Урок с презентацией 9 класс Сплавы железа и их применение.

Класс: 9
№ урока: 43
Тема урока: Сплавы железа и их применение. Производство чугуна и стали. Развитие металлургии в Казахстане.
Цель: 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. Показать роль и особенности металлургического комплекса Казахстана, выявить последовательность производственных процессов в металлургии, факторы размещения отрасли.
Результат обучения: Знают различия сплавов железа, различают черную металлургию от цветной, могут объяснить химизм процессов металлургии.
Ресурс : Постер, маркеры, стикеры, мультимедийная презентация.

Этапы урока
Действия учителя Действия учеников
Орг.момент 1.Приветсвие учащихся.

2.Деление на группы.

3.Ознакомление с темой целью и ходом урока.(слайд )

«Железо – не только основа всего мира, самый главный металл окружающей нас природы, оно - основа культуры и промышленности, оно- орудие войны и мирного труда. И трудно во всей таблице Менделеева найти другой элемент, который был бы так связан с прошлым, настоящим и будущими судьбами человечества.»
А.Е. Ферсман Приветствуют учителя.
Формировае групп учащихся.

Проверка знаний по пройденной теме Графический диктант.
(Приложение 1)
Пишут графический диктант.
Самопроверка:
10 правильных – оценка «5»
8-9 – оценка «4»
5-7 – оценка «3»
Меньше 5-ти- «2»
Новая тема (по слайдам)
Среди металлов самый славный
Важнейший древний элемент.
В тяжелой индустрии главный,
Знаком с ним школьник и студент,
Родится в огненной стихии,
Расплав его течет рекой,
Важнее нет в металлургии -
Он нужен всей стране родной
О каком элементе идет речь?
В каком виде мы используем железо? (в промышленнисти, в быту)
Какие бывают сплавы железа?
Какая отрасль народного хозяйства занимается производством чугуна и слали ?
Сегодня на уроке мы рассмотрим состав и свойства сплавов, рассмотрим как и где получают эти сплавы.Запишите тему урока в тетради.Какова цель урока ?
Наша страна имеет большие запасы руд металлов (слайд )
Свою трудовую деятельность наш президент Н.А.Назарбаев начинал на металлургическом комбинате в г.Темиртау.Этот металлургический комбинат и сейчас является флагманом нашей металлургической отрасли.
Давайте посмотрим как получают сталь и чугун(слайды презентации)


О железе.

В виде сплавов.
Чугун и сталь.
Металлургия

Записывают тему урока, формулируют цель урока.

Просмотр слайдов.
Физминутка По слайдам Повторяют упражнения

Работа в группах Задание 1 группы- изучить Сплавы железа.
2 группа- Производство руд металлов в Казахстане.
3 группа- Металлургия
(Приложение 2,3 ) Учащиеся изучают отдельно, затем в паре обсуждают, затем группой создают постер и защищают.

Закрепление Опрос по новой теме.Вопросы на слайде (шторка)

Группы задают вопросы друг-другу,отвечают на вопросы.

Итог урока Суммирование и выставление оценок. Взаимооценивание групп,
друг-друга
Домашнее задание § 44 упр.3 стр.206,
творческое задание:составить кроссворд, или презентацию по теме «Сплавы металлов» Записывают в дневники
Рефлекция урока. Используя основные термины, изученные на уроке, для закрепления нового материала сделайте обобщение - синквейн. Составляют и презентуют составленный синквейн



Приложение 1
Графический диктант
1.Коррозия- явление разрушения металлов под действием факторов окружающей среды.
2. Все металлы одинаково подвергаются коррозии.
3. Благородные металлы практически не разрушаются.
4. Активные металлы не подвергаются коррозии.
5.Коррозия подразделяется на химическую и электрохимическую коррозию.
6. Химическая коррозия металлов и сплавов возникает под действием среды, проводящей электрический ток.
7. Главное условие протекания электрохимической коррозии – наличие растворов электролитов.
8. Для защиты от коррозии металлы заменяют новыми констук-ционными материалами.
9. Коррозия –это оксилительно- восстановительный прцесс.
10. При электрохимической коррозии возникает электрический ток.

Приложение 2
Задание 1 группы Тема: Сплавы железа
Проблема: Характеристика сплавов железа.
Объект изучения: Коллекция «Сплавы железа»
Вопросы к рассмотрению:
1).Состав черных сплавов.
2). Состав и свойства чугуна.
3). Состав и свойства стали.
4). Виды чугуна и стали
Метод: теоретический, исследовательский.
Вывод: составленный постер

Задание 2 группы Тема: Производство руд металлов в Республике Казахстан.
Проблема: рассмотрев карту полезных ископаемых Республики Казахстан, выделить основные месторождения металлических руд, изучить состав и свойства руд металлов.
Объект изучения: географическая карта Казахстана, информация о видах руды.
Вопросы к рассмотрению:
1)Размещение месторождений минералов металлов в Республике Казахстан.
2)Изучить формулы железосодержащих минералов, охарактеризовать их.
3)Какова доля Казахстана в мировой добыче и переработке минералов железа?
Метод: теоретический, работа с картой
Вывод: составленный постер.

Задание 3 группы Тема: Металлургия
Проблема: Как можно получить металл из природного сырья.
Объект изучения: схемы доменной печи, печи Томаса Бессемера, мартеновской печи.
Вопросы к рассмотрению:
1).Устройство и принцип действия печей по выплавке чугуна и стали.
2). Основные реакции, происходящие при выплавке чугуна.
3). Основные реакции, происходящие при выплавке стали.
4).Влияние добавок легирующих элементов на качество стали
Метод: теоретический.
Вывод: составленный постер.

Приложение 3
Сплавы железа
Железо используется главным образом в сплавах, прежде всего в сплавах с углеродом © — различных чугунах и сталях. В чугуне содержание углерода выше 2,14 % по массе (обычно — на уровне 3,5-4%), в сталях содержание углерода более низкое (обычно на уровне 0.8-1 %). Чугун получают в домнах. Домна представляет собой гигантский (высотой до 30-40 м) усеченный конус, полый внутри. Стенки домны изнутри выложены огнеупорным кирпичом, толщина кладки составляет несколько метров. Сверху в домну вагонетками загружают обогащенную (освобожденную от пустой породы) железную руду, восстановитель кокс (каменный уголь специальных сортов, подвергнутый коксованию — нагреванию при температуре около 1000°C без доступа воздуха), а также плавильные материалы (известняк и другие), способствующие отделению от выплавляемого металла примесей — шлака. Снизу в домну подают дутье (чистый кислород (O) или воздух, обогащенный кислородом (O)). По мере того, как загруженные в домну материалы опускаются, их температура поднимается до 1200-1300°C. В результате реакций восстановления, протекающих главным образом с участием кокса С и СО:
Fe2O3 + 3C = 2Fe + 3CO; Fe2O3 + 3CО = 2Fe + 3CO2
Чугун бывает белый, так называемый передельный (его используют для получения стали) и серый, или литьевой. Белый чугун — это твердый раствор углерода © в железе. Из-за наличия графита серый чугун оставляет след на белой бумаге. Чугун хрупок, при ударе он колется, поэтому из него нельзя изготавливать пружины, рессоры, любые изделия, которые должны работать на изгиб. Эта особенность позволяет изготавливать из чугуна различные отливки, в том числе использовать его как материал для художественного литья. Если содержание углерода © в чугуне снизить до 1,0-1,5%, то образуется сталь. Стали бывают углеродистыми (в таких сталях нет других компонентов, кроме Fe и C) и легированными (такие стали содержат добавки хрома (Cr), никеля (Ni), молибдена (Mo), кобальта (Co) и других металлов, улучшающие механические и иные свойства стали). Стали получают, перерабатывая чугун и металлический лом в кислородном конвертере, в электродуговой или мартеновской печах. Физические свойства стали существенно отличаются от свойств чугуна: сталь упруга, ее можно ковать, прокатывать. Так как сталь, в отличие от чугуна, при затвердевании сжимается, то полученные стальные отливки подвергают обжатию на прокатных станах. После прокатки в объеме металла исчезают пустоты и раковины, появившиеся при затвердевании расплавов. Производство сталей имеет в Казахстане глубокие традиции, и полученные нашими металлургами стали отличаются высоким качеством.
Задание: Рассмотреть образцы сплавов железа, отметить основные их характеристики. (Использование образцов изделий из чугуна и стали, работа в группах).

Производство руд металлов в Казахстане.
По запасам железной руды Казахстан занимает восьмое место в мире. Его доля в мировых запасах составляет 6%. Кроме значительных запасов, другим преимуществом казахстанской железной руды является ее довольно высокое качество. Из 8,7 млрд. тонн железной руды 73,3% запасов являются легко добываемыми. Более 70% добываемой в стране железной руды уходит на экспорт. Доля руд черных металлов, включая хромовые и марганцевые руды, в общем экспорте страны в 1999 году составила около 4%. Черная металлургия Казахстана производит более 12,5 % республиканского объема промышленной продукции.
Флагманом индустрии республики является Карагандинский металлургический комбинат "Испат-Кармет". Предприятие имеет полный металлургический цикл и специализируется на выпуске различных видов проката черных металлов - листового, сортового, белой жести и т. д. Металл этого комбината экспортируется в станы СНГ и дальнего зарубежья.
Карагандинский металлургический комбинат в г. Темиртау объединяет два завода - полного цикла производства, использующего привозные железорудные концентраты из Костанайской области, и передельной металлургии, или неполного цикла производства, работающего на металлоломе. Комбинат выпускает чугун, сталь, трубы, рельсы, тонколистовое железо.
Важной отраслью черной металлургии Казахстана является добыча и обогащение железных руд на Соколовско-Сарбайском (г. Рудный) , Лисаковском и Качарском горно-обогатительных комбинатах в Костанайской области. Отсюда концентраты железных руд миллионами тонн отправляются в Темиртау и Магнитогорск.
В республике развивается и качественная черная металлургия. Она представлена ферросплавными заводами в Актюбинске и Аксу. Первый из них работает на хромитах Хромтау и выпускает феррохром, второй - на привозных кварцитах с Урала и выпускает ферросилиций. Оба завода построены в городах, где имеются крупные тепловые электростанции, так как производство ферросплавов - отрасль энергоемкая. На территории Республики производится целый спектр товарной продукции, включающий 25 видов цветных, редких, рассеянных и благородных металлов. Цветная металлургия занимала и занимает значимое место среди других отраслей промышленности Казахстана. Согласно данным Агентства Республики Казахстан по статистике, вся промышленность произвела продукции на сумму 7703,8 млрд тенге. Цветная металлургия находится по этому показателю на втором месте (905 млрд тенге или 11,7%), далее следуют: пищевая промышленность (8,1%), черная металлургия (7,2%), энергетика (5,5%) и другие отрасли.На территории Республики производится целый спектр товарной продукции, включающий 25 видов цветных, редких, рассеянных и благородных металлов.
Задание : Используя информацию и географическую карту Казахстана , данные § 40,§43 изучить состав и свойства руд металлов.

Химические реакции при выплавке чугуна из стали.
В основе производства чугуна лежит процесс восстановления железа из его окислов окисью углерода.
Известно, что окись углерода можно получить, действуя кисло¬родом воздуха на раскалённый кокс. При этом сначала образуется двуокись углерода, которая при высокой температуре восстанав¬ливается углеродом кокса в окись углерода:

Восстановление железа из окиси железа происходит постепенно. Сначала окись железа восстанавливается до закиси-окиси железа:

Далее закись-окись железа восстанавливается в закись железа:

и, наконец, из закиси железа восстанавливается железо:

Скорость этих реакций растёт с повышением температуры, с уве¬личением в руде содержания железа и с уменьшением размеров кусков руды. Поэтому процесс ведут при высоких температурах, а руду предварительно обогащают, измельчают, и куски сортируют по крупности: в кусках одинаковой величины восстановление же¬леза происходит за одно и то же время. Оптимальные размеры кусков руды и кокса от 4 до 8—10 см. Мелкую руду предвари¬тельно спекают (агломерируют) путём нагревания до высокой температуры. При этом из руды удаляется большая часть серы.
Железо восстанавливается окисью углерода практически пол¬ностью. Одновременно частично восстанавливаются кремний и мар¬ганец. Восстановленное железо образует сплав с углеродом кокса. кремнием, марганцем, и соединениями, серы и фосфора. Этот сплав—жидкий чугун. Температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.
Пустая порода и зола топлива также должны быть распла¬влены. Для понижения температуры плавления в состав «пла¬вильных» материалов вводят, кроме руды и кокса, флюсы (плав¬ни) — большей частью известняк СаСО3 и доломит CaCO3×МgСО3. Продукты разложения флюсов при нагревании образуют с ве¬ществами, входящими в состав пустой породы и золы кокса, со¬единения с более низкими температурами плавления, преимущест¬венно силикаты и алюмосиликаты кальция и магния, например, 2CaO×Al2O3×SiO2, 2CaO×Mg0×2Si02.
Химический состав сырья, поступающего на переработку, иног¬да колеблется в широких пределах. Чтобы вести процесс при посто¬янных и наилучших условиях, сырьё «усредняют» по химическому составу, т. е. смешивают руды различного химического состава в определённых весовых отношениях и получают смеси постоянного состава. Мелкие руды спекают вместе с флюсами, получая «офлю¬сованный агломерат». Применение офлюсованного агломерата даёт возможность значительно ускорить процесс.

Производство стали
Стали подразделяются на два типа. Углеродистые стали содержат до 1,5% углерода.Легированные стали содержат не только небольшие количества углерода, но также специально вводимые примеси (добавки) других металлов. Ниже подробно рассматри¬ваются различные типы сталей, их свойства и применения.
Кислородно-конвертерный процесс. В последние десятилетия производство стали революционизировалось в результате разработки кислородно-конвертерного процесса (известного также под названием процесса Линца-Донавица). Этот процесс начал применяться в 1953 г. на сталеплавильных заводах в двух австрийских металлургиче¬ских центрах-Линце и Донавице.
В кислородно-конвертерном процессе используется кислородный конвертер с основ¬ной футеровкой (кладкой). Конвертер загружают в наклонном положении расплавленным чугуном из плавильной печи и металлоломом, затем возвращают в вертикальное положение. После этого в конвертер сверху вводят медную трубку с водяным охлаждением и через нее направляют на поверхность расплавленного железа струю кислорода с примесью порошкообразной извести (СаО). Эта «кислородная продувка», которая длится 20 мин, приводит к интенсивному окислению примесей железа, причем содержимое конвертера сохраняет жидкое состояние благодаря выделе¬нию энергии при реакции окисления. Образующиеся оксиды соединяются с известью и превращаются в шлак. Затем медную трубку выдвигают и конвертер наклоняют, чтобы слить из него шлак. После повторной продувки расплавленную сталь выливают из конвертера (в наклонном положении) в ковш.
Кислородно-конвертерный процесс используется главным образом для получе¬ния углеродистых сталей. Он характеризуется большой производительностью. За 40-45 мин в одном конвертере может быть получено 300-350 т стали.Электросталеплавильный процесс. Электрические печи используют главным обра¬зом для превращения стального и чугунного металлолома в высококачественные легированные стали, например в нержавеющую сталь. Электропечь представляет собой круглый глубокий резервуар, выложенный огнеупорным кирпичом. Через открытую крышку печь загружают металлоломом, затем крышку закрывают и через имеющиеся в ней отверстия опускают в печь электроды, пока они не придут в соприкосновение с металлоломом. После этого включают ток. Между электродами возникает дуга, в которой развивается температура выше 3000 °С. При такой температуре металл плавится и образуется новая сталь. Каждая загрузка печи позволяет получить 25-50 т стали.
Сталь получается из чугуна при удалении из него большей части углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Для этого чугун подвергают окислительной плавке. Продукты окисления выде¬ляются в газообразном состоянии и в виде шлака.
Так как концентрация железа в чугуне значительно выше, чем других веществ, то сначала интенсивно окисляется железо. Часть железа переходит в закись железа:

Реакция идёт с выделением тепла.
Закись железа, перемешиваясь с расплавом, окисляет кремний марганец и углерод:
Si+2FeO=SiO2+2Fe
Mn+FeO=MnO+Fe
C+FeO=CO+Fe
Первые две реакции экзотермичны. Особенно много тепла выде¬ляется при окислении кремния.
Фосфор окисляется в фосфорный ангидрид, который образует с окислами металлов соединения, растворимые в шлаке. Но содер¬жание серы снижается незначительно, и поэтому важно чтобы в исходных материалах было мало серы.
После завершения окислительных реакций в жидком сплаве содержится ещё закись железа, от которой его необходимо осво¬бодить. Кроме того, необходимо довести до установленных норм со¬держание в стали углерода, кремния и марганца. Поэтому к концу плавки добавляют восстановители, например ферромарганец (сплав железа с марганцем) и другие так называемые «раскислители». Марганец реагирует с закисью железа и «сраскисляет» сталь:
Мп+FеО=МnО+Fe
Передел чугуна в сталь осуществляется в настоящее время раз¬личными способами. Более старым, применённым впервые в сере¬дине XIX в. является способ Бессемера.
Способ Бессемера. По этому способу передел чугуна в сталь проводится путём продувания воздуха через расплавленный горя¬чий чугун. Процесс протекает без затраты топлива за счёт тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления крем¬ния, марганца и других элементов.
Процесс проводится в аппарате, который называется по фами¬лии изобретателя конвертером Бессемера. Он пред¬ставляет собой грушевидный стальной сосуд, футерованный внутри огнеупорным материалом. В дне конвертера имеются отверстия, через которые подаётся в аппарат воздух. Аппарат ра¬ботает периодически. Повернув аппарат в горизонтальное положе¬ние, заливают чугун и подают воздух. Затем поворачивают аппа¬рат в вертикальное положение. В начале процесса окисляются же¬лезо, кремний и марганец, затем углерод. Образующаяся окись углерода сгорает над конвертером ослепительно ярким пламенем длиной до 8 л. Пламя постепенно сменяется бурым ды¬мом. Начинается горение железа. Это указывает, что период интен¬сивного окисления углерода заканчивается. Тогда подачу воздуха прекращают, переводят конвер¬тер в горизонтальное положе¬ние и вносят раскислители.
Процесс Бессемера обладает рядом достоинств. Он протекает очень быстро (в течение 15 ми¬нут), поэтому производитель¬ность аппарата велика. Для проведения процесса не тре¬буется расходовать топливо или электрическую энергию. Но этим способом можно переделы¬вать в сталь не все, а только отдельные сорта чугуна. К тому же значительное количество железа в бессемеровском про¬цессе окисляется и теряется (велик «угар» железа).
Значительным усовершенст¬вованием в производстве стали в конвертерах Бессемера явля¬ется применение для продувкя вместо воздуха смеси его с чис¬тым кислородом («обогащённого воздуха»), что позволяет получать стали более высокого качества.
Мартеновский способ. Основным способом передела чугуна в сталь является в настоящее время мартеновский. Тепло, необходимое для проведения процесса, полу¬чается посредством сжигания газообраз¬ного или жидкого топлива. Процесс получения стали осуществляется в пламенной печи – мартеновской печи.
Примеси, содержащиеся в шихте, окисляются свободным, кислородом топочных газов и кислородом, входящим в состав железной руды, окалины и ржавчины.
Плавильное пространство мартеновской печи представляет собой ванну, перекрытую сводом из огнеупорного кирпича. В передней стенке печи находятся загрузочные окна, через которые завалочные машины загружают в печь шихту. В задней стенке на¬ходится отверстие для выпуска стали. С обеих сторон ванны распо¬ложены головки с каналами для подвода топлива и воздуха и от¬вода продуктов горения. Печь ёмкостью 350 т имеет длину 25 м и ширину 7 м.

Мартеновская печь работает периодически. После выпуска стали в горячую печь загружают в установленной последовательности лом, железную руду, чугун, а в качестве флюса — известняк или известь. Шихта плавится. При этом интенсивно окисляются: часть железа, кремний и марганец. Затем начинается период быстрого окисления углерода, называемый периодом «кипения», — движе¬ние пузырьков окиси углерода через слой расплавленного металла создаёт впечатление, что он кипит.
В конце процесса добавляют раскислители. За изменением состава сплава тщательно следят, руководствуясь данными экспресс-анализа, позволяющего дать ответ о составе стали в течение нескольких минут. Готовую сталь выливают в ковши. Для по¬вышения температуры пламени газообразное топливо и воздух предварительно подогревают в регенераторах. Принцип действия регенераторов тот же, что и воздухонагревателей доменного про¬изводства. Насадка регенератора нагревается отходящими из печи газами, и когда она достаточно нагреется, через регенератор на¬чинают подавать в печь воздух. В это время нагревается другой регенератор. Для регулирования теплового режима печь снабжается автоматическими приспособлениями.
В мартеновской печи, в отличие от конвертера Бессемера, можно перерабатывать не только жидкий чугун, но и твёрдый, а также отходы металлообрабатывающей промышленности и стальной лом. В шихту вводят также и железную руду. Состав шихты можно изменять в широких пределах и выплавлять стали разнообразного состава, как углеродистые, так и легированные.
Задание : Используя данные § 44 и дополнительный материал изучить реакции происходящие при производстве чугуна и стали.