Производство чугуна

Чтобы избежать технологизма и оставаться в рамках политехнического обучения на уроках химии при изучении такого важного металлургического процесса, как выплавка чугуна, необходимо уделить особое внимание теории процесса, т. е. важнейшим химическим реакциям, которые происходят в доменной печи.

Прежде всего следует рассмотреть реакции восстановления железа окисью углерода и свободным углеродом.

Если учитель разберет эти реакции по стадиям, т. е. образование из окиси железа сначала закиси, потом чистого железа, то он получит возможность впоследствии объяснить нахождение в доменном шлаке силиката железа, образовавшегося от сплавления закиси железа с кремнеземом. Как известно, наличие большого количества силиката железа в доменном шлаке свидетельствует о неполадках в доменном процессе. Важно обратить внимание учащихся на то, что железо получают не из чистой руды, содержащей, кроме окислов железа, примеси различных веществ, которые могут реагировать при высокой температуре с углем и между собой.

Так как одним из постоянных окислов, содержащихся в железных рудах, является двуокись кремния, то следует кратко повторить свойства этого окисла. Прежде всего нужно напомнить учащимся о взаимодействии этого кислотного окисла с основными окислами: окисью кальция, окисью магния, закисью железа. Если еще добавить, что образующиеся при этом соли, называемые шлаками, являются более легкоплавкими, чем исходные окислы, то учащимся станет понятным, для чего добавляют к руде так называемые флюсы - карбонаты кальция и магния, которые в условиях доменного процесса разлагаются с образованием окислов кальция и магния.

Все же если ограничиться только одной теорией, не использовать наглядного подкрепления, то учащиеся реально не могут представить себе роль шлакообразования. Поэтому целесообразно продемонстрировать опыт, иллюстрирующий процесс шлакообразования. Для этого берут два стакана (рис. 95). В один насыпают сухой речной песок, а в другой - смесь из 3,6 весовых частей речного песка и 0,3 частей измельченной окиси кальция (если отсутствует негашеная известь, то ее заменяют 4 частями гашеной извести) и 19 частей безводного карбоната натрия (смесь предварительно перетирают в фарфоровой ступке). В оба стакана вставляют по спиральке от электроплитки и включают их через реостат в электрическую сеть. Через 4-5 мин в стакане со смесью образуется раскаленный шлак, прилипший к спирали, а в другом стакане песок не прилипает к спирали, так как при данной температуре песок не плавится. Опыт убедительно показывает роль флюсов в процессе шлакообразования.

Рис. 95. Прибор для демонстрации шлакообразования

Вместе с тем необходимо разобрать взаимодействие кремнезема и окислов марганца с углем при высоких температурах, чтобы учащиеся узнали, каким образом кремний и марганец попадают в чугун. Следует напомнить о растворимости углерода в железе при высокой температуре и сообщить, что температура плавления чугуна значительно ниже температуры плавления чистого железа.

Таким образом, учащиеся будут теоретически подготовлены к разбору доменного процесса. У них может появиться интерес к тому, как металлурги разрешают задачу ведения рассмотренных выше реакций при высоких температурах в таком громоздком аппарате, как доменная печь. Интерес можно усилить, если дать краткую историю металлургии железа: кратко рассказать о так называемом сыродутном способе получения железа из руды, когда в горнах, где происходило восстановление железа из окислов, не могли получать высокой температуры и железо не плавилось. Когда же стали делать доменные печи и получили возможность повышать температуру выше 1000°С, то при высокой температуре железо растворяло углерод, образовавшийся чугун вытекал из домны. Но полученный таким образом чугун вначале не находил применения, так как вследствие хрупкости его нельзя было ковать. Чугун считался негодным металлом и металлурги того времени называли его "свиным железом".

Выплавка чугуна в домнах получила широкое распространение после того, как были открыты способы получения из чугуна стали и железа.

Перед изучением домны и тех процессов, которые в ней происходят, целесообразно показать ее действующую модель, отражающую основные процессы, происходящие в ней. Можно ли это сделать? Если построить просто копию этого производства, как это наблюдается иногда в методической литературе, - давать уменьшенное в масштабах производство, то этого нельзя осуществить в стеклянных приборах. Нужно идти по другому пути - исходить из того, что модель - это не обыкновенная копия химического производства, а установка, отражающая принцип этого производства. Для этой цели следует использовать окислы, из которых получается легкоплавкий металл, восстанавливаемый углем и окисью углерода.

Модель доменной печи представлена на рисунке 96. Берут трубку из тугоплавкого стекла длиной 35-40 см и шириной 3-3,5 см. Нижнее отверстие ее закрывают резиновой пробкой с трубкой для пропускания кислорода. На пробку насыпают слой асбестовой ваты высотой в 4-5 см, затем слой из кусочков древесного угля. В верхнее отверстие трубки вставляют пробку с засыпной воронкой, через нее пропускают стержень с пружиной и резиновыми пробочками по концам. Сначала демонстрируют действие засыпной воронки: сверху нажимают на стержень, и в трубку пересыпается уголь. Затем через трубку пропускают ток кислорода и одновременно вынимают верхнюю пробку и сверху бросают раскаленный уголек, после чего трубку закрывают. Раскаленный уголь поджигает всю массу угля, находящегося в трубке. Тогда усиливают подачу кислорода. При этом образуется углекислый газ, реагирующий с раскаленным углем с образованием окиси углерода, которая восстанавливает свинец из окиси. Полученный свинец стекает вниз, где и застывает. После охлаждения трубки высыпают из нее содержимое и обнаруживают зерна свинца.

Рис 96. Модель доменной печи

Результаты проверки методики изучения доменного процесса с применением учебного эксперимента (модель доменной печи, опыт по шлакообразованию) показали, что использование эксперимента исследовательским и иллюстративным методами дало сначала, примерно одинаковую успеваемость, около 90%, в тех же классах, где этот эксперимент не применялся, учащиеся успевали только на 60%. Беседа с учащимися через три месяца после изучения доменного процесса показала, что особенно глубоко осознали этот вопрос учащиеся, изучавшие его исследовательским методом. При описании получения чугуна, в, доменных печах они ссылались на опыты, например, говорили, что в опыте расплавленный свинец стекает вниз на асбестовый слой. Здесь флюсов нет, так как отсутствует пустая порода. Некоторые даже предлагали усовершенствовать модель - проделать внизу отверстие, чтобы свинец вытекал. Большинство учащихся отмечали, что в опыте был применен принцип противотока: уголь и свинец поступали сверху, а снизу вдували кислород, указывали на подобный, же принцип в доменной печи. Учащиеся верно поняли процесс шлакообразования. В классах же, где опыт не был показан, многие не поняли этого процесса, хотя правильно написали уравнения реакций.

Некоторые учащиеся переносили свои представления с наглядных пособий на сам объект изучения и наоборот, что видно на рисунке 97. Они изображали засыпной аппарат доменной печи и ее модели совершенно одинаково. Объясняется это тем, что учитель при использовании модели обращал внимание только на сходство модели с доменной печью, но не подчеркивал отличия модели от самой доменной печи. Поэтому можно сделать вывод, что при использовании модели надо не только обращать внимание на ее сходство с изучаемым объектом, но и указывать, что это сходство можно видеть только в принципах действия, а не в деталях устройства аппаратов. Целесообразно показывать отдельные детали в виде макетов, точно копирующих изучаемый объект.

Рис. 97. Рисунки учащихся: а - рисунок модели, б - рисунок домны

Прежде чем описывать домну и процессы, происходящие в ней, учитель рисует на классной доске, а учащиеся в тетрадях схему данного сооружения. Затем следует указать, в каких местах домны происходят разобранные ранее химические реакции: восстановление железа окисью углерода и углем, науглероживание железа, разложение карбонатов, образование шлаков (силикатов), восстановление кремния, марганца, горение угля, образование окиси углерода и ее окисление и восстановление (образование сажи в верхних зонах домны), разделение чугуна и шлака в горне. После этого учитель может показать таблицу, изображающую домну. При ознакомлении с устройством и действием доменной печи важно сравнить ее с другими печами, применяемыми в промышленности, с газогенератором, с печами для обжига руд, с вращающимися печами цементных заводов. Можно воспользоваться диапозитивами при изложении доменного процесса, а еще лучше продемонстрировать учебный, фильм на эту тему.