Документ 4051068

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Утверждаю
_____________________
Руководитель ООП
по направлению 150400
зав.кафедрой металлургии
проф. В.М. Сизяков
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕОРИЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доц. Г.В. Коновалов
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
ТЕОРИЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Составитель: доц. Г.В. КОНОВАЛОВ
Кафедра металлургии
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель дисциплины – дать студентам основы знаний в области высокотемпературных
металлургических процессов.
Задачи дисциплины – обеспечить подготовку студентов к усвоению профилирующих
дисциплин и самостоятельной инженерной деятельности в области технологии исследований и
организации процессов получения цветных металлов.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Учебная дисциплина «Теория пирометаллургических процессов» является дисциплиной
вариантной части ФГОС третьего уровня высшего профессионального образования
(бакалавриата).
Для освоения учебного материала данной дисциплины необходимы знания по физике,
общей и физической химии, информатике (Б.2), металлургической теплотехнике, обогащению
руд цветных металлов, основам кристаллографии и минералогии (Б.3). Необходимо уметь
пользоваться компьютером, работать с информацией из различных источников; уметь
пользоваться высокотемпературным оборудованием химической лаборатории, владеть
основными методиками проведения химических анализов; иметь знания по технике
безопасности при работе в химической лаборатории.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Изучение дисциплины «Теория пирометаллургических процессов» направлено на
формирование у студентов следующих компетенций: ОК-1, 4, 10-13, ПК-1, 2, 4, 10-11,13, 19,
20.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: знать физико-химические основы анализа пирометаллургических процессов,
знать характер взаимосвязей, строение и физико-химические свойства веществ;
уметь: уметь проводить физико-химический анализ пирометаллургических процессов
переработки руд цветных металлов, уметь выбирать физико-химические условия
осуществления пиропроцессов, уметь выполнять физико-химические расчеты пиропроцессов,
уметь устанавливать физико-химические условия интенсификации и совершенствования
металлургических процессов, уметь проводить постановку задачи физико-химических
исследований пирометаллургических процессов, уметь пользоваться математическими и
электронно-вычислительными методами для анализа металлургических процессов.
владеть: методами анализа и численными методами, вычислительной техникой при
решении прикладных задач в области профессиональной деятельности, методами работы на
основных физических приборах, основными физико-химическими расчетами металлургических
процессов, методами измерения тепловых эффектов химических реакций, парциальных мольных
величин, равновесных характеристик.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего)
В том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Семинары (С)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа (всего)
В том числе:
Курсовая работа
Расчетно-графические работы
Реферат
Другие виды самостоятельной работы
Всего
часов
84
Семестр
5
84
34
16
34
16
34
96
34
60
36
60
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
180
5
6
36
36
60
экзамен
144
36
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№
п/п
1.
Наименование
раздела дисциплины
Введение.
2.
Состав и свойства
газовой фазы.
3.
Процессы
взаимодействия
углерода с газовой
фазой. Окисление и
газификация
Содержание раздела
Теория металлургических процессов – научная основа
современной металлургии. Основные задачи курса. Роль
физической химии и физики в становлении дисциплины.
Классификация металлургических процессов, основные
приемы, процессы и реакции при выделении цветных
металлов из полиметаллических руд и их глубокой
очистке от примесей. Значение пирометаллургических
процессов в развитии металлургии цветных металлов и
роль российских ученых в создании теории основ
металлургии. Место термодинамики и кинетики процессов
в гомогенных и гетерогенных системах как основных
приемов анализа металлургических процессов.
Характеристика
газовой
фазы.
Термодинамика
взаимодействия газовых реагентов с кислородом. Оценка
состояния равновесия. Взаимодействие СО, Н2, SO2, СН4 с
кислородом. Равновесный состав как функция давления.
Кинетика и механизм реакций горения водорода и окиси
углерода. Пределы самовоспламенения смесей. Механизм
и кинетика взаимодействия компонентов водяного газа.
Термодинамический
анализ
горения
углерода
с
кислородом и водяным паром. Разновидности углерода.
Оценка состояния равновесия. Направление процесса.
Кинетика и механизм горения твердого углерода. Схема
гетерогенного
процесса.
Особенности
протекания
углерода.
4.
Теория образования и
диссоциации
химических
соединений.
5.
Процессы окисления
металлов.
6.
Процессы
восстановления
соединений металлов.
7.
Процессы в
сульфидных
системах.
8.
Процессы,
основанные на
использовании
свойств систем
металл - галогенид.
Металлургические
расплавы.
9.
процесса в кинетических и диффузионных областях.
Выявление
лимитирующих
стадий
и
путей
интенсификации процесса. Тепловое воспламенение и
тушение твердых материалов. Особенности стационарного
протекания эндотермической гетерогенной реакции.
Диссоциация соединений переменного состава при
постоянной температуре. Диссоциация соединений с
образованием конденсированных фаз постоянного состава.
Влияние
агрегатных
превращений
на
процессы
диссоциации
соединений
металлов.
Диссоциация
соединений, образующих растворы. Механизм и кинетика
диссоциации соединений.
Термодинамика, кинетика и механизм окисления твердых
металлов. Структура окалины на металлах. Окисление
расплавленных металлов.
Газовое восстановление оксидов нелетучих металлов.
Восстановление
оксидов
летучих
металлов.
Восстановление хлоридов металлов. Восстановление
оксидов
из
расплавов.
Раскисление
металлов.
Алюмотермия и силикотермия. Восстановление в
условиях плазменных температур. Роль вакуума при
восстановлении летучих металлов.
Взаимодействие сульфидов с газами. Условия образования
и диссоциации сульфидов. Механизм и кинетика
окисления сульфидов. Обжиг сульфидов. Спекание.
Взаимодействие между оксидами и сульфидами одного
металла. Реакции между сульфидами и сульфатами.
Основы теории плавки сульфидов. Современные теории
механизма окисления сульфидов.
Взаимодействие оксидов с галогенами, хлоридами других
элементов. Роль углеродсодержащих добавок
при
хлорировании окислов. Основы хлорирующего обжига.
Сегрегация.
Сходство и различие вещества в твердом и жидком
состоянии. Современные теории строения жидкостей.
Расплавленные смеси окислов. Строение шлаковых
расплавов. Катионы – модификаторы и сеткообразователи.
Микронеоднородность шлаковых систем. Диаграммы
состояния
основных
шлаковых
систем
цветной
металлургии. Поверхностное натяжение как отражение
строения
шлаковых
систем.
Влияние
основных
компонентов на величину поверхностного натяжения
шлаков. Физико-химические свойства и строение
расплавленных сульфидов. Деление сульфидов на ионные
жидкости и
полупроводники. Металлизированные
штейны. Активность компонентов в оксидных и
сульфидных системах. Основные физико-химические
характеристики расплавленных металлов. Энергетическая
характеристика границы контакта металл – шлак, штейн –
шлак. Образование двойного электрического слоя.
Контактная граница металл – ионный проводник.
10.
Потери цветных
металлов со шлаками.
11.
Кристаллизационные
методы
рафинирования
металлов.
12.
Процессы,
основанные на
испарении и
конденсации.
Распределение зарядов двойного слоя. Межфазное
натяжение в системах металл – шлак, штейн – шлак.
Влияние состава шлака и штейна на изменение
межфазного натяжения. Влияние температуры на
межфазное натяжение.
Скорость осаждения и всплывания дисперсной фазы в
жидкой среде. Коалисценция в расплавах. Распределение
штейна и шлака, металла и шлака. Механизм перехода
ценных компонентов через границу раздела. Потери
металлов при плавках. Зависимость потерь металлов от
вязкости, удельного веса, температуры, состава шлаков.
Ликвация и ликвационное рафинирование металлов.
Кинетика процесса. Направленная кристаллизация.
Равновесный
и
эффективный
коэффициенты
распределения примесей при кристаллизации. Зонная
плавка. Выращивание монокристаллов.
Величины давления паров металлов, оксидов,
сульфидов. Термодинамика испарения простых веществ и
растворов. Механизм и кинетика процесса испарения.
Факторы, влияющие на скорость процесса испарения.
Зародышеобразование новой фазы. Кипение расплавов.
Молекулярный режим испарения. Потери металлов в виде
паров при восстановительном процессе Отгонка металла
из шлака при фьюминговании.
Теория процессов конденсации чистых паров и
смеси паров с неконденсируемыми газами. Конденсация в
жидкость и в кристаллическую фазу.
Основные закономерности процессов перегонки
жидкостей. Вакуумное рафинирование металлов.
5.2 Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми
(последующими) дисциплинами
Наименование
обеспечиваемых
(последующих)
дисциплин
Металлургия тяжелых
цветных металлов
Металлургия легких
цветных металлов
Металлургия редких
металлов
№
п/п
1.
2.
3.
№ разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№
п/п
1.
2.
3.
Наименование раздела дисциплины
Введение.
Состав и свойства газовой фазы.
Процессы взаимодействия углерода с
Лекц.,
час.
1
3
3
Практ. Лаб.
зан.
зан.
2
2
6
4
Сем
ин
СРС
10
10
Всего
час.
1
21
19
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
газовой фазой. Окисление и
газификация углерода.
Теория образования и диссоциации
химических соединений.
Процессы окисления металлов.
Процессы восстановления соединений
металлов.
Процессы в сульфидных системах.
Процессы, основанные на
использовании свойств систем металл галогенид.
Металлургические расплавы.
Потери цветных металлов со шлаками.
Кристаллизационные методы
рафинирования металлов.
Процессы, основанные на испарении и
конденсации.
3
2
10
15
3
2
4
10
19
3
2
4
10
19
3
2
4
10
19
3
2
4
10
19
3
3
2
4
10
10
19
13
4
4
11
2
5
3
3
6. Лабораторный практикум
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
№ раздела
дисциплины
2, 3
4
5
5
6
8
9
8.
11
Наименование лабораторных работ
Исследование
реакции
газификации
углерода
диоксидом углерода
Исследование кинетики разложения карбоната магния
Окисление примесей в расплаве меди
Исследование реакций в системе Ме-S-О.
Исследование восстановления оксидов металла
Определение летучести хлоридов цветных металлов
Исследование
электропроводности,
вязкости
и
поверхностного натяжения шлаковых и металлических
систем.
Изучение диаграммы состояния в системе Sn-Pb.
Ликвация (очистка Pb от Cu)
7. Практические занятия (семинары) – 17 часов.
8. Примерная тематика расчетно-графических и курсовых работ:
№
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Тема
Рассчитать предельные парциальные давления О2, SО2, SО3.
По термодинамическим данным построить зависимость ∆G0=f(Т).
Провести термодинамическую оценку системы Ме-S-О.
Построить диаграмму фазовых равновесий системы Ме-S-О.
Рассчитать значения констант скорости процессов обжига.
Рассчитать равновесное давление СО2, при спекании концентрата с
известняком
Определить изменение бинарного состава при изменении температуры
Определить выход и состав паровой фазы в системе хлоридов при заданном
давлении и температуре.
Рассчитать производительность дистиллятора.
Трудоемкость
(час.)
6
4
4
4
4
4
4
4
10.
Определить изменение равновесной концентрации сульфида металла в
штейне.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Теория пирометаллургических процессов. - М.:
Металлургия, 1993.-384с.
2. Ванюков А.В., Уткин Н.И. Комплексная переработка медного и никелевого сырья. М.: Металлургия, 1998. -432с.
б) дополнительная литература
3. Есин О. А., Гельд П. В., Физическая химия пирометаллургических процессов, 2 изд., ч.
1-2, Свердловск, 1962-1966;
4. Вольский А. Н., Сергиевская Е. М., Теория металлургических процессов, М., 1968;
в) программное обеспечение
5. Компьютерные презентации (диаграммы фазовых равновесий, термодинамические
зависимости, и др.)
схемы;
6. Образцы сырья, шлаков, штейнов, файнштейна и других промпродуктов
пирометаллургического передела.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Операционные системы Windows, стандартные офисные программы, термодинамические
электронные базы данных, электронно-поисковая база по металлургии цветных металлов.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
1. Пирометаллургическая лаборатория (высокотемпературные установки для обжига,
плавки и прокаливания);
3. Компьютерный класс (12 персональных компьютеров).
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
Программа предусматривает возможность обучения в рамках традиционной поточногрупповой системы обучения. При этом обучение рекомендуется в течение двух семестров:
для бакалавров — в V и VI семестрах.