第96620号炼铁和炼钢教案示例.docx

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第96620号炼铁和炼钢教案示例

炼铁和炼钢

一、素质教育目标

（一）知识教学点

1．生铁及生铁的特点。

生铁的分类及各种生铁的特点和用途（炼钢生铁、铸造生铁、球墨生铁、合金生铁）。

2．钢及钢的特点。

钢的分类及各种钢的性能特点和用途（碳素钢、合金钢）

3．铁矿石。

炼铁的反应原理。

高炉的结构。

炼铁的原料及炼铁的主要反应。

4．炼钢的反应原理。

炼钢的原料及炼钢的主要反应。

5．炼铁、炼钢过程的环保与综合利用（气、渣、热）。

（二）能力训练点

1．观察能力

要充分利用教材实验、挂图、模、矿石标本等进行直观教学，培养学生的观察能力。

此外还可以展示各种钢制品，让学生通过观察，了解不同生铁及各种钢制品的特点。

2．归纳思维能力

通过对炼铁原理的学习和对冶炼其他金属有关原理的回忆，使学生在归纳金属冶炼方法的过程中提高自身能力。

此外还应对中学阶段学习的有关工业、环保知识、有关“气”进行全面归纳。

3．分析思维能力

通过“结构组成-性质性能-用途”、“铁矿石中铁元素形态-炼铁原理-还原剂选择-设备特点-工艺流程”以及“生铁中杂质形态-去杂原理-氧化剂选择-钢炉结构-工艺流程-脱氧”系列内容的教学，培养学生的分析思维能力。

在教学中要注意训练学生思维的严密性和整体性，如铸铁中“片状石墨→质软润滑→易切削、耐磨”，炼钢时“热量来源→Fe氧化放热→而石灰石分解吸热→宜加CaO造渣……。

”使学生在严密的逻辑推理中，锻炼自己的分析思维能力。

4．阅读自学能力

本节教材涉及不少工业术语和名词，但不少段落内容简单，教学要求较低，可安排阅读自学，以训练学生的自学能力。

如“铁的合金”、“铁矿石种类”、“高炉结构”“环保与综合利用”等都可以让学生自学了解。

（三）德育渗透点

1．爱国主义与民族自豪感的培养

（1）中国的冶铁史比欧洲早1500年。

早在战国时期，我国就发明了鼓风冶炼技术，这项技术直到13世纪末才传入欧洲。

南宋末年，中国已开始将煤炼成焦炭再供冶金使用，而英国1788年才开始用焦炭炼铁，比我国晚500多年。

（2）中国的钢产量，1949年仅为15.8万吨，1980年近4000万吨，1990年达6635万吨，1994年高达9500万吨。

（3）各钢厂大力推行技术改造，以节能增效。

如宝钢的三座转炉以实现负能炼钢，每炼1吨钢可提供6kg标准煤的能量，达到世界先进水平。

目前全国已有42座转炉实现了煤气回收，年回收炉气5.82亿立方米，相当于1.4×105吨标准煤。

2．树立忧患意识

（1）1990年，中国吨钢综合能耗1.611吨标准煤，比世界经济发达国家作同口径比较仍高250kg。

（2）国民经济及生产中的100个专用钢材品种中只有42种国产可基本适应需要，其他58种仍需部分进口。

（3）日本年产1亿吨钢，采用耐火材料300万吨，而中国年产6000万吨，却耗耐火材料600万吨（不包括拆炉重建停产费料的损耗）。

（4）1990年中国钢产量（6630万吨）居世界第4位，而原苏联为15390万吨，日本为11030万吨，美国为8870万吨，人均水平仍低于世界平均水平。

（5）90年代初，中国每万元国民生产总值能耗为美国的3倍、日本的9倍。

3．热爱科学和善待环境

“科学是第一生产力”。

科学对工业生产的影响和渗透是科技进步的必要条件。

通过炼钢炼铁中有关技术性问题的介绍，可极大地激发学生的科学意识。

如介绍炼钢脱磷的必要性时可讲解如下两则事件：

①1938年3月14日，比利时横跨在阿尔伯运河上的一座雄伟壮丽的钢桥，突然间发生阵阵巨响，不到几分钟即折成几段，坠入河中。

当时气温为-15℃。

②1954年寒冬腊月，有一艘三万两千吨的英国油轮“世界协和号”，正乘风破浪航行在爱尔兰海面上，突然间油轮中部发生惊人的断裂，然后沉没，所有船员无一生还。

这两则故事的主犯是钢铁中的磷元素。

此外，“千锤百炼”、“百炼成钢”中也蕴含着科学道理。

环境与环境保护，是全球人类普遍关注的话题，而如何减少工业生产中的“三废”等污染，如何对污染进行综合治理以求化害为利、变废为宝呢？

通过对本节有关内容的学习，可使学生对此有所了解，并大大提高学生的环境保护意识。

4．辩证唯物主义观点的渗透

纯铁软而韧，生铁硬而脆，而钢则坚硬、有韧性、有弹性，这充分体现了由量变（含C量）到质变（机械性能）的哲学观点。

二、教学重点、难点、疑点及解决办法

1．重点

炼铁和炼钢的主要化学反应原理。

2．难点

高炉煤气的净化处理及环境保护问题。

3．疑点

生？

二者的目的有何区别？

（1）充分利用好有关实验、挂图和模型及实物进行直观教学，使学生对炼铁炼钢的有关过程、原理、设备等增强感性认识。

有条件的学校可到有关炼钢厂参观或现场教学。

（2）利用列表法将炼铁炼钢的原理、设备、原料以及反应过程进行比较，找出异同，加深理解。

（3）指导学生搞好阅读自学，培养学生的自学能力。

（4）组织学生搞好课堂问题讨论，让学生积极主动地获取知识。

（5）及时进行小结，要求学生熟练掌握炼铁炼钢的有关化学方程式。

（6）适时穿插有关炼铁炼钢的小资料，以激发学生的学习兴趣。

三、课时安排

1课时。

四、教具准备

硬质玻璃管、铁架台（带铁夹）2个，单孔橡皮塞2个，导管、酒精灯、火柴CO储气瓶、水、石灰水、炼铁高炉模型挂图。

五、学生活动设计

1．据自学提纲阅读自学教材，填写有关表格。

2．观察实验现象，动脑思考老师提出的有关问题。

3．积极主动的参与课堂问题讨论。

六、教学步骤

（一）明确目标

1．知识目标

（1）了解生铁及生铁的特点、生铁的分类。

（2）了解钢及钢的特点、钢的分类及各种钢的性能特点和用途。

（3）掌握炼铁的反应原理及炼铁的主要反应，了解高炉的结构及炼铁原料。

（4）掌握炼钢的反应原理，了解炼钢的原料及炼钢的主要反应。

（5）了解炼铁和炼钢过程的环境保护与综合利用。

2．能力目标

（1）充分利用实验、挂图、模型等进行直观教学，培养学生的观察能力。

（2）编写导学提纲，指导学生阅读自学，以提高学生的自学能力。

（3）通过对炼铁原理的学习和对冶炼其他金属有关原理的回忆，使学生在归纳金属冶炼方法的过程中提高学生归纳思维能力。

（4）通过“铁矿石中铁元素形态-炼铁原理-还原剂选择-设备特点-工艺流程”以及“生铁中杂质的形态-去杂原理-氧化剂选择-钢炉结构-工艺流程-脱氧”系列内容的教学，培养学生的分析思维能力。

3．德育目标

（1）通过向学生介绍我国冶铁史和钢铁生产情况，培养学生的爱国主义思想和民族自豪感，树立忧患意识。

（2）通过环保知识，使学生树立环保意识。

（3）渗透辩证唯物主义观点的教育。

（二）整体感知

本节内容可供阅读的部分较多，教师应抓住时机，编写阅读自学提纲，培养学生自学能力，通过列表比较，教给学生此种学习方法，培养学生归纳思维和分析思维能力，讲述炼铁和炼钢原理时，引导学生运用氧化还原理论进行分析推理，列出有关化学反应方程式，让学生体会化学知识在工业生产中的应用。

（三）重点、难点的学习与目标完成过程

1．让学生带着下列问题阅读教材49～51页第一段。

（1）什么叫合金？

举出几种合金的例子。

（2）铁的合金是怎样分类的？

（3）什么叫生铁？

炼钢生铁与铸造生铁中碳的存在形式以及它们的性能有什么不同？

（4）球墨铸铁为什么能代替一部分钢材加以使用？

（5）什么叫钢？

碳素钢中碳含量的多少与性能有什么关系？

（6）合金钢有哪些特殊的性能和用途？

自学讨论后，教师指导学生填写下表：

问题讨论：

下列哪种合金含碳量最低？

（1）炼钢生铁　

（2）铸造生铁　　（3）高碳钢

2．做好实验3-5，CO还原Fe2O3。

学生观察思考下列问题：

（1）硬质玻璃管里粉末的颜色有什么变化？

（2）试管中的石灰水是否浑浊？

为什么？

（3）为防止CO污染环境，应采取什么措施？

（4）从上述实验现象可得出什么结论？

写出该反应的化学方程式。

3．炼铁原理：

教师启发学生从实验中归纳出炼铁原理，就是在高温下用还原剂（CO）从铁矿石里把铁还原出来。

4．利用挂图或模型介绍炼铁高炉的结构和炼铁过程。

弄清下列问题：

（1）炼铁的原料是什么？

（2）炼铁高炉可分为哪几部分？

的？

（4）石灰石在炼铁中起什么作用？

（5）作为还原剂的CO是怎样产生的？

（6）高炉煤气的主要成分是什么？

应怎样净化处理？

（7）介绍宝钢一号高炉，炉容积4350m3，炉高达122.6m。

5．炼钢原理：

（1）炼钢的目的是什么？

学生阅读教后小结：

降碳量、除硫磷、调硅锰。

教师介绍小资料：

储藏在钢铁中的”罪魁祸首”。

（2）炼钢原理：

教师从炼钢目的出发，引导学生分析总结炼钢的原理就是用氧化剂将生铁里的杂质氧化除去。

并指导学生完成炼铁、炼钢比较表。

问题讨论：

①炼钢时加入生石灰起什么作用？

什么区别？

③纯氧代替空气炼钢有哪些优点？

④炼钢时常用的脱氧剂是什么物质？

什么时间加脱氧剂？

⑤设想：

如何搞好烟气、炼钢炉渣、热量的综合利用？

⑥炼钢不需要燃料，那么热源来自何处？

⑦教师介绍我国钢的生产情况（产量、质量、发展前景）

（四）总结、扩展

1．通过组织学生对课本中“炼铁和炼钢的主要反应原理有什么异同？

”问题的讨论，作如下小结：

炼铁和炼钢的主要反应原理的相同点：

都是利用氧化还原反应。

不同点：

炼铁主要利用还原剂把铁从铁矿石里还原出来，而炼钢主要是用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化而除去。

2．“逆流原理”是化工生产中常涉及到的。

如高炉炼铁时固体原料从上口加入，气体原料（空气）从下口鼓入，硫酸工业中接触室内的热交换器，SO3在吸收塔内的吸收，都采用了逆流原理。

3．金属的冶炼方法

（1）焦炭法（炼铁）

（2）氢气、一氧化碳法（如铜、铁的冶炼）

（3）活泼金属置换法（如湿法炼铜，铝热法）

（4）电解法（一般冶炼较活泼的金属，如Al、Mg、Na等）

（五）布置作业

书面作业：

课本57页2、5题

思考题：

金属活动顺序表中哪个范围的金属只能用电解法冶炼，为什么？

七、板书设计

炼铁和炼钢

（一）铁的合金

生铁　含碳量　2％～4.3％

钢　　　含碳量0.03％～2％

（二）炼铁

1．原料：

铁矿石、焦炭、石灰石、空气

2．原理：

3．炼铁高炉结构

高炉煤气：

N2，CO，CO2净化处理（三）炼钢

（三）炼钢

1．目的：

降碳量、除硫磷、调硅锰2．原理：

氧化还原反应

（1）杂质的氧化

（2）除硫、磷

（3）脱氧

3．炼铁跟炼钢的比较

（四）金属的冶炼小结

八、参考资料

1．CO的制备

实验室里一般采用浓硫酸跟甲酸或草酸等反应来制取CO

如果采用浓硫酸跟草酸反应来制取CO，由于制得的气体中混有CO2，因此需把混合气体经过烧碱溶液以洗去CO2。

可以按下图装置来制取CO。

取250mL圆底烧瓶，配上双孔木塞，一孔插入分液漏斗，一孔插入导气管。

在圆底烧瓶里注入40～50mL浓硫酸，在分液漏斗里注入5～10mL甲酸（也可用甲酸钠）。

然后给圆底烧瓶加热到80～90℃，逐滴滴入甲酸，就有一氧化碳放出。

放出的一氧化碳用排水集气法收集在储气瓶里。

一氧化碳还原氧化铁的实验可以按下列装置进行：

实验时，先导入一氧化碳气体，经过片刻，就可在盛着氧化铁的那部分硬质玻璃管下加热（最好用酒精喷灯加热，或者把酒精灯的灯芯抽长一些，使它有较大的火焰）。

等氧化铁全部变黑就停止加热，但还需继续通入一氧化碳，直到试管冷却，以免铁再被氧化。

反应后的气体使石灰水变浑浊，证明有二氧化碳生成；没有反应完的一氧化碳，由尖嘴导管放出点燃，以防它扩散到空气里去。

2．高炉在冶炼生铁过程中其他元素的还原过程

高炉在冶炼过程中，混在铁矿石里的锰、硅、磷等元素也会被碳或一氧化碳还原出来。

（1）锰的还原

锰的氧化物的还原顺序可用下面各化学方程式表示：

（2）硅的还原

在1600℃时，经过较长时间的还原而转入铁中的硅，占炉渣中硅总量的3％（质量分数）。

（3）磷的还原

在炉料中，磷主要以磷酸钙的形式存在。

在1300～1500℃时，被碳还原。

磷酸钙在有二氧化硅存在时，将加速磷的还原。

3．氧气顶吹转炉炼钢的反应原理

氧气顶吹转炉炼钢的原料主要是铁水，也用一部分废钢（或铁矿石）。

为了除去铁水中的硫和磷，还需加入适量的造渣材料（如生石灰等）。

炼钢时，从炉顶直接吹入氧气，使它跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。

（1）硅、锰和铁的氧化

生铁中除铁元素外，主要含碳、硅、锰、磷、硫等五种元素。

在这些元素中，铁跟氧的结合能力是最低的，按理说，它不能首先被氧化生成氧化亚铁（FeO），但是元素开始氧化，并不完全由元素跟氧结合能力顺序来决定，还要受到元素在铁中的含量的影响。

由于铁水中铁的含量最大，所以铁首先被氧化生成氧化亚铁。

硅和锰跟氧气结合能力都比碳强，它们在铁水中的含量也较高。

开始吹炼时，炉温较低（倒迸炉内的铁水温度是1200～1300℃），碳的氧化受到抑制，只有当Si、Mn氧化到差不多，炉温超过1400℃时，碳的氧化才能剧烈进行。

当高压氧化气流作用于铁水时，铁水被激成液滴状的铁水珠，同时把铁水珠表面氧化成氧化亚铁：

这些带着氧化亚铁的铁水珠，随着气流的循环运动而扩散到整个熔化液中，使Si、Mn发生氧化反应：

生成的SiO2、FeO、MnO互相作用，生成硅酸亚铁和硅酸锰：

吹炼中，随着石灰的逐渐熔化，FeO被碱性强的CaO从硅酸亚铁中“置换”出来：

（2）碳和磷的氧化

磷跟氧结合能力比碳小，碳应比磷先氧化。

但由于吹炼前期的炉温不太高（低于1400℃），碳的活性小，碳的氧化受到抑制，磷容易氧化而被大量除去，只有当炉温超过1400℃后，碳跟氧才急剧反应，从而加速了钢的脱碳。

如果这时能形成良好的炉渣，这就加速了钢跟渣界面间磷的氧化反应。

磷在钢中以Fe2P存在，它跟FeO反应生成P2O5：

P2O5能跟炉渣中的CaO反应，生成稳定的化合物磷酸钙：

（3）去硫

钢中的硫是以硫化亚铁（FeS）形式存在，它能跟氧化钙（CaO）反应生成较稳定的硫化钙（CaS）而进入炉渣，以达到从钢中去硫的目的：

由于脱硫反应实际上是一个可逆的吸热反应，从化学平衡移动原理可知，为了保证脱硫效果，应该提高CaO的浓度（加入多量的石灰，即提高炉渣的碱度）、降低FeO浓度（在还原期FeO浓度低，所以脱硫是在还原期进行），并且保持较高的炉温。

（4）脱氧，合金化

氧在钢中是以FeO的形式混在钢水中，含氧高的钢，脆性大，塑性低；同时，它跟钢中的碳形成CO气泡而留在钢中，直接影响钢的质量。

因此，在吹炼末期要把铁合金（Mn—Fe、Si—Fe、Al或Al—Fe、V—Fe、Ti—Fe等）直接加入钢包中跟铁水接触，铁合金就会跟钢水中的FeO作用而进行脱氧。

生成的SiO2、MnO、Al2O3等大部分形成炉渣而除去，部分的Si、Mn留在钢里以调整钢的成分。

为了提高钢的物理机械性能，在冶炼各种不同的合金钢时，需要加入合金元素。

熔炼难熔合金钢（如铬钢、钼钢等），合金元素是在炼钢过程将结束时加入炉内，其它合金钢的合金元素是在出钢时加入钢水包内。

4．隐藏在钢铁中的“罪魁祸首”

1938年3月14日，比利时的哈塞尔特城处在-15℃的严寒中，横跨在阿尔伯运河上的一座宏伟的钢铁大桥，突然间发出阵阵巨响，几分钟内即折成数段，坠入河中。

1954年隆冬，英国三万二千吨级的油轮“世界协和号”正乘风破浪航行在广阔的爱尔兰海面上。

突然，随着惊人的巨响，油轮中部发生大规模断裂，船舱进水，然后沉没在茫茫大海之中。

谁是这些不幸事故的肇事者呢？

经研究证明：

钢铁中较高含量的磷元素就是“罪魁祸首”。

磷在钢中溶于铁素体内，虽然能显著提高钢的硬度和强度，但同时也能强烈地降低钢的塑性和韧性，致使钢在冷压力加工时容易脆裂，这种现象称为冷脆性。

当钢中磷的质量分数超过0.1％时就更显著。

可是对于使用要求较高的钢，即使磷的质量分数少于0.1％时，冷脆现象也还是会发生的。

所以磷在钢中是一种有害杂质，钢中的含磷量一般不能超过0.05％，炼钢时须尽可能将其除去。