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.
ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«ТЕОРИЯ ПИРОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доц.
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 | Всего часов | Семестр | |
5 | 6 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 84 | 84 | |
В том числе: | |||
Лекции | 34 | 34 | |
Практические занятия (ПЗ) | 16 | 16 | |
Семинары (С) | |||
Лабораторные работы (ЛР) | 34 | 34 | |
Самостоятельная работа (всего) | 96 | 60 | 36 |
В том числе: | - | ||
Курсовая работа | 36 | 36 | |
Расчетно-графические работы | |||
Реферат | |||
Другие виды самостоятельной работы | 60 | 60 | |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | экзамен | ||
Общая трудоемкость час зач. ед. | 180 | 144 | 36 |
5 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Введение. | 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. |
2. | Состав и свойства газовой фазы. | 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. |
3. | Процессы взаимодействия углерода с газовой фазой. Окисление и газификация углерода. | 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 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. |
4. | Теория образования и диссоциации химических соединений. | 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. |
5. | Процессы окисления металлов. | Термодинамика, кинетика и механизм окисления твердых металлов. Структура окалины на металлах. Окисление расплавленных металлов. |
6. | Процессы восстановления соединений 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. |
7. | Процессы в сульфидных системах. | 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. |
8. | Процессы, основанные на использовании свойств систем металл - галогенид. | Взаимодействие оксидов с галогенами, хлоридами других элементов. Роль углеродсодержащих добавок при хлорировании окислов. Основы хлорирующего обжига. Сегрегация. |
9. | Металлургические расплавы. | 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. 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. |
10. | Потери цветных металлов со шлаками. | 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. |
11. | Кристаллизационные методы рафинирования металлов. | Ликвация и ликвационное рафинирование металлов. Кинетика процесса. Направленная кристаллизация. Равновесный и эффективный коэффициенты распределения примесей при кристаллизации. Зонная плавка. Выращивание монокристаллов. |
12. | Процессы, основанные на испарении и конденсации. | 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
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||||||||||
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | ||
1. | Металлургия тяжелых цветных металлов | х | х | х | х | х | х | х | х | х | х | х | |
2. | Металлургия легких цветных металлов | х | х | х | х | х | х | х | х | ||||
3. | Металлургия редких металлов | х | х | х | х | х |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц., час. | Практ. зан. | Лаб. зан. | Семин | СРС | Все-го час. |
1. | Введение. | 1 | 1 | ||||
2. | Состав и свойства газовой фазы. | 3 | 2 | 6 | 10 | 21 | |
3. | Процессы взаимодействия углерода с газовой фазой. Окисление и газификация углерода. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
4. | Теория образования и диссоциации химических соединений. | 3 | 2 | 10 | 15 | ||
5. | Процессы окисления металлов. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
6. | Процессы восстановления соединений металлов. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
7. | Процессы в сульфидных системах. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
8. | Процессы, основанные на использовании свойств систем металл - галогенид. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
9. | Металлургические расплавы. | 3 | 2 | 4 | 10 | 19 | |
10. | Потери цветных металлов со шлаками. | 3 | 10 | 13 | |||
11. | Кристаллизационные методы рафинирования металлов. | 3 | 4 | 4 | 11 | ||
12. | Процессы, основанные на испарении и конденсации. | 3 | 2 | 5 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1. | 2, 3 | Исследование реакции газификации углерода диоксидом углерода | 6 |
2. | 4 | Исследование кинетики разложения карбоната магния | 4 |
3. | 5 | Окисление примесей в расплаве меди | 4 |
4. | 5 | Исследование реакций в системе Ме-S-О. | 4 |
5. | 6 | Исследование восстановления оксидов металла | 4 |
6. | 8 | Определение летучести хлоридов цветных металлов | 4 |
7. | 9 | Исследование электропроводности, вязкости и поверхностного натяжения шлаковых и металлических систем. | 4 |
8. | 11 | Изучение диаграммы состояния в системе Sn-Pb. Ликвация (очистка Pb от Cu) | 4 |
7. Практические занятия (семинары) – 17 часов.
8. Примерная тематика расчетно-графических и курсовых работ:
№ | Тема |
1. | Рассчитать предельные парциальные давления О2, SО2, SО3. |
2. | По термодинамическим данным построить зависимость ∆G0=f(Т). |
3. | Провести термодинамическую оценку системы Ме-S-О. |
4. | Построить диаграмму фазовых равновесий системы Ме-S-О. |
5. | Рассчитать значения констант скорости процессов обжига. |
6. | Рассчитать равновесное давление СО2, при спекании концентрата с известняком |
7. | Определить изменение бинарного состава при изменении температуры |
8. | Определить выход и состав паровой фазы в системе хлоридов при заданном давлении и температуре. |
9. | Рассчитать производительность дистиллятора. |
10. | Определить изменение равновесной концентрации сульфида металла в штейне. |
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. , Зайцев пирометаллургических процессов. - М.: Металлургия, 1993.-384с.
2. , Уткин переработка медного и никелевого сырья. - М.: Металлургия, 1998. -432с.
б) дополнительная литература
3. , , Физическая химия пирометаллургических процессов, 2 изд., ч. 1-2, Свердловск, 1962-1966;
4. , , Теория металлургических процессов, М., 1968;
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 поточно-групповой системы обучения. При этом обучение рекомендуется в течение двух семестров: для бакалавров — в V и VI семестрах.
