МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ
КАЗАХСТАН
Казахский национальный технический университет имени К. И. Сатпаева
Горно-металлургический институт имени О.А. Байконурова
Кафедра «Металлургические процессы, теплотехника и технология
специальных материалов»
«Утверждаю»
Директор института
ГМИ
___________Рысбеков К.Б.
«_______»_________2014 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине «Теория металлургических процессов»
Специальность - «5В070900 - Металлургия»
Форма обучения – дневная
Всего – 3 кредита
Курс – 2
Семестр – 4
Лекции – 30 часов
Лабораторные занятия – 15 часов
Рубежный контроль (количество) – 2
СРС – 45 часов
СРСП офисные – 45 часов
Алматы 2014
Рабочая программа разработана Лугановым Владимиром Алексеевичем,
профессором, доктором технических наук, на основании типовой учебной
программы специальности «5В070900 – Металлургия».
Программа рассмотрена на заседании кафедры МПТиТСМ
«___» _________2014 г. Протокол №__.
Зав. кафедрой _________________ Байконурова А.О.
Программа рекомендована учебно-методическим Советом ГМИ
Председатель ____________ Рысбеков К.Б.
2
1.
Цели и задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины «Теория металлургических процессов»
является: формирование у систематизированных знаний о строении и свойствах
металлических, оксидных и сульфидных систем: термодинамике и кинетике
процессов металлургической переработки окисленного и сульфидного
минерального и техногенного сырья, солевых расплавов; ликвационных и
дистилляционных процессов получения; методов рафинирования металлов; о
методах обменного и окислительного выщелачивания соединений различного
состава, выделения металлов из растворов осаждением труднорастворимых
соединений, цементацией, сорбцией, электроосаждением; о современных
способах экстрактивной металлургии и основных направлениях развития
теории и практики извлечения и рафинирования металлов с учётом
комплексного использования сырья и современных экологических требований;
создать теоретический фундамент, необходимый для дальнейшего творческого
изучения специальных металлургических дисциплин.
Основные задачи дисциплины - получение студентами:
 знаний основных закономерностей термодинамики, механизма и кинетики
основных металлургических процессов; навыков выполнения расчётов по
термодинамике и кинетике различных металлургических процессов;
 умений анализировать действующие и проектируемые процессы;
прогнозировать показатели тех или иных конкретных процессов и
направлений развития технологий переработки рудного и техногенного
сырья; оценки скоростей отдельных стадий металлургических процессов,
выявления лимитирующих скорость звеньев простых и сложных процессов;
 навыков выполнения расчётов по термодинамике и кинетике
металлургических процессов, обоснования выбора процессов и требований к
их аппаратурному оформлению, прогнозирования показателей тех или иных
конкретных процессов и направлений развития технологий переработки
рудного и техногенного сырья; оценки скорости отдельных стадий
металлургических процессов, выявления лимитирующих скорость звеньев
простых и сложных процессов.
Пререквизиты дисциплины: «Физика», «Химия», «Физическая химия»,
«Общая металлургия».
Постреквизиты дисциплины: «Металлургия лёгких металлов», «Металлургия
радиоактивных металлов», «Металлургия чёрных металлов», «Порошковые и
композиционные материалы», «Специальные материалы и сплавы»,
«Получение чистых металлов и сплавов специального назначения».
3
2. Тематический план дисциплины
Таблица 1
Тематический план дисциплины
Количество академических часов
Наименование
темы
Лекции Лабораторные СРСП СРС
1. Металлы и периодический закон
Принципиальная схема металлургической
переработки
2
2. Теория ликвационных методов
рафинирования металлов
Примеры ликвационных процессов
2
3. Основы процессов испарения, возгонки,
конденсации и сублимации
Скорость конденсации. Примеры процессов
дистилляции и ректификации
-
2
2
-
4
4
2
-
4
4
4. Характеристика оксидных расплавов.
Диаграммы состояния двухкомпонентных
шлаковых систем
Строение и свойства шлаков
Свойства шлаков. Потери металла со шлаком
4
-
6
6
5. Термодинамика оксидных систем
Диссоциация оксидов в системах с
растворами. Окислительное
рафинирование. Раскисление.
Металлотермия.
2
2
4
4
2
4
4
2
2
2
4
2
-
2
2
2
3
2
2
5
-
5
5
2
2
4
2
2
4
2
1
-
2
2
30
15
45
45
6. Сродство углерода к О2. Восстановление
оксидов металлов
7. Механизм и кинетика гетерогенных
реакций/ Примеры анализа механизма и
кинетики различных процессов
8. Термодинамика окисления сульфидов
Термодинамика сульфидных плавок
9. Механизм и кинетика окисления
сульфидов
10. Термодинамика процессов обменного
выщелачивания
Термодинамика гидрометаллургических
процессов с изменением
электрохимического потенциала раствора
11. Процессы экстракции
Теория ионообменных процессов
2
12. Кинетика и механизм
гидрометаллургических процессов
13. Электролитическое осаждение и
рафинирование металлов
Всего (часов)
4
4
3. Содержание дисциплины
Таблица 2
Наименование тем лекционных занятий, их содержание, объем в часах
Наименование темы
лекции
1. Металлы и
периодический закон
Принципиальная схема
металлургической
переработки
2. Теория
ликвационных методов
рафинирования метало.
Примеры
ликвационных
процессов
Содержание лекции
Физико-химические свойства металлов. Металлы в
системе Д.И. Менделеева
Общая принципиальная схема металлургической
переработки. Основные методы металлургической
переработки
Способы
проведения
ликвации.
Плавление
и
кристаллизация
в
однокомпонентной
системе.
Теплоемкость сплавов и химических соединений.
Термодинамика процесса кристаллизации. Диаграммы
состояния бинарных систем. Диаграммы состояния
эвтектического типа. с химическим соединением. с
нерастворимыми твердыми и жидкими компонентами.
Механизм и кинетика процесса кристаллизации.
Скорость разделения фаз при ликвации. Закон Стокса.
Разделение металла (штейна) и шлака ликвацией.
Разделение продуктов рудной плавки: Разделение свинца
и серебра. Рафинирование цинка от свинца ликвацией.
Процесс Паркесса – обессеребривание свинца при
помощи цинка. Рафинирование олова от железа
зейгерованием.
Объем
час.
2
2
2
3.
Основы
процессов испарения,
возгонки, конденсации
и сублимации
Скорость конденсации.
Примеры процессов
дистилляции и
ректификации
Явления
испарения
и
конденсации.
Давление
насыщенных паров металлов и их соединений в
зависимости от температуры. Термодинамика процессов
испарения в однокомпонентной системе. Кинетика
процессов испарения. Расход тепла на процессы
испарения и возгонки. Испарение в многокомпонентных
системах. Упругость паров двухкомпонентных систем
при ограниченной растворимости. Основы теории
процессов конденсации.
Скорость конденсации. Дистилляционные методы
получения Zn, Hg, As. Разделение алюминия от магния.
Рафинирование латуни от меди, свинца от цинка.
Транспортные
реакции.
Ректификационное
рафинирование. Ректификационное разделение системы
TiCl4 – SiCl4. Улетучивание металлов, оксидов и
сульфидов при плавке руд и концентратов.
5
Наименование темы
лекции
4.
Характеристика
оксидных расплавов.
Диаграммы состояния
двухкомпонентных
шлаковых систем.
Строение и свойства
шлаков Свойства
шлаков. Потери металла
со шлаком
5.
Термодинамика
оксидных
системДиссоциация
оксидов в системах с
растворами.
Окислительное
рафинирование.
Раскисление.
Металлотермия.
Продолжение таблицы 2
Объем
Содержание лекции
час.
Роль шлаков в процессе плавки. Основные свойства
2
шлаковых расплавов. Химическая характеристика
шлаков. Виды шлаков. Плавкость шлаков. Плавкость
системы FeO - SiO2. Диаграммы состояния системы
трехкомпонентных систем
Строение и теплосодержание затвердевших шлаков.
Структура чистых оксидов. Силы связи между
металлом и кислородом. Молекулярная и ионная
теория шлаков.
Физические свойства шлаков: температура плавления,
вязкость,
электропроводность,
плотность,
поверхностное
натяжение
шлаков.
Закон
распределения элементов между жидкими фазами.
Виды потерь металлов в шлаках: химические,
физические и механические.
2
Термодинамика
процесса
окисления
металлов.
Сродство металлов к кислороду и зависимость его от
температуры. Диссоциация оксидов в химических
соединениях. Закономерности диссоциации оксидов в
системах с растворами. Закон Генри. Теория
окислительного рафинирования металлов. Роль шлака
в процессах окислительного рафинирования металлов.
Окислительное огневое рафинирование черновой меди,
железа.
Раскисление
металлов.
Теория
металлотермических процессов.
2
6.
Сродство
углерода к О2.
Восстановление оксидов
металлов
Закономерность изменения сродства углерода к
кислороду. Влияние температуры и давления на
равновесия в системе. Восстановление оксидов
металлов при помощи СО. Углетермическое
восстановление.
Восстановление
водородом.
Плазменное восстановление.
7.
Механизм и
кинетика гетерогенных
реакций
Примеры анализа
механизма и кинетики
различных процессов
Особенности механизма и кинетики диссоциации
веществ в твёрдых фазах, окисления металлов.
Механизм и кинетика окисления металлов и углерода.
Механизм и кинетика восстановления оксидов.
Адсорбционно-автокаталитическая
теория.
Диффузионно-кинетическая теория. Примеры.
2
6
Наименование темы
лекции
8.
Термодинамика
окисления сульфидов
Термодинамика
сульфидных плавок
9.
Механизм и
кинетика окисления
сульфидов
10.
Термодинамика
процессов обменного
выщелачивания
11.
Термодинамика
гидрометаллургических
процессов с изменением
электрохимического
потенциала раствора
12.
Процессы
экстракции
13.
Теория
ионообменных
процессов
14.
Кинетика и
механизм
гидрометаллургических
процессов
Продолжение таблицы 2
Объем
Содержание лекции
час.
Сродство металлов к сере. Термодинамические
2
характеристики сульфидов. Теория осадительных
плавок. Образование штейнов. Физико-химические
основы процессов обжига и плавки сульфидов.
Диаграммы парциальных давлений в системе MeS+O2.
Взаимодействие между MeO и MeS . Горновая плавка.
Конвертирование медных штейнов. Взаимодействие
между сульфидами и оксидами. Концентрационная
плавка.
Концентрационная
плавка
медных
концентратов, никелевых окисленных руд на
никелевый штейн. Равновесие между штейном и
шлаком. Примеры.
Особенности скорости и механизма
окисления
2
сульфидов.
Лимитирующие
факторы
скорости
окисления сульфидов. Автогенные процессы.
Проблемы современной металлургии. Основные
2
процессы и операции в гидрометаллургии. Виды
растворения.
Произведение растворимости LР (ПР). Методы
определения и расчета константы равновесия.
Выщелачивание и осаждение труднорастворимых
соединений обменными процессами. Выщелачивание
и осаждение карбонатов, сульфидов.
Процессы с изменением электрохимического
2
потенциала раствора. Выделение металлов из раствора
цементацией.
Термодинамический
анализ
с
использованием диаграмм «потенциал-pH» (диаграмма
Пурбэ). Примеры. Общие принципы автоклавной
гидрометаллургии.
Автоклавные
процессы.
Растворители и окислители, используемые в
автоклавной гидрометаллургии.
Общие понятия
и терминология процессов
2
жидкостной
экстракции.
Классификация
экстракционных процессов. Равновесие экстракции.
Примеры. Катионно- и анионообменная экстракция.
Эффект синергизма. Кинетика процессов экстракции.
Теория ионообменных процессов. Типы ионообменных
2
соединений. Основные характеристики ионообменных
смол. Равновесие ионного обмена. Кинетика ионного
обмена. Ионообменная хроматография. Электродиализ
Общее уравнение массообмена при выщелачивании.
2
Закономерности и признаки внешней диффузии.
Закономерности и признаки внутридиффузионного и
кинетического режимов выщелачивания. Методы
активации
процессов
выщелачивания.
Методы
активации процессов выщелачивания. Механизм и
кинетика цементации.
7
Наименование темы
лекции
15.
Некоторые
положения электролитического осаждения и
рафинирования металлов
Продолжение таблицы 2
Объем
Содержание лекции
час.
Электролитическое осаждение. Закон Фарадея.
2
Катодные и анодные процессы.
Всего
30
Таблица 3
Наименование тем лабораторных занятий, их содержание и объем в часах
Наименование
Объем,
лабораторной
Содержание лабораторной работы
час.
работы
1. Исследование
Изучение зависимости скорости процесса от
скорости гетерогенного
концентрации
реагирующего
вещества,
2
процесса
определение
константы скорости и порядка
реакции.
2. Изучение скорости
Изучение
влияния
температуры
и
окисления сульфидов
продолжительности на скорость процесса
2
окисления
сульфидов
цветных
металлов
кислородом воздуха.
Ознакомление с
манометрическим методом
изучения
упругости
диссоциации
3. Определение
соединений. Изучение зависимости упругости
упругости диссоциации
2
диссоциации оксидов и карбонатов металлов от
оксидов и карбонатов
температуры. Расчет стандартных свободных
энергии изучаемых реакций.
Изучение методики определения равновесного
состава газовой фазы реакции взаимодействия
4. Равновесие реакции
СО2 с твёрдым углеродом. Экспериментальное
газификации твёрдого
определение равновесных составов газовых фаз
3
углерода
реакции взаимодействия СО2 с твёрдым
углеродом. Аналитическое изучение равновесия
реакций: СО2 + С = 2СО 2СО + О2 = 2СО2
Изучение
закономерностей
термодинамики
5. Определение
ионнообменных процессов на примере обмена
кажущейся константы
водородного
иона
на
металлический.
2
обмена сильнокислотных
Определение констант обмена сильнокислотных
катионитов
катионов
для
различных
металлов
и
избирательности катионита к исследуемым ионам
6. Изучение
Определение
коэффициента
распределения
термодинамики прямой
металла и извлечение его в органическую фазу
2
катионообменной
при различном расходе щелочи
экстракции
Изучение влияния различных факторов
(температуры, pH, раствора, продолжительности)
7. Набухание ионита
2
на набухаемость ионита и на кинетику процесса
ионного обмена
ВСЕГО
15
8
4. Содержание самостоятельной работы обучающихся
4.1
График самостоятельной работы обучающихся.
Таблица 4
График проведения занятий
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
Дата
Время
Наименование тем
Самостоятельная работа обучающихся (СРС)
Решение задач по теме «Ликвация».
Решение задач по теме «Испарение, конденсация».
«Применение ликвации, испарения и конденсации в
металлургии».
Анализ процессов, сопровождающихся ликвацией,
испарением и конденсацией и выводы (Дискуссия).
Выполнение задач по теме «Шлаки».
«Свойства и применение шлаков».
Анализ ролей шлаков в различных рудных и
рафинировочных плавках и выводы (Дискуссия).
Выполнение задач по теме «Окислительновосстановительные процессы».
Выполнение специальных задач по теме «Окислительновосстановительные процессы».
Выполнение специальных задач по теме «Обжиг
сульфидов».
«Кинетическая и диффузионная теории гетерогенных
реакций».
Анализ диффузионных и кристаллохимических стадий
процессов окисления металлов и восстановления оксидов
и выводы (Дискуссия).
«Автогенные процессы».
Анализ особенностей различных способов обжига-плавки
сульфидов (Дискуссия).
Выполнение специальных заданий по теме «Обменное
выщелачивание сульфидов»
«Процессы окислительного выщелачивания сульфидов».
Анализ процессов окислительного выщелачивания в кучах,
в автоклавах, в чанах в металлургии золота, меди, никеля
(Дискуссия).
Выполнение специальных задач по теме «Кинетика
металлургических процессов».
«Применение экстракционных и сорбционных процессов в
гидрометаллургии».
Анализ способов экстракционных и сорбционных методов
рафинирования и концентрирования металлов
(Дискуссия).
«Процессы электролитического извлечения и
рафинирования в водных растворах
и в расплавах».
Анализ основных положений электролитического
осаждения и рафинирования из водных растворов солей и
выводы (Дискуссия).
9
4.2 Тематика самостоятельной работы обучающихся под руководством
преподавателя (СРСП), форма проведения и методические рекомендации к
выполнению.
Таблица 5
№
Тематика СРСП
1
Решение задач по теме
«Ликвация».
2
Решение задач по теме
«Испарение, конденсация».
3
Применение ликвации,
испарения и конденсации в
металлургии
4
Выполнение задач по теме
«Шлаки».
5
«Свойства и применение
шлаков».
Тренинг
6
Выполнение задач по теме
«Окислительновосстановительные
процессы».
Выполнение задач по теме
«Окислительновосстановительные
процессы».
Выполнение специальных
задач по теме «Обжиг
сульфидов».
Тренинг
7
8
Форма
проведения
Тренинг
Тренинг
Тренинг
Тренинг
На основании энергии Гиббса
рассчитать
равновесные
концентрации металлов и оксидов
Тренинг
На основании энергии Гиббса
рассчитать фазовые равновесия в
системе Me-S-O
Проанализировать
влияние
диффузионных
и
кристаллохимических
стадий
процессов окисления металлов и
восстановления
оксидов
на
скорость процесса (Дискуссия).
Проанализировать
кинетические
особенности различных способов
обжига-плавки
сульфидов
и
выводы
о
преимуществах
(Дискуссия).
Использовать диаграммы lgCMe-pH
«Кинетическая и
диффузионная теории
гетерогенных реакций».
Тренинг
10
«Автогенные процессы».
11
Выполнение задач по теме
«Обменное выщелачивание»
Тренинг
Тренинг
12
Использовать
принципы
построения и анализа диаграмм
состояния
Использовать
принципы
построения и анализа диаграмм
состояния
Проанализировать
процессы,
сопровождающиеся
ликвацией,
испарением и конденсацией и
выводы (Дискуссия).
Использовать
принципы
построения и анализа диаграмм
состояния
Анализ ролей шлаков в различных
рудных и рафинировочных плавках
и выводы (Дискуссия).
На основании энергии Гиббса
рассчитать равновесные давления
кислорода
Тренинг
Тренинг
9
Методические рекомендации
«Процессы окислительного
выщелачивания сульфидов».
10
Проанализировать
процессов
окислительного выщелачивания в
кучах, в автоклавах, в чанах в
металлургии золота, меди, никеля
(Дискуссия).
№
Тематика СРСП
13
Выполнение задач по теме
«Кинетика металлургических
процессов».
«Применение
экстракционных и
сорбционных процессов в
гидрометаллургии».
14
15
«Процессы
электролитического
извлечения и рафинирования
в водных растворах
и в расплавах».
Форма
проведения
Тренинг
Тренинг
Тренинг
Продолжение таблицы 5
Методические рекомендации
Использовать принципы спиновой
диффузии
Проанализировать экстракционные
и
сорбционные
способы
рафинирования
и
концентрирования
металлов
(Дискуссия).
Анализ
основных
положений
электролитического осаждения и
рафинирования
из
водных
растворов
солей
и
выводы
(Дискуссия).
4.3Тематика самостоятельной работы обучающихся (СРС), форма
проведения и методические рекомендации к выполнению.
Таблица 6
№
Тематика СРМ
«Металлы и периодический
закон». «Металлы и их
соединения в природе»
«Испарение и возгонка
металлов и их соединений в
процессах обжига и плавки».
1
2
3
«Кинетическая и диффузионная
теории гетерогенных реакций».
4
«Автогенные процессы».
5
«Автоклавные процессы».
6
7
8
9
Форма
проведения
Реферат
Реферат
Дискуссия
Реферат
Презентация
«Применение сорбционных
процессов в гидрометаллургии».
Реферат
«Электролитическое извлечение
и рафинирование в водных
растворах».
«Процессы электролитического
извлечения и рафинирования в
расплавах».
Решение технологических задач
по теме «Свойства и
применение шлаков»
Реферат
Реферат
Круглый стол
11
Методические рекомендации
Использовать
положения
о
химической активности элементов
Рассмотреть влияние температуры,
внешнего давления и др. факторов
на показатели процесса
Рассмотреть влияние температуры,
продолжительности,
характера
исходных и полученных продуктов
на скорость процесса
Описать один из автогенных
процессов (по согласованию с
лектором).
Описать один из автоклавных
процессов (по согласованию с
лектором).
Представить описание одного из
процессов сорбции (экстракции) (по
согласованию с лектором).
Представить описание одного из
процессов
электролиза
(по
согласованию с лектором).
Представить описание одного из
процессов
электролиза
(по
согласованию с лектором).
Рассмотрение процессов очистки и
переработки шлаков
№
10
11
12
Тематика СРМ
Форма
проведения
Круглый стол
Решение технологических задач
по
теме
«Окислительновосстановительные процессы»
Решение технологических задач Круглый стол
по теме «Выщелачивание
сульфидов»
Круглый стол
Анализ вопросов по темам к
контрольному опросу № 1
Дискуссия
13
Перспективы развития
металлургии
14
15
Анализ вопросов по темам к
контрольному опросу № 2
Подготовка к экзамену
Круглый стол
Круглый стол
Продолжение Таблицы 6
Методические рекомендации
Рассмотрение процессов разделения
продуктов плавки и рафинирования
Анализ
практики
применения
процессов гидрометаллургической
переработки сульфидов
Подготовка к рубежному контролю
Воспользоваться
лекционным
материалом по темам 1-7
Экологически
совместимые,
энергосберегающие,
высокопроизводительные,
механизированные
и
автоматизированные процессы
Воспользоваться
лекционным
материалом по темам 8-15
Воспользоваться
лекционным
материалом по всем пройденным
темам
5. Карта обеспеченности учебно-методической литературой по
дисциплине.
5.1 Основная литература, количество экземпляров в библиотеке
КазНТУ, количество студентов, % обеспеченности литературой.
Таблица 7
№
1.
2.
3.
4
Основная литература
Кол-во экз.
Кол-во студ.
Ванюков А.В., Зайцев В.Я. Теория
пирометаллургических процессов.
М., Металлургия, 1993.
Зеликман А.Н., Вольдман Г.М.,
Беляевская
Л.В.
Теория
гидрометаллургических процессов.
М., Металлургия, 1983.
Луганов В.А., Байконурова А.О.,
Сажин
Е.Н.
Основы
гидрометаллургических процессов,
КазНТУ, Алматы, 2005
Вольский А.Н., Сергиевская Е.М.
Теория
металлургических
процессов. М., Металлургия, 1968
75
28
%
обеспеченности
100
129
28
100
79
28
100
118
28
100
12
5.2 Дополнительная литература, количество экземпляров в
библиотеке КазНТУ, количество студентов, % обеспеченности
литературой.
Таблица 8
№
Дополнительная литература
1.
Погорелый
А.Д.
Теория
100
металлургических процессов. М.,
Металлургия, 1971
Арсентьев
П.П. 101
Экспериментальные работы по
теории
металлургических
процессов, М., Металлургия, 1989
Хабаши. Ф. Основы прикладной 36
металлургии, т.1, М., Металлургия,
1975
2.
3.
Кол-во экз.
13
Кол-во
студ.
28
%
обеспеченности
100
28
100
28
100
Лист согласования рабочей программы по курсу
Учебный
год
Выпускающая
кафедра
2011-2012 МПТиТСМ
Ф.И.О. зав. кафедрой
Байконурова А.О., д.т.н.,
профессор
14
Подпись
Дата
согласова
ния