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
«МЕТАЛЛУРГИЯ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ»
Направление: 150400 «Металлургия»
Профиль: «Металлургия цветных металлов»
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр
Форма обучения: очная
Составитель: проф.
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
МЕТАЛЛУРГИЯ ЛЕГКИХ МЕТАЛЛОВ
Составитель: проф. В. М.СИЗЯКОВ
Кафедра металлургии
1. Цели и задачи дисциплины:
Целью дисциплины является приобретение студентами знаний основ технологии легких металлов, а также навыков самостоятельного решения конкретных технологических задач при разработке аппаратурно-технологических схем их производства.
Задачи дисциплины – изучение физико-химических основ, технологии и аппаратурного оформления процессов получения глинозема, фторсолей, алюминия, магния и других легких металлов с решением проблем охраны окружающей среды.
2. Место дисциплины в структуре ООП:
Дисциплина относится к вариативной части профессионального цикла.
Для изучения дисциплины студент должен обладать входными знаниями по математике (ЕН.02), информатике (КН.02), физике (ЕН.03); химии (ЕН.04), физической химии (ЕН.05), тепломассообмену (ЕН. Р.01), экологии (ЕН.07), гидравлике и аэромеханике (ЕН. Д.01) основам кристаллографии и минералогии (КН. Р.01); уметь пользоваться компьютером, работать с информацией из различных источников; уметь пользоваться 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:
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций выпускников:
общекультурных компетенций (ОК):
- обладать культурой мышления, обобщать и анализировать информацию, ставить цель и выбирать пути ее достижения (ОК-1);
- самостоятельно приобретать новые знания, используя современные образовательные и информационные технологии (ОК-4);
- использовать основные законы естественнонаучных дисциплин в профессиональной деятельности, применять методы математического анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования (ОК-6);
- учитывать этические и правовые нормы в межличностном общении(ОК-9);
- владеть основными методами, способами и средствами получения, хранения, переработки информации (ОК-10);
- использовать компьютер как средство управления информацией (ОК-11);
- работать с информацией в глобальных компьютерных сетях (ОК-12);
- оформлять, представлять и докладывать результаты выполненной работы (ОК-13);
- владеть нормами деловой переписки и делопроизводства (ОК-14);
профессиональных компетенций (ПК):
- способен использовать фундаментальные общеинженерные знания (ПК-1);
- способен сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК-4);
- готов применять в практической деятельности принципы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды (ПК-5);
- готов использовать нормативные правовые документы в своей профессиональной деятельности (ПК-6);
- способен использовать принципы системы менеджмента качества (ПК-9);
производственно-технологическая деятельность:
- способен осуществлять и корректировать технологические процессы в металлургии и материалообработке (ПК-10);
- способен выявлять объекты для улучшения в технике и технологии (ПК-11);
- способен осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды (ПК-12);
- способен оценивать риски и определять меры по обеспечению безопасности технологических процессов (ПК-13);
организационно-управленческая деятельность:
- способен применять методы технико-экономического анализа (ПК-14);
- уметь организовать работу коллектива для достижения поставленной цели (ПК-17);
научно-исследовательская деятельность:
- иметь способности к анализу и синтезу (ПК-18);
- выбирать методы исследования, планировать и проводить необходимые эксперименты, интерпретировать результаты и делать выводы (ПК-19);
- способен выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических, химических и технологических процессов (ПК-22);
- способен выполнять элементы проектов (ПК-23);
- способен обосновывать выбор оборудования для осуществления технологических процессов (ПК-25).
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- состояние и перспективы развития сырьевой базы алюминиево-магниевой промышленности; в общих чертах знать источники сырья для производства других легких металлов; физико-химические основы и технологию получения глинозема из бокситов, нефелинов, алунитов и бесщелочных алюмосиликатов; теорию и технологию производства алюминия методом электролиза криолит-глиноземных расплавов, включая автономные блоки – производство электродов и фторсолей, рафинирование алюминия; теоретические основы и технологию получения магния методом электролиза хлоридных расплавов и методом силикотермии, технологию рафинирования магния; общие принципы технологии получения бериллия, кальция, бария, лития; методы защиты окружающей среды, технологию переработки отходов, основные направления ресурсосбережения;
Уметь:
- обосновать параметры процессов технологии производства легких металлов; обосновать требования к качеству продукции и методы управления им на основных технологических переделах; ориентироваться в основных направлениях научно-технического прогресса в производстве легких металлов.
Владеть:
- навыками исследований основных процессов производства легких металлов; элементами расчетов основных процессов производства легких металлов; основами методик анализа на продукты, промрподукты и отходы производства легких металлов; навыками рационализации в профессиональной деятельности с целю совершенствования технологий производства легких металлов; законодательными и правовыми актами в области безопасности и охраны окружающей среды, требованиями к безопасности технических регламентов в сфере профессиональной деятельности.
4. Объем дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость дисциплины составляет 7 зачетных единиц.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестры | ||
6 | 7 | 8 | ||
Аудиторные занятия (всего) | 123 | 86 | 37 | |
В том числе: | - | - | - | |
Лекции | 70 | 51 | 19 | |
Практические занятия (ПЗ) | 17 | 17 | ||
Семинары (С) | - | - | - | |
Лабораторные работы (ЛР) | 36 | 18 | 18 | |
Самостоятельная работа (всего) | 57 | 10 | 11 | 36 |
В том числе: | - | - | - | |
Курсовой проект (работа) | 36 | - | - | КП |
Расчетно-графические работы | - | 18 | ||
Реферат | - | |||
Другие виды самостоятельной работы | 21 | 10 | 11 | |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | Экзамен | Зачет | Защита КП | |
Общая трудоемкость час. зач. ед. | 180 | 96 | 48 | 36 |
7 |
5. Содержание дисциплины
5.1. Содержание разделов дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
Введение. | Классификация легких металлов. Значение легких металлов в современной технике. Содержание курса. Основные направления развития металлургии легких металлов. | |
1 | Производство глинозема | Сырьевая база алюминиевой промышленности. Основы геохимии алюминия, важнейшие минералы алюминия. Алюминиевые руды, их месторождения в РФ и других странах. Особенности развития сырьевой базы алюминиевой промышленности в РФ. Требования к алюминиевому сырью для производства глинозема. Требования к качеству глинозема. Глинозем как исходный материал для электролитического получения алюминия. Требования к химическому составу глинозема и его физическим свойствам. Классификация металлургического глинозема. Неметаллургический глинозем и области его применения. Стандарты на глинозем. Способ Байера. Общая аппаратурно-технологическая схема. Теоретические основы процесса Байера. Алюминатные растворы, их структура и свойства. Система Na2О - Al2O3-H2O. Технология способа Байера. Подготовка сырья. Выщелачивание различных бокситов. Автоклавная установка непрерывного выщелачивания. Сгущение и промывка красного шлама. Интенсификация сгущения на основе флокулянтов. Декомпозиция алюминатных растворов. Теория и технология получения крупнозернистого глинозема. Непрерывная батарея декомпозеров. Выпаривание оборотных щелочных растворов. Каустификация промывных вод. Цикл Байера в системе Na2О - Al2O3-H2O. Кальцинация гидроксида алюминия во вращающихся печах и КС. Основные пути усовершенствования способа Байера. Выщелачивание боксита при высоких температурах, разработка и применение эффективного высокопроизводительного оборудования. Попутное извлечение галлия и ванадия. Проблема комплексного использования красных шламов. Анализ технико-экономических показателей производства глинозема по способу Байера в РФ и за рубежом. Проблемы ресурсосбережения. Способ спекания бокситовых шихт. Физико-химические основы способа. Общая аппаратурно-технологическая схема. Пути усовершенствования процесса спекания на основе использования новых печных агрегатов. Выщелачивание спека в плотном слое (вертикальные аппараты), агитационный и перколяционный методы. Аппаратурно-технологические схемы переработки алюминатных растворов. Физико-химические основы обескремнивания. Технология обескремнивания. Карбонизация алюминатных растворов. Технико-экономический анализ производства глинозема из высококремнистых бокситов по способу спекания. Комбинированные щелочные способы производства глинозема из бокситов. Сущность комбинирования гидрохимических и спекательных способов. Параллельный вариант Байер-спекание. Последовательный вариант Байер-спекание. Комплексная переработка нефелинов. Общая схема. Особенности шихтоподготовки и спекания. Выщелачивание нефелиновых спеков, агитационная и проточно-агитационная схемы. Коренное усовершенствование технологии выщелачивания спеков и промывки нефелиновых шламов на основе применения флокулянтов. Переработка алюминатных растворов. Новая карбоалюминатная технология получения глинозема высшего качества из нефелинов. Комплексная переработка гидрогранатовых шламов. Получение соды, поташа, цемента. Новые способы комплексной переработки нефелинов. Технико-экономический анализ способа комплексной переработки нефелинов в условиях рыночной экономики. Комплексная переработка алунитов. Восстановительно-щелочной способ переработки на глинозем, сульфат калия, серную кислоту и другие продукты. Обжиг и восстановление алунита в печах КС. Коренное усовершенствование технологии на основе "обращенной" схемы переработки алюминатных растворов и конверсии сульфатных солей. Экономика способа в условиях рыночных отношений. Гидрохимический способ Пономарева-Сажина. Физико-химические основы способа. Общая технологическая схема. Технология переработки высокомодульных щелочно-алюминатых растворов. Перспективы гидрохимического способа. Проблемы защиты окружающей среды в производстве глинозема. |
2 | Металлургия алюминия | Общая схема производства алюминия электролизом криолито-глиноземных расплавов. Производство фтористых солей. Технологическая схема производства криолита и других фтористых солей кислотным методом. Сухой способ производства фтористых солей по способу Пешине. Технико-экономические показатели производства фторсолей. Производство электродов. Виды электродных изделий. Производство анодной массы. Технология обожженных анодов, технология "сухой" массы. Производство графитированных электродов. Теоретические основы электролиза алюминия. Физико-химические свойства электролита. Системы: криолит – глинозем, фтористый алюминий – фтористый натрий. Растворимость глинозема в электролите. Напряжение разложения компонентов электролита. Механизм электролиза. Анодный эффект. Выход по току и по энергии. Влияние различных факторов на выход по току и по энергии. Конструкция алюминиевых электролизеров. Классификация электролизеров по анодному устройству, мощности, подводу тока. Основные конструктивные элементы ванны. Монтаж и демонтаж ванны. Совершенствование конструкции ванн. Технология электролиза алюминия. Баланс напряжения, тепловой баланс алюминиевой ванны. Цех электролиза алюминия. Основные технологические операции и параметры процесса электролиза. АСУТП "Электролиз". Газоочистные системы, проблемы защиты окружающей среды. Анализ технико-экономических показателей производства алюминия в РФ и за рубежом. Основные направления совершенствования технологии электролиза алюминия. Техника безопасности при электролизе алюминия. Проблемы ресурсосбережения. Защита окружающей среды. Рафинирование алюминия. Свойства алюминия высокой чистоты и области применения. Принцип рафинирования. Электродные процессы при рафинировании. Конструкция ванны. Технология рафинирования. Основные технико-экономические показатели. Электротермия алюминия и его сплавов. Разработка двухстадийного алюмотермического способа получения алюминия с использованием плазменного нагрева. Ожидаемые технико-экономические показатели алюмотермического способа получения алюминия, перспективы внедрения. |
3 | Металлургия магния | Свойства магния и его сплавов. Сырьевая база магниевой промышленности в РФ и за рубежом. Технологические схемы подготовки сырья для получения магния электролизом. Общая характеристика схем. Карналлитовая схема. Переработка хлор-магниевых щелоков. Титано-магниевая схема. Получение магния из морской воды. Технология безводных хлоридов магния. Теоретические основы электролиза магния. Физико-химические свойства электролита магниевой ванны. Напряжение разложения компонента электролита. Катодные процессы. Анодные процессы. Технология электролиза магния. Конструкция магниевых ванн, диафрагменные и бездиафрагменные электролизеры. Основные технологические операции и параметры процесса электролиза. Механизация обслуживания электролизеров. Основные направления усовершенствования технологии магния (поточная автоматическая линия производства магния). Рафинирование магния. Технико-экономические показатели производства магния электролизом хлоридов. Техника безопасности. Способ силикотермии магния (теория и технология). |
4 | Краткий обзор способов получения натрия, калия, кальция и других легких 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 |
1. | Металлургическая гидроаппаратура | + | + | |||
2. | Металлургия редких металлов | + | + | + | ||
3. | Автоматизация металлургических процессов | + | + | + | + | |
4. | Моделирование процессов и объектов металлургии | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплин и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекц., час. | Практ. зан. | Лаб. зан. | Семин. | СРС | Все-го час. |
1 | Производство глинозема | 51 | - | 16 | - | 36 | 103 |
2 | Металлургия алюминия | 13 | 12 | 10 | - | 10 | 45 |
3 | Металлургия магния | 4 | 5 | 10 | - | 8 | 27 |
4 | Краткий обзор способов получения натрия, калия, кальция и других легких металлов. | 2 | - | - | - | 3 | 5 |
6. Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ | Трудо-емкость (час.) |
1. | 1 | Переработка бокситов способом Байера | 6 |
2. | 1 | Переработка низкокачественных бокситов способом спекания | 4 |
3. | 1 | Основы комплексной переработки нефелинов | 6 |
4. | 2 | Определение криолитового отношения электролитов при получении алюминия методом электролиза | 6 |
5. | 2 | Балансовая оценка при моделировании электролизера с предварительно обожженными анодами | 4 |
6. | 3 | Получение металлического магния электролизом расплавленных хлоридов | 5 |
7. | 3 | Металлотермический способ получения магния | 4 |
7. Практические занятия (семинары) – 17 часов
8. Примерная тематика курсовых проектов (работ):
1. Рассчитать материальный баланс спекания нефелино-известняковой шихты и выбрать основное оборудование передела. Мощность передела в пересчете на глинозем 550 тыс. т в год.
2. Рассчитать материальный баланс декомпозиции алюминатных растворов в способе Байера с получением глинозема песочного типа и выбрать основное оборудование передела. Мощность передела в пересчете на глинозем 1400 тыст. в год.
3. Рассчитать материальный баланс выщелачивания нефелиновых спеков и выбрать основное оборудование переделаю. мощность передела в пересчете на глинозем 300 тыс. т в год.
4. Рассчитать электрический баланс электролизера с обожженными анодами для получения алюминия на силу тока 300 кА; определить технические показатели аппарата.
9. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
а) основная литература
1. Проблемы развития производства глинозема в России. Сб. докладов I Международного Конгресса «Цветные металлы Сибири – 2009». г. Красноярск, 8-10 сентября 2009 г. С.120-134.
2. Модернизация технологии комплексной переработки кольских нефелиновых концентратов на Пикалевском глиноземном комбинате. Сб. докладов 2 Международного Конгресса «Цветные металлы - 2010» г. Красноярск, 2-4 сентября, 2010, с.267-269
3. , , Металлургия легких металлов. М.: «Интермет Инжиниринг». 2005.
4. Современное состояние и проблемы развития алюминиевой промышленности России. СПб., Записки Горного института. Т.165. 2005.
5. Состояние, проблемы и перспективы развития способа комплексной переработки нефелинов. СПб., Записки Горного института. Т.169. 2005.
6. , , и др. Получение дисперсных порошков титана, циркония и скандия и синтез их тугоплавких наносоединений металлотермическим восстановлением хлоридов. М.: Издательский дом "Руда и металлы", 2006. 243 с.
7. , Процессы массовой кристаллизации из растворов в производстве глинозема. СПб.: СПГГИ, 2005.
8. , Металлургия легких металлов. Производство глинозема. СПб.: СПГГИ, 2003.
9. , , и др. Процессы и аппараты цветной металлургии. Екатеринбург, Изд-во УГТУ, 1997, с.656.
б) дополнительная литература
1. Сборник докладов II Международного конгресса «Цветные металлы-2010». 2-4 сентября 2010. Красноярск. 849 с.
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины:
Лабораторные занятия проводятся в специализированной лаборатории легких металлов, оборудованной всеми необходимыми установками для выполнения исследований.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины:
- Компьютерная программа "Схема" (по промышленным данным).
- Картотека "Алюминиевые заводы мира".
- Макеты и физические модели основного оборудования.
- Информационные пакеты данных по алюминиевой промышленности мира.
