1.1 金属材料的分类及钢铁材料的生产过程（教案）《金属材料与热处理》上好课（科学版·第二版）

《金属材料与热处理》教案 详细教案 一、设计摘要 课程课题 1.1 金属材料的分类及钢铁材料的生产过程 授课教师 1 学时数 1 授课班级 人数 授课时间 教学地点 二、设计意图 学情分析 学生前期已完成初中化学和物理课程学习，掌握了元素、化合物、氧化还原反应等基本化学概念，对铁、铝、铜等常见金属有一定的感性认识。在日常生活中接触过各类金属制品（如钢铁桥梁、铝合金门窗、铜导线等），对金属材料的应用有初步了解。但学生对纯金属与合金的区别、金属材料的分类体系缺乏系统认识，对炼铁、炼钢的化学原理和工艺流程较为陌生，对高炉炼铁、氧气转炉炼钢等工业过程的认知停留在感性层面。学生形象思维较强，对图片、视频、流程图等直观教学手段接受度高，但对抽象化学原理的理解需要借助图示和类比。授课依托教材结构图、工艺流程图、实物图片和动画演示，用直观教学法和类比教学法突破认知难点。 背景分析 本节选自科学出版社《金属材料与热处理》第二版单元一“金属材料与机械产品制造过程简介”。金属材料是现代工业的重要基础材料，钢铁材料的生产过程是理解材料来源和性能的起点。本节系统介绍金属材料的基本概念（纯金属与合金）、金属材料的分类（钢铁材料与非铁金属材料）、钢铁材料的生产过程（炼铁、炼钢）。本节内容是单元一的开篇章节，是在学生了解金属材料与机械产品制造过程基本框架之后，从“材料来源”角度深化对金属材料的认识，为后续学习铁碳合金相图、钢的热处理、常用钢材等章节奠定基础，也是连接材料基础理论与工业生产实际的重要桥梁。 学习目标 设定 情感目标 知识目标 能力（技能）目标 1. 感受钢铁材料在国民经济建设中的重要作用，增强对国家基础工业的认识和自豪感； 2. 培养关注工业生产、联系实际的工程意识，树立节约资源的观念； 3. 养成按流程顺序认知工业生产的思维习惯。 1. 记住金属材料、纯金属、合金的定义及特点；2. 说出金属材料的分类（钢铁材料与非铁金属材料）； 3. 记住炼铁的主要原料及高炉炼铁的基本原理；4. 记住炼钢的主要任务和常见炼钢方法； 5. 了解钢材的常见类型。 1. 能正确区分纯金属与合金，能举例说明常见合金的组成； 2. 能正确辨别钢铁材料与非铁金属材料； 3. 能说出高炉炼铁的原料（铁矿石、焦炭、石灰石）及各原料的作用； 4. 能区分铸造生铁与炼钢生铁； 5. 能比较氧气顶吹转炉炼钢法与电弧炉炼钢法的主要区别。 学习任务 描述 1. 通过展示各类金属制品图片和教师讲解，掌握金属材料、纯金属、合金的概念及合金相对于纯金属的优越性； 2. 通过金属材料分类图（图1.1），掌握金属材料的两大分类体系，能正确辨别钢铁材料与非铁金属材料； 3. 通过高炉炼铁动画演示和过程示意图（图1.3），掌握炼铁的三种原料（铁矿石、焦炭、石灰石）及其各自作用，理解高炉炼铁的基本原理； 4. 通过钢铁材料生产过程示意图（图1.2），掌握钢铁生产的三大环节（原料准备→炼铁→炼钢），建立全流程整体认知； 5. 通过对比表格（表1.1），掌握氧气顶吹转炉炼钢法和电弧炉炼钢法在热源、原料、特点和产品上的区别； 6. 通过各类钢材实物图片展示，了解板材、管材、型材、线材等钢材类型及用途； 7. 完成课堂练习：根据给定情境判断材料类别和工艺环节。 教学资源 准备 教师准备：讨论主题、学生任务书； 学生准备：在线讨论、完成任务书。 教学重点 1. 金属材料、纯金属、合金的概念及合金相对于纯金属的优势； 2. 金属材料的分类（钢铁材料与非铁金属材料）； 3. 高炉炼铁的主要原料及各自作用； 4. 炼钢的主要任务和两种主要炼钢方法的比较。 教学难点 1. 合金与纯金属的性能差异原因理解； 2. 炼铁过程中氧化铁被还原的化学原理； 3. 氧气顶吹转炉炼钢与电弧炉炼钢的工艺区别及适用条件。 教学难点突破方法 1. 图示分析法 2. 类比教学法 3. 分步引导法 4. 案例诊断法 三、教学策略 教法 讲授法、演示法、问答法； 学法 观察归纳法、练习巩固法、背诵记忆法。 四、教学资源 教材工具材料 《金属材料与热处理》，科学出版社组织编写。 教学情景 创设 五、教学过程 教学环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 新课导入（2分钟） [引入主题]（2分钟） 展示三张图片：钢铁桥梁、汽车发动机、机床设备、铝合金门。提问：“这些物品分别是用什么材料制成的？这些材料是从哪里来的？”引出金属材料的来源与生产过程。 1. 展示三张图片，引导学生观察； 2. 提问“这些物品是用什么材料制成的？材料从哪来？”倾听回答； 3. 归纳总结，引出“金属材料的分类及钢铁材料的生产过程”课题； 4. 板书课题：1.1 金属材料的分类及钢铁材料的生产过程。 1. 观察图片，思考并回答问题； 2. 听讲，明确本节学习内容。 从生活常见物品切入，引发学生思考“材料从哪里来”这一核心问题，自然引出金属材料的分类和生产过程，激发学习兴趣。 探索 新知（20分钟） 一、认识金属材料 1. 金属材料的概念。 金属是具有特殊光泽、良好的导电性和导热性、一定的强度和塑性的物质。 具有金属特性的元素称为金属元素。在全部化学元素中，约有四分之三是金属元素。 凡是由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料通称为金属材料。 2. 纯金属与合金。 纯金属：由单一金属元素组成的金属材料。 纯金属的强度、硬度一般较低，冶炼技术复杂，价格较高，使用上受到很大限制。 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。 普通黄铜是铜和锌组成的合金，碳素钢是铁和碳组成的合金。 合金比纯金属具有更好的使用性能，可通过调整组成元素比例获得一系列性能各异的合金。 合金具有强度、硬度较高，易冶炼、价格低、应用广的特点。 二、金属材料的分类金属材料通常分为钢铁材料（又称黑色金属材料）和非铁金属材料（又称有色金属材料）两大类。 1. 钢铁材料。 以铁或以铁为主形成的金属材料，称为钢铁材料，如钢和生铁。 2. 非铁金属材料。 除钢铁材料以外的其他金属材料，称为非铁金属材料，如铜、铝、镁、钛、锌、锡、铅及其合金等。 3. 新型高性能金属材料。 高温合金、粉末冶金材料、非晶态金属材料、纳米金属材料、单晶合金、永磁合金、形状记忆合金、超细金属陶瓷材料等。 三、金属材料的来源与钢铁生产过程概览 金属材料通常从矿石中提取，涉及冶炼过程。 钢铁材料是最常用的金属材料，以其为例介绍生产过程。 钢铁材料是由铁、碳及硅、锰、磷、硫等少量元素组成的金属材料。 含碳量小于2.11%称为钢。 含碳量大于2.11%称为生铁。 钢铁材料生产三大环节：原料准备→炼铁→炼钢。 生产过程：铁矿石→高炉炼铁→生铁→炼钢炉炼钢→钢水→铸锭/连铸坯→轧制/锻压→钢材（板材、型材、管材、线材等）。 1. 结合教材内容，讲解金属材料的概念，强调“四分之三的元素是金属”。展示纯铜、纯铝等纯金属实物图片，讲解纯金属的定义及其局限性。展示黄铜、碳素钢等合金图片，讲解合金的定义。用“团队合作”类比合金、用“单打独斗”类比纯金属，解释合金性能优于纯金属的原因。板书核心概念：金属材料、纯金属、合金。举例提问：“普通黄铜由什么组成？碳素钢由什么组成？” 2. 展示金属材料分类图（图1.1），讲解分类体系。讲解钢铁材料的定义，强调“以铁或以铁为主”。讲解非铁金属材料的定义，列举常见非铁金属及合金。补充介绍新型高性能金属材料，展示相关图片（高温合金涡轮叶片、形状记忆合金等）。板书分类框架。提问：“铝合金门窗属于哪一类材料？钢轨属于哪一类？” 3.展示钢铁材料生产过程示意图（图1.2），讲解三大环节：原料准备→炼铁→炼钢。讲解钢与生铁的含碳量界限（2.11%）。按流程图简要介绍全生产过程，建立整体认知。板书“原料准备→炼铁→炼钢”三大环节。 1. 听讲并记录金属材料的概念。观察图片，记录纯金属的特点和局限性。观察图片，记录合金的定义，理解“团队合作”的类比含义。记录合金相对纯金属的优势（强度高、硬度高、易冶炼、价格低、应用广）。回答教师提问。 2. 观察分类图，记录分类体系。记录钢铁材料的定义及典型例子。记录非铁金属材料的定义及常见种类。观看图片，了解新型高性能金属材料。回答教师提问，判断材料类别。 3.观察生产过程示意图，记录三大环节。记录钢与生铁的含碳量界限。跟随教师梳理全流程。 1. 建立金属材料的整体概念，了解金属元素的普遍性。通过类比教学突破“合金为什么优于纯金属”这一难点。通过实例加深对合金组成的理解。 2. 建立完整的金属材料分类认知框架。通过提问检测学生分类能力。拓展新型高性能金属材料，激发学习兴趣。 3.建立钢铁材料生产全流程的整体认知框架，为后续深入学习炼铁和炼钢做铺垫。 学 习 新 知（20分钟） 一、炼铁 1. 原料准备。 制取精矿粉：将矿石破碎后通过重选、浮选、磁选等方法获得含金属量较高的精矿粉。 精矿粉的球团和烧结：将细铁精矿粉与粘结剂和水在造球机内混合制成球团，再经高温烧结。 2. 高炉炼铁的原料及作用。 ①铁矿石（Fe₂O₃、Fe₃O₄等）：提供铁元素的主要物质。常用赤铁矿（Fe₂O₃）、磁铁矿（Fe₃O₄）、菱铁矿（FeCO₃）、褐铁矿。 ②焦炭：一方面提供热量，另一方面产生CO作为还原剂。 ③石灰石（熔剂）：使脉石和灰分转变成密度小、熔点低、流动性好的炉渣，与铁液分离。 3. 高炉炼铁的原理。 铁矿石、焦炭和熔剂按配料比由炉顶装入高炉，焦炭和矿石形成交替分层结构。 矿石在下落过程中，高温和压力作用下，经化学反应被还原成铁。 熔渣密度小浮在铁水上面，分别从出渣口、出铁口排出。 煤气从炉顶导出，经除尘后作为工业用煤气。 4. 高炉产品。 ①生铁（含碳、硅、锰、硫、磷等）：铸造生铁（灰口铸铁，断口暗灰色，用于铸造）和炼钢生铁（白口铸铁，断口亮白色，用于炼钢）。 ②副产品：煤气（含CO、CH₄、H₂，可回收利用）、炉渣（含CaO和SiO₂，可制水泥、渣棉、硅砖）。 二、炼钢与钢材 1.炼钢的主要任务。 以生铁或废钢为主要原料，利用氧化作用将碳及其他元素减少到规定的化学成分范围，得到所需钢种。 生铁炼钢实质上是一个氧化过程。 2. 炼钢原料。 主要原料：生铁（铁液或生铁锭）或废钢。 辅助材料：熔剂（石灰石、氟石）、氧化剂（O₂、铁矿石）、脱氧剂（铝、硅铁、锰铁）。 3. 两种主要炼钢方法。 ①氧气顶吹转炉炼钢法：热源为氧化反应，原料为生铁，特点是冶炼速度快、生产率高、成本低，产品为碳素钢和低合金钢。 ②电弧炉炼钢法：热源为电能，原料为生铁、废钢、球团矿，特点是能冶炼难熔合金钢、质量优良，产品为合金钢。 4. 钢液脱氧与浇铸。 按脱氧程度分：特殊镇静钢（TZ）、镇静钢（Z）、半镇静钢（b）、沸腾钢（F）。 镇静钢：脱氧完全，质量高，有缩孔浪费大。 沸腾钢：脱氧不完全，质量较差，无缩孔浪费小。 浇铸方式：铸锭（用于轧钢/锻造）和连铸坯（生产率高、质量好、节能）。 5. 钢材类型。 板材（厚板/薄板）、管材（无缝/有缝）、型材（方钢/圆钢/角钢/工字钢/槽钢/钢轨）、线材（高碳钢丝/低碳钢丝）、其他异形钢材。 1. 展示高炉炼铁动画或示意图（图1.3），讲解炼铁过程。讲解原料准备的两个步骤（制取精矿粉、球团和烧结）。依次讲解三种原料及其作用：铁矿石（提供铁元素）、焦炭（热量+CO还原剂）、石灰石（造渣）。讲解高炉炼铁的化学原理（氧化铁被CO还原为铁）。讲解高炉产品：铸造生铁和炼钢生铁，用实物图片展示两种生铁断口颜色差异。讲解副产品煤气的回收利用价值和炉渣的建筑材料用途。板书三种原料及各自作用。 2.讲解炼钢的主要任务，强调“氧化过程”这一核心概念。讲解炼钢原料（主要原料和辅助材料）。用对比表格（表1.1）讲解两种炼钢方法，重点比较热源、原料、特点和产品。讲解四种脱氧程度及镇静钢与沸腾钢的区别。展示各类钢材实物图片（板材、管材、型材、线材），讲解各自用途。板书两种炼钢方法的名称和特点。 3.知识背诵： （1） 金属材料的分类：钢铁材料（以铁或以铁为主）和非铁金属材料（铜、铝、镁、钛等）。 （2） 炼铁三种原料及作用：铁矿石（提供铁元素）、焦炭（热量+还原剂）、石灰石（造渣）。 （3） 两种炼钢方法：氧气顶吹转炉炼钢法（速度快、成本低→碳素钢/低合金钢）、电弧炉炼钢法（质量优→合金钢）。 4.师生互动： （1）出示题目：某机械制造厂需要制造耐腐蚀的化工设备部件，要求材料具有良好的耐蚀性和一定的强度。现有纯铜、普通黄铜（铜锌合金）和碳素钢三种材料可供选择，请问应优先选用哪种材料？请说明理由。 （2）某汽车制造厂需要大量生产汽车外壳用钢板，要求材料具有良好的塑性和韧性，便于冲压成形，同时成本要低。现有镇静钢和沸腾钢两种钢可供选择，你认为应选用哪一种？请说明理由。 （3）某精密仪器制造企业需要制造一批高强度、高质量要求的精密零部件，要求钢材内部组织致密、化学成分均匀。现有镇静钢和沸腾钢两种钢可供选择，你认为应选用哪一种？请说明理由。 1. 观看动画，理解高炉炼铁的完整过程。记录原料准备的两个步骤。记录三种原料的名称及各自作用。听讲并记录炼铁原理（还原反应）。观察图片，记录铸造生铁与炼钢生铁的区别。记录副产品的用途。 2. 记录炼钢的主要任务。记录炼钢原料种类。观察对比表格，记录两种炼钢方法的区别。记录四种脱氧程度的代号及特点。观察图片，记录各类钢材的名称和用途。 3.合书默背，同桌互背。 4. 小组讨论，代表回答，其他人补充。 1.用动画演示突破炼铁化学原理这一难点。通过“原料→作用”对应关系，帮助学生建立清晰的知识结构。让学生了解工业生产的综合利用（煤气、炉渣回收）。 2. 用对比表格系统比较两种炼钢方法，便于记忆。通过图片展示建立各类钢材的形象认识。让学生了解从“钢水”到“钢材”的完整转化过程。 3.强化记忆。 4.帮助学生在课堂上掌握核心知识点。 课堂 总结（2分钟） 1. 金属材料概念与分类。 金属材料包括纯金属和合金，合金强度、硬度高，易冶炼、价格低、应用广。 金属材料分为钢铁材料和非铁金属材料两大类。 2. 钢铁生产三大环节：原料准备→炼铁→炼钢。 3. 炼铁原料三要素：铁矿石（提供铁）、焦炭（热量+CO还原）、石灰石（造渣）。 4. 生铁分为铸造生铁和炼钢生铁。 5. 两种炼钢法：氧气顶吹转炉炼钢法（速度快、成本低→碳素钢/低合金钢）和电弧炉炼钢法（质量优→合金钢）。 6. 钢材类型：板材、管材、型材、线材等。 布置下节课任务（1分钟） 布置下节课任务（1分钟） 预习下节课内容 布 置 作业（1分钟） 1. 背诵：金属材料、纯金属、合金的定义；金属材料的两大分类；炼铁三种原料的名称及各自作用；两种炼钢方法的名称和产品。 2. 简答：铸造生铁和炼钢生铁在断口颜色和用途上有什么区别？ 板书 设计 1.1 金属材料的分类及钢铁材料的生产过程 一、认识金属材料 金属材料：由金属元素或以金属元素为主形成的材料 纯金属：单一金属元素（强度低、硬度低、价格高） 合金：两种及以上金属/金属与非金属组成（强度高、硬度高、易冶炼、价格低、应用广） 二、金属材料的分类 钢铁材料（黑色金属）：以铁或以铁为主（钢、生铁） 非铁金属材料（有色金属）：铜、铝、镁、钛、锌等 三、钢铁材料的生产过程 原料准备 → 炼铁 → 炼钢 → 铸锭/连铸 → 轧制/锻压 → 钢材 炼铁原料：铁矿石（提供铁元素）、焦炭（热量+CO还原剂）、石灰石（造渣） 高炉产品：铸造生铁（灰口，铸造用）、炼钢生铁（白口，炼钢用） 副产品：煤气、炉渣 两种炼钢法：氧气顶吹转炉炼钢（速度快、成本低→碳素钢/低合金钢） 电弧炉炼钢（质量优→合金钢） 四、钢材类型：板材、管材、型材、线材等 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $