Металлургическая промышленность Казахстана

 

№______САБАҚТЫҢ ЖОСПАРЫ

ПЛАН ЗАНЯТИЯ №_______

Топ

Группа________________________________________

Күні

Дата____________________________________

Пәні

Дисциплина: Химия

Сабақтың тақырыбы:

Тема учебного занятия: Металлургическая промышленность. Производство чугуна, стали и алюминия.

Цель урока: Сформировать понятие о металлургии; изучить основные промышленные способы получения чугуна, стали и алюминия  .

Задачи урока:

1.Образовательная:  систематизировать знания учащихся о природных соединениях железа и алюминия как основе черной и цветной металлургии ; о научных принципах производства чугуна, стали и алюминия . 

2.Развивающая: продолжить формирование навыков самостоятельной работы учащихся с учебником, научно-популярной литературой; развивать познавательную активность учащихся, способствовать выработке навыков наблюдения, умения делать выводы.

3.Воспитательная:  содействовать экологическому образованию и воспитанию учащихся;  продолжить формирование знаний о целесообразном и экономически обоснованном подходе в химическом производстве веществ и материалов;

 Тип урока: урок формирования знаний.

Методы и средства обучения: информационно-коммуникативный; частично-поисковый; эвристическая беседа; современные электронные средства обучения

Оборудование: компьютер, интерактивная доска  .

Ход урока:

1.Мобилизирующий момент.

2.Проверка ЗУН:

-Какие способы получения металлов используются в промышленности? Приведите примеры.

-Что такое химическая технология?

-Что является целью химической технологии?

-Что такое промышленная химия?

-Почему технологический процесс, отработанный в химических лабораториях, часто не идёт в заводских условиях?

-Перечислите и объясните общие технологические принципы, применяемые в современных химических производствах.

3.Объяснение материала:

Первые сведения использования металлов в хозяйственной деятельности людей относятся к 4-3 тыс. до н.э. Это время называют медным веком или энеолитом (от лат. аeneus – медный и греч. lithos – камень)

   Основное занятие населения - мотыжное земледелие, скотоводство и охота. В это время помимо каменных орудий появляются медные орудия.

   Скажите, а в чем преимущество медных орудий труда перед каменными? Это легкая обрабатываемость и легкость в обращении.

 Историки считают медный век переходным периодом от каменного к бронзовому веку  ( конец 4 начало 3 тыс. до н.э.)

    В чем причина того, что постепенно бронза заменила чистую медь и именно из этого сплава начали изготавливать орудия труда и оружие? Медь - металл мягкий и легко деформируется, а бронза более прочная и твердая.

  Но со временем и бронза отошла на второй план. Сейчас бронзу используют для производства пружин, шестерней, часовых механизмов, художественных изделий. Бронза – это один из основных материалов скульпторов. Знаменитые Царь-пушка и Царь-колокол также отлиты из сплава меди с оловом.

   А вот когда человек научился получать температуру более 1500 °С наступила эпоха изделий из железа и его сплавов – чугуна и стали. Это время стали называть железным веком, начало которого датируют с середины 1 тыс. до н.э.

 А когда закончился железный век?

Наверное, условно можно сказать, что железный век продолжается и по сей день. Ведь примерно 9/10 из всех используемых металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Ни одна сторона человеческой жизни не обходится на сегодняшний день без использования металлов и сплавов из них.  

Учитывая большую значимость металлов, мы должны знать, как же их получают. Поэтому главная цель нашего урока изучить основные промышленные способы получения чугуна, стали и алюминия  .(Записываем тему урока)

Что же такое металлургия?

 Металлургия ( от греч. metallurgio – обрабатывать металлы) – это область науки, техники и отрасль промышленности, охватывающие все процессы получения металлов, сплавов и прокатных профилей из них.

                                                                                           Металлургия

                                                             Чёрная                                                                   цветная

                                   получение железа и сплавов                 получение 70 металлов с более   ценными

                                                  на его основе                                                                 свойствами

 

На долю чёрных металлов(железо, марганец, хром) приходится около 90% всей производимой в мире металлопродукции. Среди цветных металлов первое место по размерам производства занимает алюминий.

        Я хочу рассказать историю открытия алюминия. Однажды к римскому императору Тиберию пришел незнакомец. В дар императору он преподнес изготовленную им чашу из блестящего, как серебро, но чрезвычайно легкого металла. Мастер поведал, что этот никому не известный металл он сумел получить из глинистой земли. Должно быть, чувство благодарности редко обременяло Тиберия, да и правителем он был недальновидным. Боясь, что новый металл с его прекрасными свойствами обесценит хранившееся в казне золото и серебро, он отрубил изобретателю голову, а его мастерскую разрушил, чтобы никому не повадно было заниматься производством «опасного металла». Спустя полторы тысячи лет в историю алюминия была вписана новая страница. Это сделал талантливый немецкий врач и естествоиспытатель Парацельс Филипп.
В 1825 г. ученый из Дании К.Х. Эрстед (1777 – 1854) стал исследовать глинозем (соединение алюминия с кислородом). Он нагревал смесь глинозема и угля с хлором. Полученный хлорид алюминия он восстанавливал амальгамой калия. В результате получил металл, похожий на олово, но он не провел опыты, подтверждающие чистоту металла.
В 1827 г. эксперименты Эрстеда повторил Ф. Вёлер. Вместо амальгамы он использовал чистый калий. В результате эксперимента он получил 30 г порошкообразного алюминия и исследовал его свойства.
Начались поиски способов его получения. В то время французская администрация императора Наполеона III готовилась к войне против России. Император мечтал из нового открытого металла вооружить своих солдат. Вскоре он дал поручение известному французскому ученому Сен-Клер Девилю найти промышленные способы алюминия. Каким бы могущественным ни был император, его мечта сразу не воплотилась. По поручению императора Наполеона известный французский ученый Сен-Клер Девиль построил первый алюминиевый завод. В основу производства была взята реакция между хлоридом алюминия и металлом натрия. Этот химический метод не дал хорошего выхода алюминия и в течение пяти лет работы было произведено всего 1680 кг алюминия. Полученный таким способом алюминий был равноценен золоту.
В то время не было возможности наладить производство этого металла в большом количестве. Из первого алюминия, полученного на заводе, для императора были изготовлены пуговицы. Оставшийся алюминий был отправлен на выставку.

Современный способ получения алюминия (после чего наладили массовое производство) изобретён американцем И.Холлом и французом П.Эру в 1886 г. Он заключается в электролизе раствора оксида алюминия в растворе криолита.

 Технология получения алюминия из руд состоит из 4 производств, связанных между собой технологической цепочкой и производимыми продуктами. Она включает:

1.производство глинозёма

2.производство фтористых солей и криолита

3.производство угольных изделий(электродов и блоков футеровки)

4.производство электролитического алюминия

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al₂O₃.К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. 

Алюминий получают из оксида алюминия Al₂O₃ электролитическим методом. Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного  алюминия примеси удаляются с большим трудом. Очищенный Al₂O₃ получают переработкой природного боксита.

Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид  алюминия. Он не проводит электрический ток и имеет очень высокую температуру плавления(около 2050 ^oC), поэтому требуется слишком много энергии.

Необходимо снизить температуру плавления оксида алюминия хотя бы до 1000 ^oC. Такой способ параллельно нашли француз П. Эру и американец Ч. Холл. Они обнаружили, что глинозем хорошо растворяется в расплавленном криолите — минерале состава AlF₃.3NaF. Этот расплав и подвергают электролизу при температуре всего около950 ^oC на алюминиевых производствах. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия.

Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na₃ [AlF₆ ] и оксида алюминия. Смесь, содержащая около 10 весовых процентов Al₂O₃,плавится при 960 ^oC и обладает электропроводностью, плотностью и вязкостью, наиболее благоприятствующими проведению процесса. Для дополнительного улучшения этих характеристик в состав смеси вводят добавки AlF₃,CaF₂ и MgF₂. Благодаря этому проведение электролиза оказывается возможным при 950 ^oC.

Электролизёр -стальная ванна прямоугольной формы внутри выложена огнеупорным кирпичом и блоками из угольной массы. В нижние блоки закругляются расплавленный алюминий – это катод. Над слоем жидкого алюминия находится расплавленный электролит, в который сверху опущен угольный анод, он постепенно сгорает, его наращивают, загружая в алюминиевый кожух анода углеродистую массу . Сверху и со стороны боковых стенок электролит вследствие охлаждения воздухом – застывает, образуя сплошную корку.

При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий, обладающий большей плотностью, чем исходный расплав, собирается на дне электролизера, откуда его периодически выпускают. По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Выделяющийся при электролизе кислород взаимодействует с углеродом анода, который выгорает, образуя CO и CO₂

Электролизёр работает непрерывно, но Al₂O₃ загружают в ванну порциями через 2 суток. Накопившийся алюминий сливают в ковш, из  которого предварительно откачивают воздух. Жидкий алюминий по трубе засасывают в ковш, а затем из него разливают по формам.  

Казахстан богат алюминиевыми рудами. Однако до второй половины ХХ в. в Казахстане не было ни одного завода по производству алюминия. Огромное богатство оставалось неисследованным и невостребованным. Вообще строительство алюминиевых заводов происходило наряду со строительством электростанций, так как для получения одной тонны алюминия необходимо было затратить 18 тыс. киловатт-часов электроэнергии.
В Казахстане в 2007 г был построен Павлодарский электролизный завод по получению алюминия. На этом заводе используется иртышская вода(Екибастузкая ГРЭС), экибастузский уголь и торгайские бокситы. Электролиз расплава проводится при температуре 1000ºС, пропуская ток силой 60 000А, напряжением 4 -6 В. Для получения одной тонны алюминия расходуется 20 000 кВт/ч электроэнергии. Применяя последние технические достижения, Павлодарский завод выпускает самый дешевый алюминий. Планируется довести производство алюминия до 240 тыс. т в год.

 В настоящее время в промышленном масштабе алюминия производится очень много, так как он даёт по свойствам лёгкие, прочные сплавы: силумин, магналий, дюралюминий. Применяют  в самолётостроении, автомобилестроении и для производства железнодорожных вагонов. Алюминий -  хороший проводник электричества, поэтому применяют в электротехнике. Алюминий легко прокатывается в фольгу толщиной 0,005 мм.

Преимуществом металлургии Казах­стана является наличие собственной ми­нерально-сырьевой базы. Казахстан полностью обеспечивает потребности своей индустрии в сырье, поскольку располагает поистине огромными запасами различных полезных ископаемых. К примеру, оцененные запасы железной руды в стране составляют 16,6 млрд т, что соответствует 6% общемировых запасов данного сырья. Из них около 8,8 млрд т изучены и в настоящее время доступны для промышленной разработки. Производство черной металлургии в основном сосредоточено на предприятиях Карагандинской области (более 60% всей производимой в республике продукции). В области действует крупнейшее предприятие металлургической промышленности Казахстана - Карагандинский металлургический комбинат "Испат-Кармет", который производит 100% чугуна и готового проката черных металлов и более 90% стали.

Производство чугуна

Сырьем для производства чугуна и стали являются железные руды:

магнетит Fe₃O₄ (содержит до 72% Fe),

гематит Fe₂O₃ (содержит до 65% Fe),

лимонит Fe₂O₃ · nH₂O (содержит до 60% Fe),

 Доменная печь имеет форму двух усеченных конусов, соединенных основаниями.

Высота доменной печи более 60 м, диаметр – около 10 м.

Стены доменной печи выкладывают из огнеупорного кирпича и снаружи скрепляют стальной оболочкой.

Верхняя часть доменной печи называется колошником, средняя – шахтой, а наиболее широкая – распаром. В самом низу находится горн, имеющий цилиндрическую форму. Внизу горна накапливаются жидкий чугун и шлак, в верхней части горна есть отверстие для вдувания воздуха. Наверху домны имеется автоматическое загрузочное устройство. Внутренний объем печи 5000 м³.

Доменная печь работает в режиме противотока. Сверху в печь непрерывно подается раздробленная до определенных размеров руда и кокс. Снизу вверх движется нагретый газ – восстановитель – монооксид углерода СО: он получается в нижней части домны при сгорании кокса в потоке воздуха, обогащенного кислородом. При сгорании углерода вначале образуется углекислый газ СО₂, который проходит через расположенный кокс и превращается с СО. Он восстанавливает железо из оксида железа (III) через промежуточные продукты:

1) С+О₂  → СО₂;

2) СО₂ + С→2СО

3) 3Fe₂О₃+СО → 2Fе₃О₄+СО₂

4) Fе₃О₄+СО → 3FeО+СО₂

5) FeО+СО → Fе + СО₂

В результате получаем чугун – сплав железа, содержащий 3,0 – 4,5 % углерода

Распределение температуры в доменной печи следующее: 1850°С в горне; ≈ 1100°С в распаре; 250-200°С в шахте.

Столь высокая температура в горне обеспечивается экзотермической реакцией горения угля.

Но нельзя ли как-то интенсифицировать все эти процессы?

Производительность доменной печи зависит не только от ее размера, но и от скорости протекания в ней химических процессов.

-Скорость химических реакций увеличивается при повышении концентрации реагирующих веществ. Поэтому железную руду обогащают, т.е. отделять ее от пустой породы, а к вдуваемому в печь воздуху добавлять кислород.

-Скорость химических реакций зависит от поверхности соприкосновения реагирующих веществ. С учетом этого загружаемые в доменную печь руда и кокс должны состоять из кусков определенных размеров. Крупные куски необходимо измельчать,  а слишком мелкие укрупнять спеканием, иначе мелкие куски закроют проход газам.

-Скорость реакции зависит от температуры. Для повышения температуры воздух, вдуваемый в печь, предварительно необходимо нагревать в регенераторах.

Чугун хрупок, при ударе ломается. Изделия из него массивны и тяжелы: станины и маховики машин, решетки, крышки люков, трубы, мясорубки, сковородки . Основная часть чугуна используется для передела его в сталь.

Производство стали

Конвертер – большой металлический сосуд грушевидной формы. Изнутри конвертер выложен огнеупорной кладкой.

Загружают конвертор в горизонтальном положении.

Воздух или чистый кислород подается в конвертор под давлением через фурму.

 Химизм процесса

 Сущность передела чугуна в сталь в конвертере сводится к удалению из чугуна избыточного углерода, кремния, фосфора и серы путем их оплавления, связывания и удаления в виде шлака:  

 2С+О₂ → 2CО                                       

 Si+О₂ → SiО₂

4Р+5О₂ → 2Р₂О₅

 S+О₂ → SО₂

Mn + FeO = Fe + MnO

СаО +SiO₂ = CaSiO₃

 Получаем сталь – сплав железа, содержащий менее 2% углерода. 

Для поддержания нужной температуры в конвертере не требуется сжигать топливо. Необходимая температура (около 1700°С) достигается в результате экзотермических реакций окисления примесей.

Сталь упруга, поддается ковке и прокатке, прочна. Ее можно ковать и штамповать из нее различные мелкие детали машин, прокатывать в листы. Чем больше в стали углерода, тем она тверже. Наш комбинат производит как твердые, так и мягкие стали. Мягкие стали применяют для изготовления кузовов автомобилей, корпусов холодильников, консервных банок, листов кровельного железа, твердые стали – для изготовления быстрорежущих инструментов.  

Для получения высококачественных сталей применяют плавку в электрических печах. В электропечах создается высокая легко регулируемая температура (до 2000° С), что позволяет тщательнее удалить из стали вредные примеси, выплавлять стали с присадкой тугоплавких легирующих элементов (Mo, W и др.), добиваться хорошего раскисления и дегазации. Точная регулировка протекания процесса плавки позволяет получить металл с заданными свойствами.

Однако этот способ более дорогой, чем рассмотренные выше, поэтому в электропечах выплавляют лишь высококачественные стали с особыми физическими и химическими свойствами.
 

        Металлургия – крупный загрязнитель окружающей среды. На ее долю приходится 20% всех промышленных выбросов в атмосферу и сточных вод. Ежегодно металлургические предприятия выбрасывают в атмосферу более 10 млн. тонн вредных веществ, среди которых гигантское количество разнообразных металлов. При открытой добыче руд из хозяйственного оборота изымаются десятки тысяч гектаров земли.  Огромные средства расходуются на строительство очистных сооружений и рекультивацию нарушенных земель.  При производстве алюминия негативное влияние на окружающую среду оказывают выделяющиеся вредные газы и отходы, так как алюминий относится к токсичным элементам. Безопасность природной среды может быть обеспечена, если будут разработаны новые технологии производства алюминия, очищаться сточные воды, строго контролироваться выбросы соединений алюминия. Можно добывать руду, не нарушая ландшафт, с помощью био- или геотехнологий.

 

4.Закрепление.

Решите задачу:

Образец сплава железа с углеродом массой 8 г растворили в соляной кислоте. Объём выделившегося водорода составил 0,06 л при нормальных условиях. Какой сплав железа был взят? Определите массовую долю углерода в сплаве.

 

Глинозем используют для получения алюминия электролизом в расплаве. Выделившийся на аноде кислород окисляет графитовый анод, образуя углекислый газ. Какая масса алюминия было получена, если в результате реакции на аноде собран газ объемом 67,2 л (н. у.)   

 

Если выход железа 92%, то какая масса углерода расходуется для полного восстановления 786 т магнетита(Fe₃O₄), содержащего 15% примесей

 

5.Подведение итогов.

6.Рефлексия.

7.Домашнее задание:§8.2, 8.3, упр.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А1. Сырьем для производства чугуна является:

1.железная руда

2.известняк

3.малахит

4.пирит

А2. Восстановителем железа из железной руды является

1.угарный газ

2.кокс

3.водород

4. все перечисленные вещества

А3. Чугун получают в специальных печах –

1.домна

2.печь обжига

3.мартеновские печи

4.колонна синтеза

А4. Сырьем для производства стали является:

1.железная руда

2.пирит

3.чугун

4.известняк

А5. Роль флюса при доменном производстве выполняет

1.пирит

2.угарный газ

3.известняк

4.уголь

А6. Примеси в железной руде образуют

1.шлаки

2.флюс

3.чугун

4.кокс

А7. Суть доменного процесса

1.образование олеума

2.восстановление металла из руды

3.окисление железа

4.взаимодействие железа с серой

 

Бланк правильных ответов