Конспект урока "Понятие о металлургии" 10 класс


Дата: 10 апреля 10 класс
Тақырып:
Тема: «Понятие о металлургии».
Оқыту мен тәрбиелеудің міндеттері: Учебно – воспитательные задачи:
Обобщить и систематизировать знания учащихся об особенностях получении металлов и их географии; научных
принципах производства металлов и сплавов; о природных соединениях железа и цветных металлов как основе черной
и цветной металлургии.
Углубить знания учащихся, полученные из курсов химии и географии в целом, о магматических и осадочных горных
породах, о комплексном использовании сырья, о продукции предприятий металлургического комплекса; о защите
окружающей среды от отходов предприятий металлургической промышленности.
Продолжить формирование навыков самостоятельной работы учащихся с учебником, научно-популярной литературой.
Развивать познавательную активность учащихся, способствовать выработке навыков наблюдения, умения делать
выводы.
Мақсат:
Цель: 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.
Құрал – жабдықтар, көрнекті құралдар: Оборудование, наглядные пособия:
Таблицы, схемы, макеты соответствующих производств, песочные часы (10 мин., 3 мин.), протокол судейства.
Сабақ түрі: Тип урока: Совершенствование ЗУН
Әдіс-тәсілдер:
Методы: Словесно-наглядные.
Сабақ барысы:
Ход урока:
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
№ группы
Выступление
Вопросы
Ответы
Сумма баллов
Место
1-я группа
5 баллов
1+1+1+1
1+0,5+1+1+0,5
13 баллов
2-е
2-я группа
4 балла
1+1+1+1+1+1
0,5+0,5+1+1+0,5
13,5 баллов
1-е
3-я группа
5 баллов
1+1+1+1
1+1+0,5+0,5
12 баллов
3-е
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, CH
4
, H
2
),
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
0
С.
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 + О
2
—> СО
2
2) избыток кокса восстанавливает оксид углерода (IV) в оксид углерода (11).
С + СО
2
—> 2СО
3) оксид углерода (11), поднимаясь внутрь печи, восстанавливает железную руду, падающую вниз Fe
2
O
3
+ 3CO > 2Fe + 3CO
2
4) не прореагировавшая железная руда восстанавливается еще не прореагировавшим коксом 2Fe
2
O
3
+3C > 4Fe + 3CO
2
5) известняк разлагается CaCO
3
> CaO + CO
2
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 + SiO
2
> 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 Fe
3
C. 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, Р
2
О
5
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 + O
2
> 2FeO + Q
Fe
3
O
4
или Fe
2
O
3
—> лом.
Fe + Fe
3
O
4
> 4FeO
2-я группа реакций.
Окисление примесей.
Si + 2FeO > SiO
2
+ 2Fe
Mn + FeO > MnO + Fe
2P + 5FeO > 5Fe + P
2
O
5
C + FeO > Fe + CO
2
эффект кипения, перемешивание, очистка от шлака, пузырьков N
2
и Н
2
.
3-я группа реакций.
Устранение соединений серы и фосфора негашеной известью.
3СаО + Р
2
О
5
—> Са
3
(РО
4
)
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 + SiO
2
> MnSiO
3
> 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
o
С. 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
Al
2
O
3
3H
2
O, горная порода, похожая на глину, источник алюминия; основная часть боксита оксид алюминия (30-60%),
связанный с водой; в качестве вредных примесей боксит содержит кремнезем (SiO
2
), оксиды железа и титана (Fe
2
O
3
TiO
2
).
Криолит – Na
3
AlF
6
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 (Fe
2
O
3
, SiO
2
, TiO
2
), которые остаются в осадке. Раствор
алюмината затравливают чистым оксидом алюминия, а затем при температуре 1200
0
С (в барабанных вращающихся печах)
разлагают на оксид и воду. Чистый оксид отфильтровывается, а гидроксид натрия возвращается в производственный цикл.
Аl
2
O
3
тугоплавкое и неэлектропроводное вещество (температура плавления 2050
0
С), поэтому электролиз проводят в
присутствии добавок, снижающих температуру плавления и повышающих электрическую проводимость. Аl
2
O
3
высушивается и
смешивается с криолитом. Это понижает температуру плавления до 950
0
С. Оксид растворяется (состав шихты: 8-10% Аl
2
O
3
и
90-92% Na
3
AlF
6
) и подвергается электролизу в покрытой графитом ванне, играющей роль катода. Расплавленная шихта имеет
плотность 2,35г/см
2
, а образовавшийся из неё алюминий 2,73г/см
2
, 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 СО
2
, СО и НF.
Реакция на катоде: Аl
3+
+ 3e > Al
0
Реакции на аноде: 2О
2-
—> О
2
+ 4е, затем О
2
+ С – СО
2
Закрепление:
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:
Үйге тапсырма беру:
Задание на дом: стр.292-295 №4-6 стр. 295