Открытый урок на тему "Черная металлургия" по МДК 01.03

Министерство образования Нижегородской области

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

 «Выксунский металлургический колледж им.А.А.Козерадского»

Методическая разработка урока

на тему: «Черная металлургия. Производство чугуна. Влияние производства на здоровье человека.

Разработала:

Рогозина Ольга Владимировна 

преподаватель спец.дисциплин

г.Выкса, 2013г.

Тема урока:

«Чёрная металлургия. Производство чугуна. Влияние производства на здоровье человека».

Цели урока:

Образовательные: закрепить знания учащихся о способах получения металлов из руд, познакомится  с новыми способами получения стали из чугуна, закрепить умения учащихся составлять уравнения реакции процесса передела чугуна в сталь.

Воспитательные: воспитание у учащихся патриотических качеств и гордости за свою малую Родину, формирование нравственных качеств гражданина-труженика; воспитание бережного отношения к природе;

Развивающие:  развитие умения самостоятельно находить необходимую информацию и работать с различными источниками информации.

Оборудование урока: Образцы изделий из чугуна, коллекция «Чугун и сталь», образцы железной руды, кокса, известняка, видеофильм  «Устройство доменной печи»

 Девиз: «Процесс современного производства обеспечивается чёткой, слаженной работой людей разных специальностей».

Викторина «Немного о металлах и металлургии»

1. Что означает выражение «Металл, принесённый в жертву “рыжему дьяволу”»?  (Ржавчина.)

2. Какой металл А.Е. Ферсман назвал «металлом консервной банки»?  (Олово.).

3. Если верить древнему историку, то во времена похода Александра Македонского в Индию офицеры его армии гораздо реже болели желудочно-кишечными заболеваниями, чем солдаты. Еда и питьё у них были одинаковые, но вот посуда разная. Из какого металла была изготовлена посуда для офицеров?  (Серебро.)

4. Назовите имя существительное, объединяющее все предыдущие ответы  (Металл.)

Ход урока

Орг. момент.

I. Актуализация опорных знаний.

Учитель. Металл – это конструкционный материал. В какие группы можно объединить известные вам металлы?

– Чёрные и цветные.

Производят их чёрная металлургия и цветная металлургия. Эти две отрасли объединяются в металлургический комплекс (МК).

Вывод: МК – это совокупность отраслей, производящих разнообразные металлы.

Современное хозяйство не может обходиться без металла. Огромно значение чёрной металлургии в экономике страны, В современной технике наибольшее применение находят сплавы железа: чугун и сталь. В машиностроении на их долю приходится более 90% от общей массы применяемых металлов. Как же производят чёрные металлы?

Учитель. Сегодня мы проведём деловую игру по теме «Доменное производство» в форме производственного совещания. В его работе при­нимают участие главный инженер, отдел снабжения, технический отдел, экономисты, отдел защиты окружающей среды, отдел сбыта, отдел кадров, научно-исследовательская лаборатория, историк.

Задачи отделов: разработать оптимальные условия получения чугуна, найти источники применения чугуна. Работа каждого отдела оценивается по качеству выступлений, предложений, критических замечаний к другим отделам. Главный инженер ведет производственное заседание.

Гл. инженер. Хотелось бы начать наше совещание с предо­ставления слова историку.

Историк. Историческая справка.

Железо сыграло большую роль в развитии человеческого общества и не потеряло своего значения в настоящее время: из всех металлов оно наиболее широко используется в современной промышленности.

Первобытный человек стал использовать железные орудия за несколько тысячелетий до н. э. Тогда единственным источником такого металла были упавшие на Землю метеориты, которые со­держат довольно чистое железо. Это породило у многих народов легенды, дошедшие до наших дней, о небесном происхождении железа.

В середине II тыс. до н. э. в Египте была освоена металлургия железа – получение его из железных руд. Это положило начало железному веку в истории человечества, который пришёл на смену каменному и бронзовому векам. На территории нашей страны начало железного века относится к рубежу II и I тыс. до н. э.

Железо – один из самых распространённых в природе элементов. В земной коре содержится 4,65% железа – II место после алюминия.

Железо производят в доменных печах. Современная доменная печь ведет свою историю от железоделательного костра, на смену которому пришли шахтные печи, затем домницы и, наконец, современные домны. Способы подведения воздуха к пламени раньше были самыми разнообразными: легкие человека, порывы ветра, деревянные поршневые насосы. Старинные приемы выплавки железа можно встретить у некоторых народов и в настоящее время.

Гл. инженер. Любое производство начинается с сырьевой базы. Этим вопросом занимается отдел снабжения.

Отдел снабжения

Ученик. Железная руда – основное сырье в производстве чугуна. Вспомогательные материалы: флюсы (известняк), кокс, природный газ, воздух, обогащенный кислородом. Железная руда, флюсы и кокс составляют шихту.

Учащиеся работают с образцами этих материалов.

Ученик. Основные месторождения железной руды в России: Качканар, Коршуновское, Костомукша, Горная Шория, КМА, около трехсот месторождений на Урале, в Восточной Сибири, на Алтае. Коксующиеся угли добывают в Кузбассе, Печорском каменноугольном бассейне, а природный газ – в Западной Сибири, на Волго-Уральском, Саратовском, Оренбургском месторождениях.

Гл. инженер задает вопрос отделу снабжения: «Каким образом идет подготовка сырья к загрузке?»

Ученик. Железную руду обогащают, то есть ее разделяют на концентрат – продукт с повышенным содержанием оксидов железа – и хвосты (пустую породу). Для увеличения площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ плавильные материалы (руду, кокс, флюсы) дробят на кусочки небольших размеров. Желательно, чтобы они не очень отличались друг от друга по величине, так как при соблюдении этого условия процесс протекает более рав­номерно.

Мелкозернистые руды и крошку, которая образуется при измельчении крупных кусков, спекают, для этого руду смешивают с флюсами и углем. Процесс спекания называют агломерацией. В результате агломерации, во-первых, получают окатыши определенного размера, а во-вторых, отфлюсовывают часть пустой породы.

Гл. инженер. Рассмотрим, за счет каких реакций в доменной печи из железной руды получают чугун. В чем суть основного химического процесса? Каковы особенности технологического процесса?

Технический отдел (все уравнения вы увидите  во время просмотра фрагмента устройство доменной печи)

Ученик. Содержащийся в руде оксид железа (III) восстанавливается оксидом углерода (II). Восстановление идет последовательно по схеме:

Fе₂O₃  →  Fе₃O₄  →  FеO  →  Fe:

3Fе₂O₃ + CO = 2 Fе₃O₄ + CO₂ ,

Fе₃O₄ + CO = 3 FеO + CO₂ ,

FeO + CO =  Fe + CO₂ .

Наряду с восстановлением железа идут процессы образования карбида железа:

3Fe + 2СО = Fе₃С + СO₂ .

3Fе + С = Fе₃С .

Восстановленное железо частично растворяет в себе карбид железа и углерод. Одновременно идут побочные процессы, коксом и оксидом углерода (П) восстанавливаются оксиды других элементов, содержащиеся в железной руде:

МnO₂ + 2СO =  Мn + 2СО₂ .

МnО + С = Мn + СО .

SiО₂ + 2СО = Si+2СО₂ .

Р₂O₅ + 5С =  2Р + 5СO

Образуется сплав, состоящий из Fе, С , Fе₃С, Si , Мn, Р, S, который называется чугуном. Содержание каждого элемента в чугуне показано в таблице «Состав чугуна».

Состав чугуна

Сорт чугуна	Содержание главнейших элементов, в %
	С	Si	Mn	S	P
Передельный	3,7-4,2	0,5-1,5	1,0-3,0	Не более 0,07	Не более 0,3
Литейный	3,5-4,0	1,5-4,0	0,5-1,2	Не более 0,05	Не более 0,1-0,3

В железной руде содержатся тугоплавкие оксиды, чтобы их расплавить и удалить, в печь загружают флюсы или плавни. Они образуют с примесями шлаки:

СаСО₃ = СаО +СО₃ .

СаО + SiО₂ = СаSiО₃ .

3СаО +Р₂O₅ = Са₃ (РO₄)₂ .

Шлаки легкоплавкие и лёгкие. В домне они собираются на поверхности жидкого чугуна.

Демонстрация видеофильма «Устройство доменной печи»

Гл. инженер. После просмотра фрагмента напрашивается вопрос: «Как обеспечивается высокая скорость доменного процесса?» На него нам ответят представители научно-исследовательской лабора­тории.

Научно-исследовательская лаборатория

Ученик. Высокая производительность доменной печи достигается применением оптимальных условий для проведения химических реакций.

1. Процесс идет при высокой температуре, для этого в печь подают нагретый воздух, обогащенный кислородом, используют теплоту зкзотермических реакций.

2. Увеличение концентрации реагирующих веществ достигается обогащением руды, использованием дополнительного источника восстановителя – природного газа.

3. Увеличение площади поверхности соприкосновения реагирующих веществ (дробление, агломерация) также увеличивает производительность домны.

Ученик. Доменное производство эффективно за счет использования научных принципов производства.

1. Непрерывность процесса. Единожды «задутая» домна работает в течение нескольких лет.

2. Противоток реагирующих веществ.

3. Теплообмен. Он используется для нагревания воздуха в регенераторах.

4. Механизация и автоматизация технологических процессов.

5. Комплексное использование сырья и охрана окружающей среды.

Гл. инженер. За счет чего удается снизить себестоимость выпускаемого чугуна? Что скажут экономисты?

Экономисты

Ученик. Особое внимание обращаем на качество руды. Содержание пустой породы в ней должно быть минимальным. Отходы производства – шлаки – нашли применение в строительстве, сельском хозяйстве; раньше они занимали большие площади на территории комбината. В целях комплексного использования сырья и с пользой для человека предлагаем строить шлаколечебницы при металлургических заводах. Повышенная температура шлаковых вод, наличие в них сернистых соединений помогают больным избавиться от кожных заболеваний, хронического ревматизма.

Нашел применение и доменный газ – для синтеза органических веществ и прежде всего как топливо для этого и других производств. В данном производстве доменный газ сжигают для нагревания воздухонагревателей (регенератор, каупер), куда поступает воздух, обогащенный кислородом. С увеличением объема домны производительность ее повышается, а себестоимость чугуна снижается.

При обогащении руды извлекают металлы-спутники. Это приносит дополнительные доходы и уменьшает загрязнение окружающей среды.

Гл. инженер. Известно, что применение кокса в доменном процессе очень дорого. Что могут предложить экономисты? Каким образом снизить его расход?

Ученик. Расход кокса можно снизить, применяя только обогащенную руду, природный газ и  кислород. При подаче воздуха с 25%-ным содержанием кислорода и природного газа производительность печи увеличивается примерно на 10%, а расход кокса снижается на 20%.

Гл. инженер. Для металлургического производства особенно актуальна проблема охраны окружающей среды. Выплавка металла связана с добычей и переработкой руды, требует больших затрат энергии и воды. На каждой стадии производства возможно загрязнение природы. Слово предоставляется отделу охраны природы.

Отдел охраны природы

Ученик. Чёрная и цветная металлургия и металлообрабатывающая промышленность занимают одно из первых мест по объёму загрязнений, выбрасываемых в окружающую среду. Они загрязняют атмосферу, гидросферу, и, как следствие, биосферу. Металлургическое производство является опасным источником загрязнения атмосферы отходящими газами, пылью, тепловым загрязнением. Подготовка сырья, загрузка руды и кокса и ряд других процессов вызывают образование огромного количества пыли, а отходящие газы очень токсичны и содержат угарный газ, оксиды азота и серы. Связываясь с атмосферной водой, они превращаются в кислоты и изливаются на землю кислотными дождями, губя всё живое.

Выбросы предприятий чёрной металлургия имеют высокую температуру – 300-400°С (иногда 800°С) и могут быть использованы как теплоносители.

В результате деятельности предприятия образуется много сточных вод. Они содержат соли тяжёлых металлов, сероводород, растворы солей, кислот и щелочей; отравляют флору и фауну водоёмов, делают воду непригодной для питья, водопоя, орошения и даже для технического использования.

Металлургическое производство даёт массу разнообразных шлаков. Они представляют из себя силикатные системы с различным содержанием железа, сурьмы, мышьяка. Они отравляют почвы и частично гидросферу, т. к. смываются осадками в воду. У людей, живущих рядом с заводами, распространены следующие болезни: верхних дыхательных путей, желудочно-кишеч­ного тракта, кровообращения.

Перед промышленностью стоит задача утилизации всех отходов и дымовых газов в полном объеме.

Предлагаем создавать территориально-промышленные комплексы с предприятиями, взаимосвязанными безотходными технологиями в масштабах всего экономического района.

Гл. инженер. Чугун чаще всего используют для производства стали. Вопрос отделу сбыта. А сколько чугуна идет в самостоятельную жизнь?

Отдел сбыта

Ученик. Новый состав чугуна позволил приблизить его к стали. Из улучшенного чугуна изготавливают детали машин, а это выгодно, ибо чугун намного дешевле стали. При этом используется ценное свойство чугуна – он лучше отливается в форму, чем сталь.

Учащиеся работают с коллекцией «Чугун и сталь», с образцами изделий из чугуна.

Ученик. Русские умельцы изготавливали замечательные художественные изделия из чугунного литья. Кажется, легкий кружевной занавес спущен по фасаду одного из домов Челябинска. В ажурный орнамент точно вписаны стилизованные изображения птиц, зверей, растений. Это декоративное панно высотой 25 м – работа челябинских мастеров художественного литья.

В ХIХ в. мастера уральского города Касли (ныне Челябинская обл.) положили начало всемирно известному народному промыслу – каслинскому литью. Это художественные изделия (скульптура, решетки, мебель), отлитые из чугуна. Их отличает четкость силуэта и тщательная отделка деталей. Чугунные скульптуры каслинцев на выставках в Москве, Вене, Копенгагене неоднократно удостаивались наград. На всемирной выставке в Париже их работа «Ажурный чугунный павильон» была признана шедевром литейного искусства.

(просмотр презентации изделия из чугуна)

Гл. инженер.  Вопрос отделу кадров. Каким образом решается кадровая проблема?

Отдел кадров

Ученик. В доменном цехе есть разные специалисты – газовщики, горновые, водопроводчики, машинисты вагон-весов, мастера-технологи. Но ведущий среди них – горновой – человек, который работает у горна, где накапливается стекающий сверху чугун. Чтобы стать горновым, нужно овладеть широким кругом технических знаний, изучить теоретические основы доменного процесса, свойства чугуна, шлака, устройство доменной печи.

Доменную печь обслуживают в смене несколько горновых. Старший горновой перед выпуском плавки специальной буровой машиной просверливает глиняную пробку в чугунной летке. Огненный ручей металла с шумом течет по литейному двору и с гулом падает в ковш. Сразу становится светло:  тысячи искр поднимаются кверху, подобно салюту.

Продвигаясь между желобами, горновые «показывают» чугуну дорогу, разгоняют запруды. Когда весь чугун вытечет, электропушка вновь забьет отверстие летки глиняной пробкой. Между выпусками чугуна горновые готовят площадку к приему следующей плавки. Профессию горнового можно получать в профессионально-технических училищах, а также на металлургических заводах.

Гл. инженер. Что может сказать историк по г.Выкса производят ли у нас чугун?

Историк. Рассказ по презентации о чугунно – литейном цехе.

Учитель. Подведём итоги.

¨ Чёрная металлургия – это отрасль, производящая чёрные металлы.

Металлургические предприятия (комбинаты) распределены на территории страны крупными группами. Группы металлургических предприятий, которые используют общие рудные и топливные ресурсы для производства большого количества металла, называются металлургической базой.

Каковы задачи и в чём проблемы развития чёрной металлургии?

О качестве – выплавка качественного металла.

Об оборудовании – постоянно обновлять.

Использование достижений науки – использование современных  технологий.

Научно-исследовательский отдел

Технологии добычи руды

Возможно добывать руду, не разрушая ландшафты. На помощь приходят био- и геотехнологии. В геотехнологиях в одну из пробуренных скважин закачивают растворитель руды. По другой скважине полученный под землёй рудный раствор выкачивают на поверхность. При биотехнологических методах добычи вместо растворителя в скважину закачивается бактериальный раствор. Содержащиеся в нём бактерии способны накапливать в своих телах добываемый металл. Добыча руды с помощью этих методов позволяет снизить стоимость металла в 2 раза, а затраты – в 4 раза, возрастает производительность труда. В некоторых странах эти технологии используют, а в нашей стране, к сожалению, нет, из-за отсутствия современных технологий.

Задание классу: Д/з подготовить презентацию на тему: «Доменная печь»

Оценка урока, работ учащихся.