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
«ОСНОВЫ ПЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: доц.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
ОСНОВЫ ПЕЧНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Составитель: доц. Г. В.КОНОВАЛОВ
Кафедра металлургии
1. Цели и задачи дисциплины:
Цель дисциплины – дать студентам знания в области основ печных технологий.
Задачи дисциплины – обеспечить усвоение научных представлений об основных процессах, протекающих в пирометаллургических аппаратах.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Учебная дисциплина «Основы печных технологий» является дисциплиной вариативной части ФГОС третьего уровня высшего профессионального образования (бакалавриата).
Для освоения учебного материала данной дисциплины необходимы знания по математике, физике, общей и физической химии, информатике (Б.2), тепломассообмену, металлургической теплотехнике (Б.3). Необходимо уметь пользоваться компьютером, работать с информацией из различных источников; уметь пользоваться высокотемпературными установками лаборатории; иметь знания по технике безопасности при работе в пирометаллургической лаборатории.
3. Требования к результатам освоения дисциплины:
Изучение дисциплины «Основы печных технологий» направлено на формирование у студентов следующих компетенций: ОК-1, 4, 6, 10-13, ПК-1, 2, 4, 10-12, 18-22.
В результате изучения дисциплины студент должен:
знать: сущность процессов при производстве и обработке металлов; закономерности технической термодинамики, механики жидкостей и газов, тепло - и массообмена, теплогенерации; свойства огнеупорных и теплоизоляционных материалов, способы и устройства для использования вторичных энергоресурсов, экологические аспекты сжигания топлива и утилизации вторичных энергоресурсов; конструкции печей, используемых в цветной металлургии.
уметь: использовать полученные при прохождении дисциплины знания для анализа теплотехнических характеристик тепловых агрегатов металлургии; производить расчет основных процессов технической термодинамики, механики жидкостей и газов, тепло - и массообмена; выбирать для конкретных задач виды топлива и устройства для его сжигания, огнеупорные и теплоизоляционные материалы, устройства для использования вторичных энергоресурсов, проводить расчеты материального и теплового балансов металлургической печи.
владеть: навыками расчета и проектирования металлургических печей различного технологического назначения.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
4 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 90 | 90 |
В том числе: | ||
Лекции | 36 | 36 |
Практические занятия (ПЗ) | 18 | 18 |
Семинары (С) | ||
Лабораторные работы (ЛР) | 36 | 36 |
Самостоятельная работа (всего) | 126 | 126 |
В том числе: | ||
Курсовой проект (работа) | ||
Расчетно-графические работы | 36 | 36 |
Реферат | 30 | 30 |
Другие виды самостоятельной работы | 60 | 60 |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | экзамен | |
Общая трудоемкость час зач. ед. | 216 | |
6 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Введение. | Роль пирометаллургической технологии в современном металлургическом производстве. Металлургическая печь как инструмент для осуществления пирометаллургических процессов. История развития печной техники и этапы создания теоретических подходов к расчетам, проектированию, эксплуатации металлургических печей. Вклад российских ученых в науку о печах. Металлургические печи как энергетические объекты; экологические последствия работы металлургических печей. |
2. | Классификация металлургических печей. | Разнообразие технологических процессов производства черных и цветных металлов как следствие разнообразия свойств минералов, применяемых источников энергоснабжения, требований к использованию тепла отходящих газов, заданных качеств конечных продуктов. Классификационные признаки печей. Различие по технологическому назначению; по виду используемой энергии; по типу утилизации тепла отходящих газов; по геометрической форме рабочего пространства; по способу передачи тепла; по режиму работы. Схемы металлургических печей. |
3. | Основы теории металлургических печей. | Основные процессы, протекающие в металлургической печи: технологический, энергетический, теплообменный, гидроаэродинамический, механический. Их взаимосвязь и взаимообусловленность. Разработка теоретических основ работы металлургических печей. Сущность гидравлической теории -Гржимайло, энергетической теории . Основные положения комплексной теории печей, предложенной . Понятие о лимитирующем процессе. Методы расчетов печей, базирующихся на том или ином лимитирующем процессе. |
4. | Технологический процесс как совокупность физико-химических превращений, протекающих в металлургической печи и его энергетическая оценка | Основные виды физико-химических превращений, протекающих в печах. Процессы термической диссоциации. Процессы окисления. Процессы восстановления. Обменное взаимодействие. Образование расплавов. Металлы, штейны, шлаки и их строение. Энергетические характеристики различных видов физико-химических превращений. Термодинамическая оценка вероятности того или иного физико-химического взаимодействия и его конечного результата. Расчет теплового эффекта сложной реакции по закону Гесса. Тепловой баланс технологического процесса. Понятие теплопотребления шихты и метод его расчета. Понятие автогенности металлургического процесса и условия его достижения. |
5. | Энергетический процесс | Виды тепловой энергии, потребляемой металлургическими печами. Топливо и характеристика его разновидностей. Химический состав топлива и методы его определения. Теплотворность топлива. Воздушный режим горения. Расчет расхода воздуха на сжигание топлива. Понятие «коэффициента избытка» воздуха. Явление диссоциации продуктов горения. Тепловой баланс горения. Температура горения топлива и методы расчета калориметрической, теоретической и практической температуры. Роль кислорода в горении топлива. Количество и состав газообразных продуктов горения. Характеристика основных видов топлива, используемого в металлургических печах. Естественное твердое топливо. Модифицированные виды твердого топлива: древесный уголь, кокс, угольная пыль. Жидкое топливо. Нефть и продукты нефтепереработки. Мазут как топливо металлургических печей. Газообразное топливо. Натуральные газы, искусственные виды газообразного топлива: коксовый газ, доменный газ, генераторные газы. Разновидность способов сжигания топлива в различных металлургических печах. Слоевое горение твердого кускового топлива на колосниковых решетках. Слоевое горение кокса в печах шахтного типа. Сжигание пылевидного топлива в печах пламенного типа и в энергетических установках. Сжигание мазута в печах пламенного типа. Использование кислорода при сжигании топлива. Преобразование электрической энергии в тепловую в металлургических печах. История возникновения электронагрева и принципы, обусловившие его развитие. Электрические печи сопротивления. Принципы работы. Виды элементов сопротивления и их характеристики. Металлические элементы; угольные элементы; расчеты элементов сопротивления. Область применения электрических печей сопротивления. Дуговой электронагрев и дуговые электропечи. Принципы электрической дуги. Дуга постоянного тока. Дуга переменного тока. Разновидность дуговых электропечей и область их применения. Рудно-термический принцип электронагрева. Роль шлака в процессе преобразования электрической энергии в тепловую. Характеристика электрического и теплового полей рудно-термической печи. Область применения рудно-термических электропечей. |
6. | Гидроаэродинамический процесс и его разновидности в печах различного типа | Понятие о напорах и их измерении. Статический, динамический, геометрический, потерянный напоры. Закон Бернулли как выражение всеобщего закона сохранения механической энергии в применении к движению газового потока. Характер движения газов. Ламинарный и турбулентный поток. Математическая оценка режима течения потока. Сопротивления движению газового потока. Сопротивление трения; местные сопротивления, их математическая интерпретация. Характеристика гидродинамических явлений, возникающих в металлургических печах различного типа и системах. Русловое течение газового потока в печах пламенного типа, газоходных, газопроводных, воздухопроводящих системах. Движение газов через слой дисперсных материалов в шахтных печах и печах кипящего слоя (КС). Струйный режим истечения газов из насадок, фурм, форсунок, горелок. Закономерности свободной струи. Понятия «затопленная» и «незатопленная» струи. Скорость струи при истечении. Понятие «разгона» струи и «затухания» струи. Форма насадки и ее влияние на скорость струи. Физические параметры, характеризующие струйный процесс истечения газов. Роль давления дутья, температуры газа. Понятие удельной нагрузки на единицу рабочего сечения насадки, фурмы, сопла и ее математическая интерпретация. |
7. | Процессы теплообмена в основных типах металлургических печей | Теплопроводность как форма теплового потока тепла, характерного для передачи тепла в конструктивных узлах печей и в массе перерабатываемых материалов. Уравнение теплового потока, передаваемого теплопроводностью. Влияние теплопроводности на потери тепла во внешнюю среду. Нестационарная теплопроводность как рабочий процесс в печах термической обработки изделий. Роль теплопроводности в тепловой работе печей муфельного типа. Конвекция как особый вид теплопередачи, обусловленный движением газов или жидкостей. Уравнение теплового потока, передаваемого конвекцией по наружной поверхности печей. Роль конвекции в рабочем пространстве печей пламенного типа, печей взвешенной плавки, шахтных печей, в устройствах для утилизации тепла газов, газоходах и пыеулавительных системах. Принудительная конвекция в расплавах, перерабатываемых продувкой газами (конвертеры, рафинировочные печи и др.). Тепловое излучение как разновидность электромагнитных волн. Закон Кирхгоффа. Законы Вина и Планка. Понятие о степени черноты тел. Тепловое излучение газов. Роль лучистого теплообмена в печах пламенного типа (отражательные, трубчатые) и печах взвешенной плавки. Пути интенсификации теплового излучения газов в печах. Роль «подсветки» пламени. Влияние кислорода, используемого при сжигании топлива, и сульфидов на интенсивность лучистого теплообмена в рабочем пространстве печи. |
8. | Элементы конструкции металлургических печей и экологические требования при эксплуатации печей | Огнеупорные материалы. Конструкция металлургических печей (свод, под, стены, фундамент, кессоны). Защитные гарнисажи. Конструкция горелок, форсунок, фурменных устройств. Конструкция регенераторов, рекуператоров. ПДК. Методы пылеулавливания. Оборудование для очистки пыли от газов. Утилизация газов промышленных печей. Аппаратурно-технологические схемы пылеочистки в металлургии цветных 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 |
1. | Металлургия тяжелых цветных металлов | х | х | х | х | х | |
2. | Металлургия легких цветных металлов | х | х | х | х | х | |
3. | Металлургия редких металлов | х | х | х | х | ||
4. | Металлургия благородных металлов | 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. | 2 | 4 | 6 | |||
2. | Классификация металлургических печей. | 4 | 8 | 12 | |||
3. | Основы теории металлургических печей. | 2 | 4 | 8 | 14 | ||
4. | Технологический процесс как совокупность физико-химических превращений, протекающих в металлургической печи и его энергетическая оценка | 4 | 6 | 8 | 20 | 38 | |
5. | Энергетический процесс | 6 | 4 | 8 | 20 | 38 | |
6. | Гидроаэродинамический процесс и его разновидности в печах различного типа | 6 | 4 | 12 | 20 | 42 | |
7. | Процессы теплообмена в основных типах металлургических печей | 6 | 8 | 20 | 34 | ||
8. | Элементы конструкции металлургических печей и экологические требования при эксплуатации печей | 6 | 26 | 32 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1 | 4,5,6 | Исследование условий псевдоожижения дисперсной загрузки применительно к работе печей «кипящего слоя». | 8 |
2 | 4,5,6 | Моделирование работы горизонтального конвертера и экспериментальное определение гидроаэродинамических характеристик фурменной системы. | 8 |
3 | 4,5,6 | Исследование условий движения газов в печи взвешенной плавки. | 8 |
4 | 4,5,6 | Определение предельного количества дутья для аппаратов струйно-окислительного типа в зависимости от условий подачи дутья на стенде с моделями аппаратов пяти типов. | 8 |
5 | 4,5,6 | Изучение характера механического процесса в модели обжиговой многоподовой печи. | 4 |
7. Практические занятия (семинары) не предусмотрены.
8. Примерная тематика расчетно-графических работ:
№ | Тема |
1 | Схема электрической печи и краткая характеристика технологического, энергетического и механического процессов, протекающих в ней. |
2 | Схема печи для взвешенной автогенной плавки сульфидных концентратов (ПВП) и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
3 | Схема горизонтального конвертера для переработки штейнов и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в нем. |
4 | Схема печи для обжига в кипящем слое (КС) никелевого сульфидного концентрата и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
5 | Схема печи для автогенной плавки сульфидной руды (ААП) и краткая характеристика технологического, аэромеханического, энергетического и механического процессов, протекающих в ней. |
6 | Схема вертикального кислородного конвертера для переработки медного концентрата от разделения файнштейна на черновую медь и краткая характеристика технологического, аэромеханического, энергетического и механического процессов, протекающих в ней. |
7 | Схема шахтной печи для восстановительной сульфидирующей плавки окисленной никелевой руды на штейн и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
8 | Схема печи Ванюкова (ПЖВ) и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
9 | Схема трубчатой вращающейся печи для восстановительного обжига окисленной никелевой руды и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
10 | Схема многоподовой печи для обжига сульфидных концентратов и краткая характеристика технологического, энергетического, аэромеханического и механического процессов, протекающих в ней. |
Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Диомидовский печи цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1970. – 704 с.
2. Металлургическая теплотехника. В 2-х томах. т.1. Теоретические основы. Учебник для вузов /, , и др., М.: Металлургия, 1986. 424 с.
б) дополнительная литература
3. , Глинков теория печей.–М.: Металлургия, 1978.–264 с.
4. Теория металлургических процессов / , , и др. – М.: Металлургия, 1989. – 392 с.
5. , , Бороненков металлургических процессов. –М.: Металлургия, 1986. – 463 с.
6. Кобахидзе работа и конструкции печей цветной металлургии. – М.: МИСИС, 1994. – 356 с.
7. Шалыгин передел в цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1965. – 160 с.
8. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии. Книга 2. / Под общей ред. , М.: Химия, 2000. – 1760 с.
9. , Мирский и термические печи в машиностроении. – М.: Металлургия, 1971. – 383 с.
10. , , и др. Металлургия черных и цветных металлов. – М.: Металлургия, 1993. –446 с.
11. , , Шмонин пирометаллургических процессов и аппаратуры цветной металлургии. – М.: Металлургия, 1990. – 447 с.
12. , Цейдлер по металлургии тяжелых цветных металлов. – М.: Металлургиздат, 1963. – 592 с.
13. Таблицы физических величин. Справочник. / Под. ред. , – М.: Атомиздат, 1976. – 1008 с.
14. Краткий справочник по металлургии цветных металлов. , – М.: Металлургия, 1975. – 536 с.
15. Металлургические печи. Атлас. / , , и др. – М.: Металлургия, 1987. – 384 с.
Компьютерные презентации («Металлургическое оборудование»);2. Физические и огневые модели металлургических агрегатов.
г) базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Операционные системы Windows, стандартные офисные программы, электронно-поисковая база по металлургии цветных металлов.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
1. Пирометаллургическая лаборатория (высокотемпературные, огневые установки, физические модели);
2. 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 IV семестре.
