Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Липецкий государственный технический университет»

Металлургический институт

УТВЕРЖДАЮ

Директор

Чупров В.Б.

«» _ 2012 г.

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ

Теплофизика металлургических процессов Направление подготовки: 150400.62 «Металлургия»

Профиль подготовки: «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей»

Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная г. Липецк – 2012 г.

Оглавление 1. Цели и задачи изучения дисциплины............................................... 2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО.......................................... 3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины.......... 4. Структура и содержание дисциплины............................................... 5. Образовательные технологии..................................................... 6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов............................................................... 7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины.................... 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины................................. 1. Цели и задачи изучения дисциплины Целью дисциплины «Теплофизика металлургических процессов» является освоение методов теплофизического анализа технологических процессов, реализуемых в металлургическом производстве.

Задачами изучения дисциплины является следующее:

приобретение знаний по методике расчетов тепло- и массообмена для технологических процессов, реализуемых при производстве кокса, агломерата, чугуна и стали;

приобретение навыков по составлению математических моделей технологических процессов;

приобретение практических навыков инженерного расчёта конструкционных и режимных параметров технологических агрегатов, в которых реализуются тепломассообменные процессы в неподвижном и движущемся слоях кусковых материалов (установки сухого тушения кокса, агломерация, упрочняющий обжиг железорудных окатышей на конвейерных машинах);

освоение методики оценки оптимальных и предельных возможностей технологических агрегатов по производительности и расходу энергоносителей (при коксовании, агломерации, получении чугуна, металлизации железорудных окатышей).

2. Место дисциплины в структуре ООП ВПО Дисциплина «Теплофизика металлургических процессов» входит в раздел «Б.3. Профессиональный цикл. Вариативная часть. Дисциплины по выбору студентов» ФГОС ВПО по направлению подготовки 150400.62 Металлургия (квалификация (степень) «бакалавр»), профиль подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

Для изучения дисциплины необходимы компетенции, сформированные при изучении следующих дисциплин:

математика;

физика;

теплофизика;

химия;

физическая химия;

экология;

механика жидкостей и газов;

техническая термодинамика;

металлургические технологии;

теория и практика теплогенерации;

тепло- и массообмен;

металлургическая теплотехника.

Изучение дисциплины необходимо как предшествующее :

для прохождения производственной практики;

для выполнения итоговой квалификационной работы.

3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины В результате освоения дисциплины «Теплофизика металлургических процессов» обучающийся должен обладать следующими общепрофессиональными компетенциями:

уметь применять инновационные методы решения инженерных задач (ПК-1);

уметь сочетать теорию и практику для решения инженерных задач (ПК-4);

уметь применять в практической деятельности принципы рационального использования природных ресурсов и защиты окружающей среды (ПК-5);

уметь использовать нормативные правовые документы в своей профессиональной деятельности (ПК-6);

уметь следовать метрологическим нормам и правилам, выполнять требования национальных и международных стандартов в области профессиональной деятельности (ПК-8);

уметь выявлять объекты для улучшения в технике и технологии (ПК-11);

уметь осуществлять выбор материалов для изделий различного назначения с учетом эксплуатационных требований и охраны окружающей среды (ПК-12);

иметь способности к анализу и синтезу (ПК-18);

уметь использовать физико-математический аппарат для решения задач, возникающих в ходе профессиональной деятельности (ПК-20);

уметь использовать основные понятия, законы и модели термодинамики, химической кинетики, переноса тепла и массы (ПК-21);

уметь выбирать и применять соответствующие методы моделирования физических, химических и технологических процессов (ПК-22);

уметь выполнять элементы проектов (ПК-23) уметь использовать стандартные программные средства при проектировании (ПК-24);

уметь обосновывать выбор оборудования для осуществления технологических процессов (ПКВ результате освоения дисциплины обучающийся должен:

методику теплофизического анализа основных технологических процессов реализуемых при производстве кокса, агломерата, чугуна, металлизированных окатышей;

методы оценки тепловой эффективности технологических агрегатов.

составлять на основе известных законов тепломассообмена математические модели технологических процессов производства кокса, агломерата, чугуна, металлизированных окатышей;

выполнять аналитические и численные решения по математическим моделям;

использовать результаты решений по математическим моделям для определения конструкционных и режимных параметров технологических агрегатов, реализующих основные металлургические переделы при производстве стали.

методами определения коэффициентов тепло- и массообмена на лабораторных установках и на действующих агрегатах;

методами расчетного и опытного определения параметров тепло- и массообмена для основных технологических агрегатов;

навыками оценки оптимальных параметров функционирования технологических агрегатов;

методами инженерного расчёта конструкционных и режимных параметров как действующих, так и проектируемых (разрабатываемых) технологических процессов и агрегатов.

4. Структура и содержание дисциплины Общая трудоемкость дисциплины составляет 3 зачетных единицы, 108 час.

Курс Семестр 1 Задачи и методика теплофиЛабораторная зического анализа технолоработа гических процессов производства стали 2 Закономерности тепловых газом-теплоносителем, жущемся в противотоке с газом-теплоносителем.

слое кусковых материалов, движущемся в противотоке с газом-восстановителем щемся плотном слое при восстановлении железорудных окатышей в шахтных печах металлизации Раздел дисциплины Наименование тем лекций (трудоемкость в часах) п/п 1 Задачи и методика Основные технологические процессы, реализуемые при производстве теплофизического стали. Температурные уровни этих процессов. Схема производства анализа технологиче- стали на НЛМК. Производительность технологических агрегатов, госких процессов довое производство. Потребности в исходных материалах, в энергонопроизводства стали сителях. Удельные затраты энергии на производство 1 т кокса, агломерата, чугуна, стали, проката (для конструкционных и электротехнических марок стали).

агломерата, чугуна, стали. Методика теплофизического анализа технологических процессов производства стали (2 часа).

2 Закономерности теп- Разновидности нагрева, тепловой обработки кусковых (измельчёнловых процессов в не- ных) материалов в слое, продуваемом газом-теплоносителем. Геометподвижном плотном рические, аэродинамические и теплообменные характеристики плотслое, продуваемом га- ного слоя кусковых материалов (1 час).

зом-теплоносителем Закономерности тепловых процессов при нагреве неподвижного плотного слоя. Дифференциальные уравнения, результаты аналитического решения. Методика инженерного расчёта. Технологическая реализация неподвижного плотного слоя (агломерация, обжиг железорудных 3 Закономерности теп- Дифференциальные уравнения, результаты аналитического решения ловых процессов в по расчету тепловых процессов в плотном слое кусковых материалов, плотном слое кус- движущемся в противотоке с газом-теплоносителем. Методика расковых материалов, чёта конструкционных и режимных параметров установок сухого движущемся в проти- тушения кокса. Определение оптимальных параметров (2 часа).

вотоке с газом-теплоносителем.

4 Закономерности Внутренняя и внешняя задачи массообмена при твердофазном восстамассообменных про- новлении железнорудных металлов. Характеристики оксидов железа.

цессов при восстанов- Геометрические параметры агломерата и железорудных окатышей.

лении железорудных Методика расчета потребностей реакции восстановления оксидов жематериалов в плотном леза в восстановительных газах СО и Н2. Теоретические и действислое, движущемся в тельные потребности в восстановительных газах для получения 1 т противотоке с газом- стали из железной руды определенного состава.(2 часа) восстановителем Потребность реакций восстановления в тепловой энергии (на 1 т железа).

Восстановление в противотоке. Дифференциальные уравнения, аналитические решения. Методика расчета требуемой высоты слоя (активной высоты печи). Методы опытного определения суммарного коэффициента массообмена в слое железорудных материалов. Количественные данные по коэффициентам массообмена в плотном слое ( 5 Технологическая реа- Недостатки и преимущества производства стали с использованием лизация тепломассо- кокса. Возможности твердофазного восстановления оксидов железа с обмена в движущемся использованием только природного газа. Технологическая схема плотном слое при производства стали на ОЭМК. Исходные материалы. Способ получевосстановлении желе- ния восстановительных газов СО и Н2 (2 часа).

зорудных окатышей в Элементы установки металлизации окатышей на ОЭМК. Их конструкшахтных печах метал- ции. Газовая схема, параметры в характерных точках газовой схемы.

лизации. Материальный и тепловой балансы печи металлизации (2 часа).

Расчет потребности печи металлизации в природном газе. Перспективы развития бескоксового производства стали в РФ и в мире. (2 час) 1 Задачи и методика теплофизиче- Определение величины коэффициентов теплообмена в плотского анализа технологических ном слое кусковых материалов по критериальным уравненипроцессов производства стали ям. ( 4 часа) 2 Закономерности тепловых про- Определение зависимости коэффициентов теплообмена от цессов в неподвижном плотном термической массивности кусков (на основе компьютерного слое, продуваемом газом- моделирования). (2 часа) теплоносителем Расчет нагрева термически тонких шаров в неподвижном Закономерности тепловых про- Расчет режимных и конструкционных параметров установки цессов в плотном слое сухого тушения кокса (для 3-х значений соотношения водякусковых материалов, ных эквивалентов). Анализ параметров действующей УСТК движущемся в противотоке с НЛМК. Обобщение результатов расчетов (графики), их анагазом-теплоносителем лиз. (8 часов) Закономерности Определение теоретической и действительной потребности массообменных процессов при в восстановительных газах CO и H2 реакций восстановления восстановлении железорудных железа из его окислов (на 1 т Fe). (5 часов) материалов в плотном слое Определение требуемой высоты слоя шихты при твердофазкусковых материалов, ном восстановлении железорудных материалов в изотермидвижущемся в противотоке с ческих условиях. (3 час) газом-восстановителем Технологическая реализация Анализ конструкции, газовой схемы и параметров шахтной тепломассообмена в печи металлизации. (8 час) движущемся плотном слое при восстановлении железорудных окатышей в шахтных печах металлизации 5. Образовательные технологии В соответствии с требованиями ФГОС ВПО при изучении дисциплины «Теплофизика металлургических процессов» предусматривается использование в учебном процессе активных и интерактивных форм проведения лекционных и лабораторных занятий.

При проведении лабораторных занятий и при самостоятельной работе студентов планируется компьютерное моделирование изучаемых процессов.

6. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, для промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины и учебно-методическое обеспечение самостоятельной 1) Контроль текущей успеваемости После прочтения определенных лекционных тем предусматривается выполнение студентами расчетных лабораторных работ с индивидуальными исходными данными. Расчеты студенты выполняют частично на лабораторных занятиях в черновиках. Окончательно расчеты по заданиям студенты выполняют во внеаудиторные часы.

После проверки преподавателем правильности результатов выполненных расчетов студенты должны оформить материалы расчетов в чистовом виде и представить к защите к определенным срокам. Всего планируется выполнить 3 расчетных задания.

Задания 1 и 2 должны быть оформлены в виде чистовиков к моменту полусеместровой аттестации. Задание 3 должно быть оформлено в чистовом виде не позднее недели 16. Допускается защита задания 3 на экзамене.

Результаты выполнения расчетных заданий (их фрагментов), своевременная подготовка чистовиков проверенных заданий и последующая защита результатов расчетов оцениваются следующими баллами:

Остальные баллы по текущей успеваемости (40 баллов) выставляются:

- за посещение лекций: до 9 баллов, - за посещение лабораторных занятий и за реальную работу на этих занятиях: до 24 баллов, - за ведение полноценного конспекта лекций: до 9 баллов.

Примеры заданий для лабораторных занятий 1. Расчет нагрева термически тонких шаров в неподвижном слое (на основе аналитического решения и компьютерного моделирования).

Исходные данные: высота слоя шихты, скорость газа (на пустую шахту), диаметр шаров, температура газа на входе в слой, температура материала в конце нагрева на верхнем уровне слоя.

Определить: длительность нагрева слоя, тепловое состояние слоя для трех горизонтов и для трех моментов времени, среднемассовую температуру шихты в конце нагрева, тепловой кпд.

Обобщить результаты выполнения задания в виде графиков.

2. Определение режимных и конструкционных параметров установки сухого тушения кокса ( для 3-х значений соотношения водяных эквивалентов).

Исходные данные: диаметр кусков кокса, производительность УСТК по коксу, начальная и конечная температура кокса, соотношение водяных эквивалентов (в диапазоне 0,5-1), диаметр камеры тушения.

Определить: требуемую высоту камеры тушения, профиль температур для 4-х уровней камеры тушения, возможную производительность УСТК по пару, тепловой кпд камеры тушения, энергетический (общий) кпд УСТК.

Обобщить результаты выполненных расчетов в виде графиков, проанализировать параметры действующей УСТК НЛМК и найти опытную величину объемного коэффициента теплообмена, сделать выводы по выбору оптимальных параметров УСТК.

3. Анализ конструкции, газовой схемы и параметров шахтной печи металлизации Исходные данные: материалы лекций, учебников, монографий по бескоксовому производству стали.

Выяснить для газовой схемы в указанных точках все параметры: какой проходит газ, его состав, расход, температура, влажность.

Определить: химическую и тепловую энергию потока газа (МВт) в указанных точках газовой схемы, тепловой и энергетический кпд установки металлизации, потребности в природном газе для получения восстановительного газа и тепловой энергии.

2) Промежуточный контроль Промежуточным контролем является экзамен (в билете 2 вопроса).

Примерный перечень вопросов к экзамену 1. Геометрические, аэродинамические и теплообменные характеристики плотного слоя кусковых материалов (для неподвижного и движущихся слоев).

2. Особенности теплообмена в плотном слое неподвижной и движущейся шихты. Методы экспериментального определения значений коэффициентов теплообмена в плотном слое кусковых материалов. Учет влияния формы и размера кусков, геометрической структуры слоя, неоднородности скорости и температуры газового потока и т.п. Методика инженерного расчета коэффициентов теплообмена в плотном слое по критериальным уравнениям.

3. Параметры, характеризующие интенсивность массообмена. Общеизвестные дифференциальные уравнения по массообмену. Факторы, влияющие на интенсивность внешнего и внутреннего массообмена. Примеры массообменных процессов в природе и в металлургии. Возможные методики инженерного расчёта значений коэффициентов массообмена. Методика инженерного расчёта значений коэффициентов массообмена в конкретных случаях (по материалам в учебнике: Б.С. Мастрюков. Теплофизика металлургических процессов. М.: МИСиС, 1996).

4. Закономерности нагрева (охлаждения) неподвижного слоя термически тонкой шихты: вывод дифференциальных уравнений, результаты их аналитического решения, характерное изменение температур по высоте слоя и во времени. Пример использования результатов аналитического решения для инженерного расчета нагрева шихты в неподвижном слое. Влияние термической массивности на процесс нагрева, охлаждения слоя неподвижной шихты.

Закономерности нагрева, охлаждения плотного слоя металлической шихты, движущейся в противотоке с газообразным теплоносителем: вывод дифференциальных уравнений, анализ результатов аналитического решения, характерное изменение температур для 3 случаев соотношений водяных эквивалентов.

Анализ практической реализации тепловых процессов при агломерации железорудных материалов на конвейерных установках.

Анализ практической реализации тепловых процессов при окислительном обжиге железорудных окатышей на конвейерных установках.

Особенности массообменных процессов при восстановлении металлов из руд в плотном движущемся слое. Внутренняя и внешняя задачи по массообмену. Задачи инженерных расчётов массообмена в плотном движущемся слое.

Закономерности внешнего массообмена при восстановлении железорудных материалов в плотном слое, движущихся в противотоке с газом-восстановителем: схема процесса, дифференциальные уравнения, характерное изменение параметров массообмена, результаты аналитического решения дифференциальных уравнений для различных соотношений массоёмкостей потока материала и газа-восстановителя.

Внутренний массоообмен в кусковых железорудных материалах. Схема внутреннего массообмена. Соответствующие дифференциальные уравнения. Суммарный коэффициент массообмена К, его размерности. Опытные данные по восстановлению железорудных окатышей, влияющие факторы. Численные значения К.

Технологическая реализация тепломассообменных процессов при металлизации железорудных материалов в чёрной металлургии. Примеры реализации: доменные печи (недостатки, преимущества), шахтные печи металлизации (недостатки, преимущества).

Реакции восстановления окислов железа. Теоретические и фактические потребности в восстановительных газах (на 1 т получаемого Fе).

Потребности реакций восстановления окислов железа а тепловой энергии. Фактические потребности в тепловой энергии при твёрдофазном восстановлении железа из окислов.

Технологическая реалиэация тепло - и массообменных процессов при бескоксовом производстве стали. Структурная схема производства стали на ОЭМК. Основные функциональные элементы установки металлизации, их краткая характеристика, реализуемые физические и хими –ческие процессы.

.Особенности технологии металлизации железорудных окатышей на ОЭМК. Химический состав окатышей, исходная пористость, гранулометрический состав. Степень восстановления окатышей. Параметры восстановительного газа. Производительность шахтной печи. Длительность процесса металлизации и охлаждения окатышей.

Газовая схема печи металлизации. Назначение и устройство основных элементов газового 16.

тракта печи металлизации.

Тепловой баланс установки металлизации ОЭМК. Обоснование расхода природного газа.

17.

Обоснование расхода охлаждающего газа. Состав охлаждающего газа.

Принципы расчёта расхода природного газа для получения восстановительного газа (материальные балансы по углероду и водороду).

Расчёт расхода природного газа на обеспечение потребности установки металлизации в тепловой энергии.

Показатели массообмена в печах металлизации ОЭМК. Массоёмкости потоков материала и 20.

восстановительного газа. Степень восстановления, относительный химический потенциал газа–восстановителя, их изменение по высоте печи. Определение коэффициента массообмена по эксплуатационным показателям печей металлизации ОЭМК.

3) Распределение бюджета времени на самостоятельную работу студентов - проработка материала лекций 3 часа;

- подготовка к лабораторным занятиям 18 часов.

7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины а) основная литература Б.С.Мастрюков. Теплофизика металлургических процессов. М.МИСиС, 1996. 268 с.

А.С.Тимофеева, В.В. Федина. Теплофизика металлургических процессов. Ст.Оскол ООО «ТНТ» 2007. 196 с.

В.Г.Лисиенко, В.И.Лобанов, Б.И.Китаев. Теплофизика металлургических процессов. М. Металлургия, 1995. 240 с.

А.С.Телегин, Ю.Г. Швыдкий, Ю.Г.Ярошенко.Тепломассоперенос. М. Металлургия, 1995. 400с.

С.А.Пчелкин, А.А.Юртаев. Газовщик шахтной печи металлизации. М. Металлургия,1992. 127с.

Теплотехнические расчеты металлургических печей. Китаев Б.И. и др. М. Металлургия, 1993.

б) дополнительная литература Ю.С.Юсфин и др. Новые процессы получения стали. Учебник для вузов. М. Металлургия,1994.

Развитие бескоксовой металлургии стали. Тулин Н.А. и др. М. Металлургия, 1987. 338 с.

Тепло- и массообмен в плотном слое. Китаев Б.И. и др. М. Металлургия, 1972. 432 с.

Г.В.Коршиков. Энциклопедический словарь-справочник по металлургии. Липецк, 1998. 780 с.

В.Г.Воскобойников и др. Общая металлургия. М. ИКЗ «Академкнига», 2002. 368 с.

в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы 1. www: nlmk. ru 2. www: oemk.oskol. ru 8. Материально-техническое обеспечение дисциплины Для успешного проведения занятий по дисциплине «Теплофизика металлургических процессов» кафедра располагает необходимой материально-технической базой, обеспечивающей проведение всех видов занятий, предусмотренных данной программой, и соответствующей действующим санитарным и противопожарным правилам и нормам:

специализированными аудиториями для проведения лекционных и лабораторных занятий;

специализированным компьютерным классом для проведения занятий по тестированию;

необходимым программным обеспечением и выходом в Интернет;

научно-технической и методической литературой.

Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО и с учетом рекомендаций ПрООП ВПО по направлению 150400.62 Металлургия (квалификация (степень) бакалавр), профиль подготовки «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей».

Программа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры теплофизики