Преподавание химии

Важнейшие химические производства. Общие технологические принципы химических производств. Методическая разработка урока

Цели:

• Обучающие:
• Сформировать у учащихся понятия об основных научных принципах и закономерностях химических производств, применяемых в сталеплавильном процессе, и развитии черной металлургии в России;
• Дать представление о роли металлургии в современной жизни и истории её становления;
• Научить вести диалог, обосновывать проблему, владеть элементами и технологией ролевой игры.

Развивающие:

• Развивать познавательный интерес и умение сравнивать, анализировать и обобщать факты межпредметного характера для построения мировоззренческих выводов и аргументировать своё мнение;
• Продолжить развитие умений и навыков работать с дополнительной литературой и рабочими таблицами.

Воспитательная:

• Опираясь на факты экологической обстановки в Белгородской области, сформировать бережное отношение к окружающей среде.

Тип урока: обобщение и закрепление изученного материала.

Средства обучения: Таблицы “Железо и его соединения”, “Курская Магнитная Аномалия”, “Схема развития цехов ОЭМК”; кинофильм “Производство стали”; таблица “Схема получения чистого железа в виде брикетов из руды”; раздаточный материал “Тесты для проверки знаний”, коллекция “Чугун и сталь”, Презентация (Приложение 1).

Место проведения урока: школьный кабинет химии

Девиз урока: “Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно делать открытия”

План урока

1. Организационный момент
2. Обобщение и закрепление изученного материала в виде деловой игры

Ход игры:

1. История развития черной металлургии на Земле.
2. Географические открытия основных месторождений магнетита.
3. История развития ОЭМК и его технология производства стали:

1. АО “КМА руда” – подземный способ добычи железных руд.
2. Комплекс установок металлизированных брикетов – мощный рывок вперед!
3. Технология получения стали на ОЭМК.
4. Состав и свойства легированной стали.

4. Вопросы экономики и экологии в черной металлургии и ОЭМК.
5. Контроль и самоконтроль.

Тестирование

4. Домашнее задание.
5. Вывод.

Ход урока

Вводное слово учителя:

Тема нашего урока: Важнейшие химические производства. На примере Оскольского электрометаллургического комбината мы познакомимся с общими технологическими принципами бездоменного производства стали. Я предлагаю вести наш разговор в виде игры по плану, образец которого лежит перед вами на рабочих местах. Играть будем здесь – в этой специализированной лаборатории одного из крупнейших металлургических заводов. По условиям игры в ней собрались: архивариус, историк, географ, геолог, технолог комбината “КМА руда”, директор завода по производству металлизированных брикетов, главный специалист ОЭМК, эколог, металлург, лаборант, химик, экономист и я, ваш научный консультант. Прошу игроков занять свои места.

Цель урока совпадает с целью игры: научиться обоснованно, научно и логично вести диалог по проблеме. (Участники игры занимают свои места)

Архивариус: Я предлагаю взять девизом урока, девизом игры слова “Нам необыкновенно повезло, что мы живем в век, когда еще можно делать открытия”. Человечество узнало железо и пользовалось им с древнейших времен. Железо и до сих пор играет важную роль в жизни людей. Использовать железные изделия человек научился ещё с начала I тысячелетия до нашей эры. На смену “бронзовому” веку пришел “железный”. На территории Европы и Азии металлургия железа начала развиваться ещё в IX – VII веках до нашей эры. Первое железо, попавшее в руки человека, было, вероятно, неземного происхождения. Не случайно на некоторых древних языках железо именуется “небесным камнем”. Ежегодно на нашу Землю падает более 1000 метеоритов, часть их – железные, состоящие в основном из никелистого железа. Самый большой из обнаруженных железных метеоритов весит около 60 тонн. Он найден в 1920 году в Юго-Западной части Африки. Сначала железо, как и золото, считалось редкостью и служило для изготовления украшений. Но не всегда в жизни людей были только праздники. Позже железо оценил и воин, и земледелец. В таблице Д.И. Менделеева трудно найти какой-либо иной элемент, с которым так неразрывно связывалась бы жизнь всего человечества. Нет другого элемента, при участии которого проливалось бы так много крови, терялось бы столько жизней, происходило бы столько несчастий. Железо являлось основным металлом, из которого изготовляли многочисленные и разнообразные орудия для истребления людей. Недаром копье и щит, характерные принадлежности бога войны Марса, древние мудрецы сделали символом, обозначающим железо. Я предлагаю вам послушать эту запись: (Под музыкальное сопровождение звучат поэтические строки). (Приложение 3)

Научный консультант: Из руды получить металл удалось не сразу. Но когда это произошло, железо стало постоянным спутником человечества. Как же получали железо наши предки?

Историк: Вначале железо получали так называемым сыропродутным методом. Сыродутные печи устраивались прямо на земле, обычно на склонах оврагов и канав. Они имели вид трубы. Эту трубу заполняли древесным углем и железной рудой. Уголь зажигали, и ветер, дувший в склоны оврага, поддерживал горение угля. Такое железо называют “сварочным”.

Век “сварочного” железа был долгим. Однако людям древности и раннего средневековья было знакомо и другое железо. Знаменитую дамасскую сталь (или “булат”) делали на Востоке. Оно известно было ещё во времена Аристотеля (IV век до н.э.).

Но технология производства стали, так же как и процесс изготовления булатных клинков, много веков держалась в секрете.

Но об этом сказал поэт: (Зачитываются стихи). (Приложение 3).

Научный консультант: Наша планета богата железом. Основная масса его находится в месторождениях, которые можно разрабатывать промышленным способом.

(Ассистент комментирует таблицы “Железо и его соединения”, “КМА”)

Ассистент научного консультанта: Важнейшим источником железа являются залегающие на поверхности Земли или на небольших глубинах такие минералы, как: Магнетит Fe₃O₄; Гидрогетит FeO₂ • n H₂O; Гематит Fe₂O₃; Сидерит FeCO₃.

Они составляют основу главных железных руд – магнитного, бурого, красного и шпатового железняка. Больше всего железа в магнетите – 72,4%. Предлагаю присутствующим самостоятельно рассмотреть образцы минералов. (Лабораторный опыт: Изучение физических свойств магнетита.)

Научный консультант: Обратите внимание на особенность окраски магнетита, способность его намагничиваться и иметь большой удельный вес. (Ассистент комментирует таблицу)

Крупнейшее железорудное месторождение в России – Курская магнитная Аномалия. Помните:

Где бесновались “пантеры”,
“Тигры” сходили с ума,
Там распахнули карьеры
Железорудную КМА.
(Ю. Грязнов)

Более 90% рудных запасов КМА сосредоточено на территории Белгородской области.

Научный консультант: Об истории развития Оскольского электрометаллургического комбината – первенца бездоменной металлургии и его технологии продолжим наш разговор.

Географ: КМА получила всемирное признание в июне 1896 года. Академик Петербургской Академии наук П.Б. Иноходцев, определяя географическое положение ряда мест центральных и южных губерний России, обнаружил в районе Белгорода сильную аномалию поля земного магнетизма. Но это не вызвало большого интереса ученых Академии. Лишь через 100 лет русское географическое общество создало специальную “Постоянную комиссию по изучению магнетизма”, которая провела более 100 наблюдений в районе Курска-Белгорода. Об открытии величайшей в мире магнитной аномалии вскоре стало известно и в других странах.

Геолог: Проходка шахтных стволов, горных выработок, строительство первых рудников, начавшееся в Старооскольском регионе в 1931 году, сдерживалось из-за сложных геолого-гидрогеологических условий. Только много лет спустя, в 1959 году, для разработки чрезвычайно сложных обводненных месторождений КМА, был создан научно-исследовательский институт по осушению месторождений полезных ископаемых – ВИОГЕМ. В октябре 1952 года был сдан в эксплуатацию рудник им. Губкина комбината “КМА руда”. В 1959 году вошли в строй 1-ая очередь Лебединского карьера, затем Стойленский ГОК. В 1984 году выдал первую промышленную плавку Оскольский электрометаллургический комбинат. Горнодобывающая промышленность КМА стала основным поставщиком железо-рудного сырья России.

Научный консультант: Этот разговор настолько интересен, что я вижу, зрители игры и даже зарубежный партнер, представитель фирмы “Мидрекс”, и пресса записывают впервые обнародованные данные.

Геолог: По прогнозным данным, ресурсы руд в общем балансе страны составляют 73%. Поставки с предприятий КМА приближаются к 50%, в том числе с предприятий Белгородской области – 37%. Растет объем экспорта. Лебединский ГОК добывает более 42 млн. т. сырой руды и обеспечивает половину российского экспорта железнорудного сырья.

Технолог: Я хочу дополнить коллег из геолого-географического общества. Наше АО “Комбинат КМА руда” – единственное в области горнорудное предприятие, ведущее добычу железных руд подземным способом. “Комбинат КМА руда” ведет горные работы под Губкиным и в округе, но на город это не влияет – ни отвалов, ни пыли нет. И водоносные горизонты не перерезаны как в карьере. По сравнению с открытой разработкой ущерб природе минимален. Институты ННКМА, ВИОГЕМ и Центрогипроруда разработали уникальную технологию обработки железнорудного месторождения с закладкой выработанного пространства отходами обогащения. Это позволяет полностью утилизировать отходы обогащения, снизить себестоимость производства концентрата за счет уменьшения затрат на складирование “хвостов”. Для бурения скважин “Лебединцы” используют метод огневого бурения: направляют огнемет с t = 2000?С в готовую скважину и заставляют от высокой температуры шелушиться стенки скважин. Это обеспечивает снижение затрат на изменение руды при обогащении, повышается извлечение железа и его содержание в концентрате.

Научный консультант: О комплексе установок металлизированных брикетов нам подробно может рассказать деловой партнер АО “Комбинат КМА руда”.

Директор: Межминистерская комиссия западногерманского правительства на своем заседании 1 августа 1996 года приняла решение строительства Лебединским ГОКом завода по производству металлизированных брикетов, дающего отечественной черной металлургии шанс мощным рывком преодолеть все более увеличивающийся разрыв с промышленно-развитыми странами. В декабре 1997 года получен 1-ый брикет на новой установке Лебединского ГОКа. (Демонстрируется схема “Получение чистого железа в виде брикетов из руды”) Вы видите, как руда из карьера с содержанием Fe₂O₃ = 70% дообогащается на обогатительной фабрике до 98%, подается в реактор, где при высокой температуре происходит восстановление чистого железа из оксида. Восстановленное железо попадает на брикетировочные машины и формируется в брикеты. Условно готовый брикет можно сравнить по размерам с куском туалетного мыла. Готовые брикеты отправляют сталеплавильным заводам для выплавки различных марок сталей. Данная технология получения чистого железа из руды позволяет исключить доменный процесс получения чугуна из руды, из которого при переплавке получали сталь.

Научный консультант: ОЭМК – воплощение заветной мечты металлургов получать высококачественную сталь, минуя домны и мартены. Это возможно благодаря методу восстановления её из руды. А какова же технология на Старооскольском металлургическом?

Главный специалист ОЭМК: (Работает с таблицей “Схема развития цехов ОЭМК”) Это поясню вам я. Мелкораздробленную руду, смешанную предварительно с водой, по трубам перекачивают с помощью насосов с месторождения на завод окомкования. Здесь в ваннах-отстойниках от руды отделяют воду. Затем в огромных вращающихся барабанах, в которых руду смешивают со склеивающими, связующими веществами, получают окатыши. Окатыши – рудный материал, получаемый из мелкой (пылевидной) руды в виде прочных комков сферической формы до 2-3 мм. Эти окатыши загружают сверху в шахтную печь, в которой из них восстанавливают железо. Эта печь представляет собой округлую 50-метровую башню диаметром 6-8 м. Окатыши уже насыщены известью – они офлюсованы (извести требуется очень мало, т.к. в окатышах много железа). Для прямого восстановления железа можно использовать и твердый и газообразный восстановители. В восстановленных окатышах содержится 90-95 % железа. (Лабораторный опыт: изучение физических свойств металлизированных окатышей). Железорудные окатыши, в которых часть оксидов железа (95%) называют металлизированными; их используют в электроплавильных печах для получения качественной стали. У вас на столах представлены металлизированные окатыши. Рассмотрите их. Это и есть прямое восстановление металла без промежуточной стадии плавки в домнах. Но железо, полученное в шахтной печи, не является готовым продуктом. Это лишь полуфабрикат, хорошее сырье для выплавки высококачественной стали в дуговых электропечах. Из губчатого железа в этих печах с помощью очень высокой температуры, созданной особой атмосферы и специальных добавок, получают очищенный от ненужных примесей металл, превращенный в высококачественную сталь. После этого сталь направляют в сортопрокатный цех. Металл, изготовленный на ОЭМК, соответствует уровню мировых стандартов и по многим показателям значительно превышает их нормы. (Демонстрируется к/ф “ОЭМК”)

Металлург: Я хочу дополнить! Применяемая в современной технике сталь должна многое “уметь”: сопротивляться колоссальным давлениям, противостоять кислотам, щелочам и агрессивному действию горячих газов, выдерживать, не зная усталости, длительные перегрузки, не бояться ни жары, ни холода. Сталевар, чтобы выплавить сталь, обладающую ценными свойствами, должен ввести в нее специальные добавки: хром, марганец, никель, титан, вольфрам, ванадий, кремний и другие. У каждого металлического элемента свое назначение. Марганец придает стали высокую твердость; хром, особенно в сочетании с никелем, делает ее нержавеющей; кремний – упругой; вольфрам применяют для получения быстрорежущей инструментальной стали. (Демонстрация элементов по “Периодической таблице Д.И. Менделеева”).

Химик: Так как мы, “химики”, следим за графиком технологических процессов, можем уверенно сказать, что часто в сталь вводят несколько различных добавок сразу. Обычно эти добавки вводят в металл не в чистом виде, а в виде сплавов с железом – ферросплавов. Сталь, в которую вводят добавки, придающие ей особые свойства, называется легированной. Металл ОЭМК имеет фирменный знак “ПВ” – прямое восстановление. С 1990 года он поставляет прокат на экспорт и освоил производство более 100 марок стали по зарубежным стандартам, в том числе и легированных. Примерно 90% всех используемых человеком металлов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире очень много, примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах. Сплавы на основе железа универсальны, технологичны, доступны и дешевы! Железу еще долго быть фундаментом цивилизации! (Лабораторный опыт: учащиеся работают с коллекцией “Чугун и сталь”).

Научный консультант: Продолжая наше обсуждение, я хочу добавить: коксовая и бескоксовая металлургия по-разному относятся к проблемам экологии и экономики. При сжигании кокса в доменных печах в атмосферу переходят окислы серы. Превратившись в серную и сернистую кислоты, они возвращаются на землю в виде кислотных дождей, поражающих растительность. При получении самого кокса неизбежны выбросы в атмосферу и в воду бензпирена, фенолов и цианидов – ядов для всего живого. Существуют методы защиты природы от пагубного влияния коксовой металлургии, но они слишком дороги и не окупаются. Расскажите, как решаются вопросы экономики и экологии на Старооскольском ОЭМК?

Эколог: Энергоноситель бескоксовой металлургии – природный газ – не содержит серы; при его использовании не образуются бензпирен, фенолы, цианиды и другие вредные вещества. Металлургия не сопровождается образованием жидких продуктов. Оксиды азота, образующиеся при сжигании природного газа, развеваются высокими трубами и в приземном слое не превышают предельно допустимой концентрации. Опыт Оскольского электрометаллургического комбината показал, что как немецкие, так и отечественные фильтры позволяют очистить газ, выбрасываемый в атмосферу, до остаточного содержания ниже ПДК в несколько раз. ОЭМК, работая на полную мощность, кажется остановившимся предприятием – не видно дыма из его труб.

Лаборант: Вместе с химиками завода нам в лабораториях, созданных специально для контроля за изменениями среды, в связи со строительством ОЭМК, специалисты показали, что Старый Оскол стал даже чище: 80 малых угольных котельных заменили двумя мощными, работающими на природном газе. Использование в качестве закладки хвостов обогащения позволит не только извлечь руды в целиках, но и исключить складировать их в качестве отходов производства. 1,5–2% транспортных предприятий могут похвастаться тем, что имеют в своём распоряжении газоанализаторы или дымометры. А во всеуслышание заявить, что располагают автомобилями, оснащенными нейтрализаторами по последнему слову техники, вообще может сегодня, видимо, лишь одно такое крупное предприятие как Лебединский ГОК.

Экономисты: Теперь об экономике черной металлургии. Мы думаем, что эту проблему необходимо обсудить с финансовой точки зрения. Для коксовой металлургии надо везти руду, кокс и другие материалы дорогим сухопутным транспортом. Если завод “стоит на руде”, тогда только вывоз готовой продукции связан с затратами – на железнодорожный транспорт. Тепловые затраты почти одинаковы, поэтому бескоксовая металлургия будет конкурентоспособной до тех пор, пока стоимость единицы тепла в газе будет ниже, чем в коксе.

Экономист: Вскрытие породы Лебединского и Стойленского карьеров представлены скальными породами, пригодными для производства щебня, и рыхлыми породами – сырьё для строительной индустрии. Для переработки пород построены: завод силикатного кирпича, дробильно-сортировочная установка по производству щебня, завод керамзитного гравия, две линии по производству керамзитно-бетонных блоков, цех по дроблению мела. Металлический завод – яркий пример предприятия с комплексным использованием всех продуктов производства. Только половина перерабатываемой руды превращается в сталь, вторая половина переходит в шлак. Из этого шлака научились изготавливать строительные материалы. Из них можно сделать удобрения, которыми можно значительно снизить кислотность почв. Строительство на Лебединском ГОКе комплекса бескоксовой металлургии оправдано по экономическим и экологическим соображениям.

Экономист: На КМА надо смотреть вперед особенно далеко. Известные сегодня крупнейшие месторождения железной руды земного шара постепенно исчерпываются, из недр же Курской Магнитной Аномалии не извлечена даже сотая доля процента всех запасов. Добыча руды будет нарастать многие десятилетия, причем открытым и подземным способами. Началась работа на Яковлевском месторождении. А Яковлевское месторождение необычно даже для КМА: сотни миллиардов тонн богатейшей руды, содержащей более 60 % железа!

Директор: На примере нашего Оскольского ОЭМК мы с вами рассмотрели общие технологические принципы бескоксовой металлургии. Вы увидели их преимущество и, следовательно, даже наш зарубежный партнер из Германии будет удовлетворен и заинтересован в инвестировании производства стали. Предлагаю вам наш рекламный проспект.

Архивариус: Известно, что всегда актуальны опросы зрителей. Я предлагаю, чтобы успешно закончить обсуждение темы “Железо”, ответить на эти несколько вопросов. Ваши ответы будут очень важны для всех персонажей нашей деловой игры.

Закрепление

(Работа на местах в течении 2-х минут) (Приложение 2).

(Итоги тестирования – взаимопроверка).

Научный консультант: Эти результаты я передаю для изучения и обнародования в завтрашний выпуск газеты “Химический вестник”.

(Затем учитель-консультант подводит итоги урока).

Я благодарю участников игры и надеюсь, что информация, которую вы получили в ходе урока, поможет вам лучше понимать основные технологические принципы химических производств.

Корреспондент: Я думаю, моя будущая статья может называться “Белгородчина – железорудный хлебный край”.

Итог урока

В итоге урока оценивается работа участников игры. Выставляется поурочный балл. Учитель комментирует работу учащихся на уроке.

Домашнее задание

Учитель-консультант: На следующем уроке мы изучаем тему “Силикатная промышленность”. С помощью этого опорного сигнала повторите свойства кремния и его соединений, чтобы затем обсудить их в игре.

Литература

1. Валентинов А. Металла огненный поток. – М.: Детская литература, 1987.
2. Гербачевский В.П. Руда и люди: Сборник. – М.: Знание, 1985.
3. Глазунов Е.Г. Доклад о состоянии окружающей природной среды Белгородской области в 1995 году. – Белгород, 1996.
4. Глазунов Е.Г. Экологическое состояние водных объектов и пути его улучшения. – Белгород, 1996.
5. Джуа Л. История химии. М.: Мир, 1975.
6. Кирьянчук В.Е., Туркин А.В., Хрущев А.Т. Курская магнитная аномалия: итоги и перспективы освоения. – М.: Знание, 1985.
7. Кубенецкий Г. Чтобы приблизить век грядущий… – М.: Детская литература, 1982.
8. Кузнецов Н., Новоспасский К. Белгородская область. – Воронеж: Центрально-Черноземное издательство, 1974.
9. Крицман В.А., Станцо В.В. Энциклопедический словарь юного химика. – М.: Педагогика, 1982.
10. Мосин М.И., Кац Г.И., Кузнецов Н.А. Курская магнитная аномалия. В 2-х томах. – Белгородское книжное издательство, 1962.
11. Никифорова Г.П. Экология и химия. 9 класс. – Москва, 1994.
12. Соловьев Ю.И., Трифонов Д.И., Шамин А.Н. История химии. Книга для учителей. – Москва: Просвещение, 1984.