (Д), газовые (Г), жирные (Ж), коксо-жирные (КЖ), коксовые (К), отощенно-спекающиеся (ОС). Марки от Г до ОС используются как коксохимическое сырье.
Вспомните, где расположены крупные месторождения каменного угля (восточная часть Донбасса, Воркутинский, Кузнецкий и Южно-Якутский бассейны).
Учитель показывает месторождения на настенной карте.
Производство кокса довольно дорогое, затраты на него составляют до половины стоимости сырья. Поэтому важнейшая задача в повышении эффективности производства чугуна и стали – экономия этого топлива.
Первое основное звено черной металлургии предполагает производство чугуна восстановительной плавкой в доменных печах. Предприятия, которые имеют в своем производственном цикле это звено, обычно располагаются вблизи сырья. Значительную роль в их размещении играет и транспортный фактор. Это связано с экономией затрат в процессе перевозки полуфабрикатов, топлива и готовой продукции.
Учитеь химии. (Слайд 6) Чугун – это сплав железа с углеродом, содержащим примеси кремния, серы, фосфора, марганца. Это твердый и хрупкий металл, который при затвердении не сжимается, а расширяется.
Чугун получают в результате доменного процесса. Исходным сырьем служит шихта – это специально подготовленные железорудный агломерат, кокс и флюсы, которые необходимы для образования шлаков (как правило, используется известняк). Сущность доменного процесса заключается в ступенчатом восстановлении железа, удалении вредных примесей с помощью флюсов и насыщении железа углеродом.
Выплавки чугуна производится в огромных доменных печах высотой с десятиэтажный дом. Их сначала загружают коксом, а затем послойно спеченной с флюсом железной рудой. Горение поддерживается вдуванием подогретого воздуха или кислорода.
Сначала горит кокс с образованием оксида углерода (IV): С + О2 = СO2.
Образовавшееся вещество проходит через раскаленный кокс (температура до 1700°С) и восстанавливается до оксида углерода (II): СO2 + С = 2СО.
В условиях высокой температуры оксид углерода (II) восстанавливает железо. Этот процесс происходит главным образом в верхней части домны. Его можно выразить следующим суммарным уравнением: Fе2О3 + 3СО = 2Fе + 3СO2.
Таким образом, образуется металлическое железо в твердом состоянии. Постепенно железо опускается в более горячую часть печи – распар, при этом оно растворяет углерод и другие элементы, образуя чугун.
(Слайд 7) Большую часть пустой породы составляет диоксид кремния – SiO2. Это – тугоплавкое вещество, для его превращения в более легкоплавкие соединения к руде добавляется флюс. Обычно в качестве флюса используют известняк – СаСОз, который под воздействием высокой температуры разлагается: СаСО3=СаСО + СO2.
При взаимодействии образовавшегося оксида кальция (СаСО) с SiO2 образуется СаSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.
Чугун плавится и постепенно стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на его поверхности, защищая чугун от окисления (шлаки более легкие). Эти продукты плавки периодически выпускаются через отверстия (летки) в нижней части доменной печи.
Раньше шлак был отходом, в настоящее время он используется для производства строительных материалов, например гравия или шлакобетона.
Учитель географии. Доменная печь работает непрерывно в течение нескольких лет. Для поддержания процесса, по мере того как верхние слои шихты опускаются, в нее добавляют новые. Через несколько лет работы печь требует капитального ремонта. Объем наиболее крупной в России доменной печи превышает 5500 м3.
Различают белый и литейный чугун. Литейный составляет примерно десятую часть всего объема получаемого сплава. Он применяется для изготовления фасонного литья – станин, плит. Основная масса чугуна – это белые или передельные сорта, они используются в качестве сырья при выплавке стали.
Учитель химии. Сталь – это железо с содержанием углерода до 2% и возможным наличием легирующих добавок. По сравнению с чугуном в стали содержится меньше углерода, кремния, серы, фосфора. Для получения данного металла необходимо снизить концентрацию этих веществ путем окислительной планки. при этом происходят сложные процессы.
Учитель географии. (Слайд 8) В современной металлургической промышленности сталь выплавляют в основном в трех агрегатах: в мартеновских печах, конвертерах и электрических печах. При мартеновском способе производства стали источником тепла служит газ, сжигаемый в печи в присутствии обогащенного кислородом воздуха. Большинство мартеновских печей отапливают смесью доменного, коксовального и генераторного газов, используют и природный газ. Российские ученые первыми широко применили природный газ для доменной плавки.
Учитель химии. Сырьем для получения стали является чугун и стальной скрап (измельченный металлолом); железная руда служит окислителем. В качестве легирующих добавок используются различные элементы, изменяющие свойства стали (медь, никель, вольфрам, алюминий, хром, кобальт, титан). Хотя мартеновским методом можно переделывать чугун в сталь, а затем получать высоколегированные стали, он является технологически устаревшим и малоэффективным. Строительство печей требует больших капиталовложений, при плавке тратится большое количество топлива, а производительность значительно ниже, чем при кислородно-конвертерном методе.
Учитель географии. Российские комбинаты избавляются от высокозатратного мартеновского производства. По оценкам экспертов известно, что не менее половины металлургических предприятий провели модернизацию своего производства. На нескольких ведущих комбинатах реализуются масштабные программы технического перевооружения. Так, крупнейший в стране Магнитогорский комбинат (знаменитая «Магнитка») избавился от своего мартеновского производств, на предприятии установлен ряд новых конвертеров (показывает на настенной карте, школьники подписывают объект на контурной карте). Сегодня комбинат занимает 18-е место среди крупнейших металлургических комбинатов мира.
Если говорить об отрасли в целом, то современный метод кислородно-конвертерного производства стали составляет более 60% общего объема, а производство проката методом непрерывного литья превышает 52%. В 2007 г. в России было произведено 72,4 млн т стали, в том числе кислородно-конвертерным методом – 41,2 млн т. Около половины производимой в стране стали идет на экспорт (Россия занимает второе место в мире по продаже этого металла на мировом рынке).
Учитель химии. (Слайд 9) Кислородно-конвертерный метод передела чугуна в сталь является более прогрессивным. В нем используется кислородный конвертер, который имеет кувшино-видную форму и способен наклоняться с помощью поворотного механизма. Конвертер имеет горловину, через которую загружают шихту и опускают приспособление для вдувания кислорода, а также летку для выпуска стали и шлака.
Перед началом процесса конвертер наклоняют, заливают расплавленный чугун, засыпают скрап и флюсы. Затем его переводят в вертикальное положение и начинают вдувать кислород. Достигая температуры плавления, железо чугуна реагирует с кислородом, образуя оксид железа с выделением большого количества тепла: Fе+О2 = 2FеО.
Образовавшийся оксид железа растворяемся и шихте и реагирует с избытком углерода и других примесей:
FeО + С = Fe + СО;
2FеO + Si = 2Fе + SiO2;
FеО + Мn = Fе + МnО;
5FеО + 2Р = 5Fе + Р2О5.
Образовавшиеся оксиды взаимодействуют с флюсами и образую шлаки. Затем подачу кислорода прекращают и проводят раскисление. Его цель – удалить образовавшийся избыток FеО, которым ухудшает качество стали. Раскисление проводят, добавляя ферромарганец, ванадий, титан, которые реагируют с FеО: FеO + Мn = Fе + МnО.
Без традиционных печей работают электрометаллургические заводы. Они используют электрические печи двух типов: дуговые и индукционные (высокочастотные).
Более широкое применение получили дуговые печи. В них можно создавать очень высокие температуры, расплавлять металл с высокой концентрацией тугоплавких компонентов, хорошо очищать сталь от примесей. Данным методом можно производить любые виды жаростойкой и легированной стали, за исключением низкоуглеродистой.
Сырьем служит стальной скрап и передельный чугун, а окислителем является железная руда. К недостатку метода относятся большие затраты на электроэнергию при разогреве и расплавлении шихты.
Учитель географии. (Слайд 10) На производство электростали приходится примерно пятая часть общего промышленного выпуска металла в России. Одно из крупнейших предприятий – Оскольский комбинат, он находится в городе Старый Оскол Белгородской области (показывает на настенной карте, школьники подписывают объект на контурной карте).
Обратите внимание, это предприятие расположено вблизи потребителя (крупных машиностроительных центров) и источника железорудного сырья – Курской магнитной аномалии. В ближайшие годы количество стали, произведенной на электродуговых печах, будет расти. В связи с этим все большим спросом будут пользоваться металлические отходы (скрап).
В современных условиях на размещение отрасли все большее влияние оказывают научно-технический прогресс и потребитель. Воздействие этих факторов проявляется при выборе районов строительства новых металлургических предприятий, в том числе не имеющих полного цикла производства. Поэтому в настоящее время больше внимания уделяется развитию «малой металлургии» и созданию мини-заводов. Качество металла здесь значительно выше, а его стоимость ниже. Одна тонна проката, выплавленная из металлолома, в пять раз дешевле, чем одна тонна продукции, полученной из руды, а отрицательное влияние на природу значительно меньше, чем у заводов-гигантов.
Однако наибольшие объемы продукции получают на металлургических комбинатах полного цикла. Они дают весь необходимый чугун и основную часть стали. Эти индустриальные гиганты имеют свои недостатки. Так, их сложно обеспечить сырьем, топливом, водой, трудовыми ресурсами (на одном крупном комбинате насчитывается от 10 до 40 тыс. рабочих). В целом существуют три основных варианта размещения предприятий полного цикла: тяготеющие к источникам сырья – Урал, Центр, к источникам топлива – Кузбасс и находящийся между ними – Череповец (учитель показывает на настенной карте, школьники подписывают объект на контурной карте).
Для реконструкции металлургических комбинатов необходимы значительные финансовые средства и продолжительное время. Так, Магнитогорский металлургический комбинат приступил к реализации самого крупного инвестиционного проекта в своей истории – строительству стана «5000». Он будет выпускать высокорентабельный толстолистовой прокат высокой прочности для нефтегазовой отрасли, судо-, мосто- и машиностроения. Общая стоимость реализации проект превысит 1 млрд долларов.
Кроме выплавки металла, в составе крупных предприятий создаются производства по переработке вторичных ресурсов. Это позволяет производить аммиак, строительные материалы, удобрения. Наиболее распространенными спутниками металлургических предприятий являются: теплоэлектроэнергетика, тяжелое машиностроение (металлургическое и горное оборудование, тяжелое станкостроение), производство металлоконструкций
III. Воспроизведение информации и упражнение в ее применении.
Варианты заданий.
1. Школьники работают с учебником и картами атласа. (Слайд 11) Их задача – коротко охарактеризовать основные металлургические районы по плану: название, каменноугольный бассейн (бассейны), обеспечивающий район коксующимся углем, месторождения железной руды, крупнейшие центры. Задание делится на три варианта – каждому соответствует один район. (Слайд 12)
Уральский – Кузбасс, Кизел (Пермская область) – Кушва, Качканар, Магнитогорск, КМА, Кольский полуостров – Магнитогорск, Челябинск, Екатеринбург, Нижний Тагил, Чусовой.
Центральный – Воркута, Кузбасс – КМА, Костомукша (Карелия), Ковдор (Кольский полуостров), Оленегорек (Кольский полуостров) – Липецк, Череповец, Старый Оскол, Тула, Волгоград, Электросталь.
Сибирский – Кузбасс, Южно-Якутский бассейн – Темиртау (Казахстан), Таштагол (Кемеровская область), Рудногорск (Иркутская область), Ирбинское месторождение (Красноярский край) – Новокузнецк, Красноярск, Новосибирск.
2. В зависимости от сочетания технологических процессов в металлургическом комплексе выделяются различные типы предприятий (производств).
Охарактеризовать следующие предприятия: горно-обогатительный комбинат, металлургический комбинат (традиционная технология производства, мощность – 5 млн тонн стали в год), электрометаллургический завод и мини-завод (задание выполняется по группами).
Результаты внести в таблицу. (Слайд13)
| Тип предприятия | Особенности технологии и виды производимой продукции | Принципы размещения | Наиболее целесообразные районы (города) для размещения |
| Горно-обогатительный комбинат | Добыча руды и ее обогащение | В районах добычи железной и марганцевой руды | Месторождения железной и марганцевой руды |
| Металлургический комбинат (традиционная технология производства) | Действуют все стадии технологического процесса: подготовка сырья к переработке(обогащение, агломерирование, производство концентратов), металлургический передел с получением сначала чугуна, затем стали, проката черных металлов, труб. Утилизация отходов основного производства и получение из них различных видов продукции | Зависит от сырья и топлива, на которые приходится большая часть затрат по выплавке чугуна, важен транспортный, экологический и трудовой факторы | Вблизи источников сырья и топлива. Урал, Сибирь |
| Электрометаллургический завод | Предприятие, в котором осуществляются не все стадии технологического процесса(например, только производство стали и проката) | Зависит от сырья и источников электроэнергии, важны потребительский, транспортный и трудовой факторы | Вблизи источников сырья, электроэнергии и потребителя. Европейская часть |
| Мини-завод | Предприятие неполного цикла, обычно представлено в виде отдельных подразделений по производству литейного чугуна, стали или проката в составе крупных машиностроительных предприятий. Выплавка производится из металлолома, отходов производства машиностроения | Размещаются там, где находятся машиностроительные заводы, важны потребительский, транспортный и трудовой факторы | Вблизи потребителя. Крупные машиностроительные центры |
IV. Подведение итогов урока.
V. Домашнее задание.
(Слайд14)
Учебник [1] п. 25 , на контурную карту нанести основные металлургические районы с крупнейшими металлургическими центрами: Уральский, Центральный, Сибирский металлургические районы. По карте-схеме: «Экономика и проблемы экологии в России, на форзаце учебника определить промышленную специализацию городов со значительным загрязнением воздуха.
Учебная литература:
- Дронов В.П., Ром В.Я. «География. Население и хозяйство России» – 9 класс, изд. Дрофа.
- Стадник А.Г. «География», изд. «Учитель» – Волгоград.