Разработка интегрированного урока по теме «Чёрная металлургия»

Интегрированный урок по химии и географии по теме «Чёрная металлургия»

Разработка учителя химии Юбко О.Н. и учителя географии Рыкуновой Н.Н.

Цели и задачи урока.

Образовательная:

научить обучающихся видеть мир целостным; закрепить знания о металлургической промышленности, ознакомить с химизмом металлургического производства, районами размещения отрасли, влиянием различных видов загрязнений на окружающую среду и здоровье человека.

2. Развивающая:

развивать у учащихся познавательный интерес и стремление к самостоятельному поиску знаний; развивать устную речь и умение применять полученные знания на практике.

3. Воспитательная:

воспитывать умение работать в коллективе.

Формы и технологии, использованные на уроке.

Урок проведён в форме деловой игры с распределением ролей.

Использовались технологии: проектная, групповая, информационно-коммуникационные, игровая, дифференцированное обучение.

Ход урока.

Обучающиеся предварительно были поделены на группы.

1 группа- технический отдел: начальник технического отдела, химик- технолог доменного процесса, химик- технолог мартеновского цеха, химик - технолог сталеплавильного цеха, экономист.

2 группа - экологи, географы.

3 группа - проектировщики по созданию новых металлургических баз.

4 группа - инвесторы.

5 группа - слабоуспевающие учащиеся, которые получили задание: составить кластер по данной теме урока.

I. Организационный момент. Вступительное слово учителя.

1. Сообщение темы урока. Урок проводится в форме круглого стола с элементами ролевой игры(производственное совещание сотрудников технического отдела). Для проведения круглого стола мы назвали урок таким образом «Возможно и необходимо ли создание новой металлургической базы на Дальнем Востоке?» (Слайд 1)

В конце урока мы должны ответить на поставленный в теме вопрос. А эпиграфом к уроку являются строки из стихотворения А. Блока:

«Век девятнадцатый-железный,

По истине железный век,

Тобою в мрак ночной беззвездный

Беспечный брошен человек».

2.Сообщение целей урока. (Слайд 2)

3. Для проведения урока мы разбились на группы:

1 группа-технический отдел, который включает специалистов: химики, химики-технологи, экономисты, экологи.

2 группа-проектная, специалисты должны предложить конкретные проекты по созданию металлургических баз.

3 группа- инвесторы, которые оценят, какой комбинат более выгодный для вложения средств.

(Группа учащихся, не выступающих на круглом столе, получает задание создать кластеры по теме «Чёрная металлургия»)

II. Выступления групп.

Учитель.

–Теперь я передаю слово руководителю технического отдела.

Руководитель технического отдела.

- Мы сегодня проводим расширенное совещание, на которое приглашены специалисты нашего ТО, представители комитета по природопользованию, проектная группа, инвесторы. Слово предоставляется главному экономисту ТО.

Главный экономист. (схема «Энергопроизводственные циклы»)

Особенности металлургической промышленности.

Металлургический комплекс – совокупность отраслей, производящих разнообразные металлы.

Металлургическому комплексу России присущ целый ряд особенностей, влияющих на его географию.

Металлургия охватывает весь процесс производства металлов: добычу и подготовку руд, топлива, выпуск металлов, производство вспомогательных материалов( огнеупоров, кислорода т. д.). Поэтому в металлургическом производстве широко развито комбинирование.

В чёрной металлургии преобладает комбинирование на основе последовательной переработке исходного сырья ( руда - чугун - сталь - прокат ). Комбинаты дают основную часть стали и весь чугун.

2. В металлургии России высокий уровень концентрации и
монополизации производства. 200 крупнейших предприятий ( 5% от
общего количества) производят 52% продукции чёрной металлургии.

Металлургический завод строится несколько лет силами 20 тыс. строителей. В последствии на нём работают 20-40 тыс. человек. Следовательно: металлургия трудоёмкая отрасль.

Для металлургии характерна большая металлоёмкость. На одну тонну стали потребуется 7 тонн сырья и Затраты на создание металлургического предприятия огромны. Может достигнуть десятки миллиардов рублей.

Металлургия крупный загрязнитель окружающей среды. На её долю приходится 20% всех промышленных выбросов в атмосферу и сточных вод.

Руководитель технического отдела.

- Сейчас я предлагаю посмотреть фрагмент фильма о значении химической науки в развитии металлургии.

Просмотр фильма.(3 минуты)

- Какие химические процессы происходят при выплавке чугуна и стали, какие при этом используются конструкционные аппараты расскажут химики-технологи нашего отдела.

1 химик-технолог:

Химические реакции, лежащие в основе производства чугуна. (Слайд 7)

Химические реакции, протекающие в доменной печи.

1. Топливо, восстановители.

C+O2 =CO2

С+CO2 =2CO – главный восстановитель руды.

2. Восстановление железной руды.

3Fe2O3 + CO =2Fe3O4 + CO2

Fe3O4 +CO =3FeO + CO2

FeO + CO =Fe + CO2

3. Образование шлака

СаСO3 = CaO + CO2

флюсы

СaO + SiO2 = CaSiO3 -шлак

Для производства чугуна используют железные руды: бурый железняк, красный железняк, магнитный железняк, а также кокс и флюсы.( демонстрация коллекции).

Доменную печь последовательно загружают шихтой: железной рудой, смешанной с флюсами, затем коксом, опять железной рудой и т.д. Снизу вдувают нагретый воздух, обогащённый кислородом. Кокс сгорает. Образующийся оксид углерода(IV), поднимаясь, соприкасается с раскалённым углем и реагирует с ним с образованием угарного газа. Оксид углерода( II) является основным восстановителем железа из его оксидов. Восстановление железа происходит последовательно: (реакции). Частично восстанавливаются также из оксидов марганец, кремний, фосфор и сера. Восстановленное железо в жидком состоянии растворяет эти вещества, и образуется жидкий чугун.

В железной руде содержатся тугоплавкие примеси. Чтобы их расплавить и удалить, к загруженным в доменную печь руде и коксу добавляют флюсы. Они образуют с примесями легкоплавкие соединения, называемые шлаками. Обычно руда содержит оксид кремния, потому в качестве флюсов применяют известняк или доломит.(реакции).

Чугун и шлак не смешиваются: чугун с большей плотностью образует нижний слой, а шлак всплывает.

2 химик-технолог:

Устройство доменной печи. (Слайд 8,9,10)

Доменная печь имеет форму двух усечённых конусов, соединенных основаниями. Высота современной доменной печи достигает более 60 м, а диаметр-10 м. Стены домны выкладывают из огнеупорного кирпича и снаружи скрепляют стальной оболочкой. Верхняя часть доменной печи называется колошником, средняя-шахтой, а наиболее широкая часть-распаром. В нижней части домны находится горн. Внизу горна накапливаются слоями жидкий чугун и шлак, которые удаляются через отверстия: через верхнее- шлак, а через нижнее-чугун. В верхней части горна находится отверстие для вдувания воздуха. Наверху доменной печи имеется автоматическое загрузочное устройство, которое состоит из двух воронок. Руда и кокс сначала поступают в верхнюю воронку, а при её опускании- в нижнюю. При опускании нижней воронки руда и кокс попадают в печь. Во время загрузки печь остаётся закрытой. Благодаря этому газы в атмосферу не поступают, а попадают в специальные печи-регенераторы, где они сгорают.

Условия, ускоряющие хим. реакции в доменной печи.

Производительность домны зависит не только от её размера, но и от скорости протекания в ней хим. процессов. Скорость хим. реакций увеличивается

При повышении концентрации реагирующих веществ. Для этого железную руду обогащают, а к вдуваемому воздуху добавляют кислород. Концентрацию реагирующих веществ увеличивают также введением в доменную печь природного газа. Скорость реакций зависит от поверхности соприкосновения реагирующих веществ. С учётом этого загружаемые в доменную печь руду, кокс и флюсы размельчают до оптимальных размеров, слишком мелкие куски спекают, иначе они закроют проход газам.

Скорость хим. реакций зависит от температуры. Для повышения температуры воздух, вдуваемый в домну, предварительно нагревают в регенераторах. Для этого же используют принцип противотока.

Руководитель технического отдела.

-Большая часть чугуна идёт на производство стали, поэтому он называется передельным. Сейчас мы заслушаем, какие процессы происходят при выплавке стали.

3 химик-технолог: Процессы, происходящие при выплавке стали. (Слайд 16)

Химические реакции, протекающие при производстве стали.

1.Окисление примесей.

2С + O2 =2COS + O2 = SO2

Si + O2 = SiO22Fe + O2 =2FeO

2Mn + O2 = 2MnO 4P + 5O2 = 2P2O5

2. Окисление примесей кислородом оксида железа.

С + FeO = Fe + CO2 Mn + FeO = Fe + MnO

Si + 2 FeO = Fe + SiO2 2P + 5FeO = 5Fe + P2O5

3. Образованиешлака.

CaO + SiO2 = CaSiO3

3CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2

Сталь получают из чугуна и железного лома. Чугун отличается о стали большим содержанием углерода и кремния. В чугуне содержатся также значительные количества серы и фосфора. Эти примеси нежелательны, т.к. сера придаёт стали красноломкость, а фосфор –хладноломкость(хрупкость при обработке в обычных условиях). Для получения стали из чугуна необходимо уменьшить в нём содержание углерода и кремния, а серу и фосфор удалить по возможности полнее. Это достигается окислением примесей кислородом воздуха.

(Комментарий реакций). Образовавшийся оксид железа(II) тоже участвует в окислении примесей.

Для удаления оксидов кремния и фосфора к перерабатываему чугуну добавляют известь. Образовавшийся силикат и ортофосфат кальция- легкоплавкие вещества, они в виде шлака всплывают на поверхность расплавленной стали.

Существует несколько способов переработки чугуна в сталь.

Кислородно-конверторный способ. (Слайд 11,12,13)

При переработке чугуна в сталь по этому методу процесс окисления примесей осуществляется в больших металлических сосудах грушевидной формы- конверторах. Кислородный конвертор выложен изнутри огнеупорной кладкой. Через горловину в него заливают расплавленный чугун, загружают металлолом с небольшим количеством извести. В конвертор под давлением нагнетают воздух, обогащённый кислородом. При этом происходит окисление примесей. Основное достоинство этого способа заключается в том , что он экономичен. Для поддержания нужной температуры не требуется сжигать топливо, необходимая температура достигается в результате экзотермических реакций.

Мартеновский способ. (Слайд 14,15)

При производстве стали мартеновским способом окисление примесей проиводится в печи, которая состоит из ванны и регенераторов. Ванна выложена огнеупорным кирпичем и перекрыта сверху сводом. Шихту загружают через загрузочные окна, которые закрывают крышками с отверстиями для наблюдения за процессом. В задней стенке имеется специальное отверстие для выпуска стали.

Преимущество мартеновского способа заключается в том, что процесс переработки чугуна в сталь можно легко контролировать и получать стали различных марок.

Фрагмент фильма «Весна на Заречной улице» о получении стали в мартеновской печи.

Производство стали в электропечах.

В электропечах необходимая температура(около 2000 ⁰ С) достигается с помощью дугового метода. Это позволяет получать высококачественные легированные стали с высокими температурами плавления. Кроме того сооружение электропечей обходится дешевле, чем мартеновских.

Руководитель технического отдела.

-Для выплавки стали и чугуна созданы металлургические базы. Основная их часть сосредоточена в Западной части России.

Это 3 крупнейшие металлургические базы. Их представляют экономисты.

1 экономист. (карта)

Металлургические базы

Центральная металлургическая база. - сравнительно молодая. Она создаётся на железных рудах КМА и Кольско - Карельского района, запасах металлолома, коксующихся углей Печорского бассейна, Донецкого и Кузнецкого бассейнов.

Крупнейшие центры чёрной металлургии – Череповец, Старый Оскол, Липецк.

Уральская база имеет крупные запасы железной руды ( Качканар) В настоящее время железной руды стало не хватать, поэтому её привозят из КМА, Кольского полуотрова, Казахстана. Уголь привозят из Кузбасса, и Казахстана.

Крупнейшие центры – Нижний Тагил, Челябинск, Магнитогорск.

Сибирская металлургическая база - формируется. Южно - Сибирский район развивается на кузнецком угле и месторождениях железной руды Приангарья и Горной Шории.

Крупнейший центр - Новокузнецк.

Ввоз проката черных металлов металлургическими базами

Производство стали в России, млн.т.

Руководитель технического отдела.

-На размещение металлургических предприятий оказывают влияние различные факторы.

2 экономист. Факторы размещения металлургических комбинатов.

На размещение металлургических комбинатов большое влияние оказывают: 1) особенности используемого сырья ( руды), 2) применяемый для получения металла вид энергии, 3) география сырьевых энергетических источников.

Металлургические предприятия выгоднее всего создавать в сырьевых и энергетических базах, а иногда и между ними. При размещении учитывают также обеспеченность водой и транспортными путями, необходимость охраны природы.

Руководитель технического отдела.

-Экономический отдел проанализировал проблемы в размещении комбинатов.

3 экономист. (мультимедиа)

Технико-экономические показатели работы крупных промышленных предприятий

Руководитель технического отдела

-В ближайшем будущем в России возможны значительные сдвиги в географии металлургии. Они обусловлены различными причинами. В России возможно появление ещё одной металлургической базы на Дальнем Востоке. Существуют проекты создания металлургических баз, их представят специалисты проектной группы.

1 проект.

Проектная группа.

Мы предлагаем создать металлургическую базу на территории Дальнего Востока, так как в районе Хабаровского края открыли месторождения коксующегося каменного угля ( Огоджинское, Ургальское), месторождение железной руды ( Гаринское) по Байкало-Амурской магистрали можно дополнительно привозить коксующийся уголь с меторождения Нюренгри, а железную руду из Якутии ( Десовское, Гионерского месторождения) по БАМу. Для создания в этом районе металлургической базы существуют не только благоприятные транспортные условия и наличие железной руды и каменного угля, но и наличие других природных ресурсов, необходимых для развития металлургической базы, а именно наличие водных ресурсов, руд цветных и редких металлов, наличие легирующих металлов,

гидроэнергетических ресурсов, водных ресурсов. Экономическая политика России направлена на развитие территории Дальнего Востока, на привлечение рабочей силы на дальнейшее освоение этого района и развитие в этом регионе экономических связей с соседними государствами: Китаем, Японией, Монголией. Выгодно разместить металлургический комбинат вблизи города Комсомольска-на-Амуре, так как он расположен на пересечении железно дорожных, речных, морских путей и выгодно к расположению полезных ископаемых.

Руководитель технического отдела.

-Мы не учли такой важный аспект при создании металлургической базы как экологический. Сейчас заслушаем специалистов комитета по природопользованию, которые проводили анализ предложенных проектов с точки зрения экологии.

1 эколог (мультимедиа)

Черная металлургия выделяет много вредных веществ. Над агломерационными фабриками тянутся из труб «лисьи хвосты» - клубы едкого дыма. Это продукты выгорания серы из руд железа – 190 кг серы на 1 т. железа.

Выбросы вредных веществ в расчёте на 1 т чугуна

Химические реакции, происходящие при взаимодействии вредных выбросов с компонентами окружающей среды.

SO2 + H2ODH2SO3 (сернистая кислота)

CO2 + H2ODH2CO3 (угольная кислота)

As2O5 + H2O = 2 HAsO3 (мышьяковая кислота)

P2O5 +3 H2O = 2 H3PO4 (фосфорная кислота)

Инвесторы. Мы готовы вложить деньги в создание металлургического комбината под Хабаровском, но нас волнуют вопросы природопользования, которые возникают при этом. Какие пути решения экологических проблем Вы можете предложить?

2 эколог (мультимедиа)

Предложение эколога.

Можно добывать руды не нарушая ландшафта, с помощью био – или геотехнологий. В первом случае в скважину, пробуренную к рудному пласту, закачивают раствор с бактериями, способными накапливать в своём теле добываемый металл. В втором используют растворитель руды и по другой скважине на поверхность извлекают рудный раствор. Себестоимость металла при этом снижается в 2 раза, затраты - в 4 раза, возрастает производительность труда.

На копоти металлургических заводов новая технология позволяет получать графит.

3 эколог.

При развитии металлургического производства возникает необходимость эффективно использовать природные ресурсы с извлечением из перерабатываемого сырья максимального количества ценных продуктов, т. е. необходимо стремиться к созданию безотходного производства. При обжиге руд образуются газы, содержащие оксид серы(IV)

Так как он загрязняет окружающую среду, то на многих современных производствах этот газ при помощи специальных устройств улавливается и используется для производства серной кислоты. В результате этого не допускается загрязнение окружающей среды и хозяйство страны получает дополнительную прибыль. Например, при получении 1т металла улавливается оксид серы, из которого можно получить 10 т серной кислоты.

Шлаки нашли применение в строительстве, в с/х, а ведь раньше они занимали большие площади на территории комбината. В целях комплексного использования сырья и с пользой для человека, экономисты предложили строить шлаколечебницы при металлургических комбинатах. Известно, что температура шлаковых вод, наличие в них сернистых соединений, помогают больным избавиться от кожных заболеваний, ревматизма.

В целях предотвращения сброса загрязнённых вод в водоёмы и экономии воды можно создавать замкнутые водооборотные системы, утилизировать твёрдые отходы, дымовые газы в полном объёме, а также создать территориально-промышленные комплексы с предприятиями, взаимосвязанными принципами безотходной технологии в масштабах всего экологического района. Природа не прощает халатного отношения к себе, ошибок и промахов людей.

Инвесторы.

Мы согласны вложить средства в развитие металлургической базы в районе Дальнего Востока около города Комсомольска-на-Амуре, так как здесь выявлены большие запасы полезных ископаемых для развития металлургической промышленности и существуют перспективные условия сохранения природы и окружающей среды, а также хорошо развитые транспортные магистрали. В Комсомольске-на-Амуре существует много учебных заведений, научных институтов, которые помогут в создании металлургической базы.

III. Подведение итогов круглого стола.

IV.Анкета.

Считали вы проведение интегрированных уроков необходимыми? (да, нет)

2.Считаете ли вы подготовку к таким урокам трудоёмкой? (да, нет)

3. Понравилось ли вам проведение изучения данной темы в виде ролевой игры? (да, нет)

4. Испытывали ли вы трудности при подборе дополнительной информации? (да, нет)

5. Удалось ли вам найти контакт и взаимопонимание в ходе деловой встречи? (да, нет)

6. Считаете ли вы такую форму проведения урока утомительной? (да, нет)

7. Сыграл ли данный урок положительную роль в выборе сдачи экзамена по данным предметам и выборе профессии? (да, нет)

Анализ ответов учащихся на вопросы анкеты показал, что интегрированный урок является интересной формой получения знаний для учащихся, способствующей расширению кругозора учащихся, ориентирующих их на выбор будущей профессии.

V. Контроль знаний. Проверочная работа.

I вариант.

1. Запишите реакции:

а) восстановление железа из руды, содержащей оксид железа(III), происходящий в доменной печи;

б) взаимодействие содержащихся в промышленных выбросах оксидов мышьяка (V) и фосфора (V) с водяными парами;

в) взаимодействие извести с тугоплавкими примесями оксида кремния (IV) с образованием шлака.

2.Перечислите основные факторы размещения металлургической отрасли.

II вариант.

1. Запишите реакции:

а) окисление примесей (углерода, серы, марганца), содержащихся в передельном чугуне кислородом , происходящее при выплавке стали;

б) взаимодействие содержащихся в промышленных выбросах углекислого и сернистого газов с водяными парами;

в) взаимодействие извести с тугоплавкими примесями оксида фосфора (V) с образованием шлака.

2.Перечислите основные металлургические базы на территории России.

VI. Подведение итогов урока. Выставление оценок.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/228610-razrabotka-integrirovannogo-uroka-po-teme-chj