冶金傳輸原理

1、冶金傳輸原理電 子 教 案冶金與材料工程學(xué)院2009年9月冶金傳輸原理（Principles of Transfer in Metallurgy）第 1 次課 課題： 緒論（0.5學(xué)時）一、本課的基本要求1了解課程的性質(zhì)、基本要求、主要內(nèi)容、特點、教材與教參、成績評定。2了解傳輸原理的研究對象、研究方法、冶金過程中的傳輸現(xiàn)象。二、本課的重點、難點難點：課程的總體介紹，能否激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。三、教參及教具1鋼鐵冶金概論 李慧主編 冶金工業(yè)出版社2有色金屬冶金學(xué) 邱竹賢主編 冶金工業(yè)出版社3冶金傳輸原理 華建社 朱軍等編 冶金工業(yè)出版社教材：傳輸原理 朱光俊 孫亞琴編著 冶金工業(yè)出版社 2009

2、年0 緒論0.1 冶金的分類冶金：鋼鐵冶金、有色金屬冶金。共同特點：發(fā)生物態(tài)變化 固®液態(tài)物理化學(xué)變化 原料與產(chǎn)品的性質(zhì)、化學(xué)成分截然不同1鋼鐵冶金：原料是礦石 產(chǎn)品是鋼鐵鋼鐵工藝流程：長流程 高爐轉(zhuǎn)爐軋機 短流程 直接還原或熔融還原電爐軋機（1）高爐煉鐵：燒結(jié)礦或球團礦（鐵礦石造塊）、焦炭（煤煉焦）、熔劑鐵水面臨主要問題：能源和環(huán)保。（2）非高爐煉鐵：天然塊礦、粉礦或造塊、塊煤或氣體還原劑、熔劑海綿鐵（3）轉(zhuǎn)爐煉鋼：鐵水、廢鋼、鐵合金、氧氣、造渣劑鋼水（4）電爐煉鋼：廢鋼（海綿鐵）、鐵水、鐵合金、造渣劑鋼水2有色金屬冶金：原料是礦石 產(chǎn)品是有色金屬（1）重金屬：銅（造锍熔煉）、鉛（

3、還原熔煉）、鋅（濕法冶煉）、錫（火法精煉）（2）輕金屬：鋁冶金、鎂冶金（3）稀貴金屬：鋰冶煉、鈹冶煉、鈣鍶鋇制取、金銀提煉0.2 課程概況一、課程性質(zhì)專業(yè)基礎(chǔ)課，是基礎(chǔ)課和專業(yè)課之間的橋梁。基礎(chǔ)課：高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理。二、課程內(nèi)容傳輸原理（動量、熱量、質(zhì)量傳輸） 簡稱“三傳”（Momentum Heat and Mass Transfer）傳輸是指流體的（輸送、轉(zhuǎn)移、傳遞）的統(tǒng)稱。的傳遞與輸送Þ（基本概念、運動規(guī)律、解析方法類似）傳輸原理（理論）從20世紀(jì)中葉以來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳輸理論已成為一門獨立學(xué)科，并廣泛應(yīng)用于冶金、材料、機械、化工、能源、環(huán)境等領(lǐng)域。冶煉過程：高溫、多

4、相條件下進行的復(fù)雜物理化學(xué)過程。傳輸過程Þ冶煉過程中的物理過程（動力學(xué)），不涉及化學(xué)反應(yīng)®冶金原理（熱力學(xué)）Þ動量、熱量、質(zhì)量傳遞的過程。（Transport Phenomena）舉例：高爐煉鐵的氣固兩相流動。高爐強化冶煉，目的就是改善傳輸條件。 轉(zhuǎn)爐煉鋼的氣液兩相流動。轉(zhuǎn)爐底吹，目的也是改善傳輸條件。所以，冶金傳輸原理即為冶金中的動量、熱量、質(zhì)量傳輸理論，它已成為現(xiàn)代冶金過程理論的基礎(chǔ)。研究對象：動量、熱量、質(zhì)量傳輸（傳遞）過程的速率。研究方法：理論研究、實驗研究和數(shù)值計算三種方法。理論研究方法 以質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律和熱力學(xué)第一定律為基礎(chǔ)，從宏觀上研究傳

5、輸問題。采用的分析方法是微元體平衡法，建立傳輸微分方程或積分方程并用數(shù)學(xué)解析法求解（簡單問題）。數(shù)值計算方法 對復(fù)雜問題（方程或邊界條件復(fù)雜），借助計算機采用近似計算方法（如有限差分法、有限元法等）求解。實驗研究方法 用于理論計算結(jié)果正確性的驗證、解決建立傳輸方程不易或方程難于求解的復(fù)雜問題。采用的實驗方法主要是基于相似理論的模型實驗法。在研究傳輸問題時，理論、計算和實驗三種研究方法相互補充，取長補短。本課程主要介紹理論研究方法和一些實驗研究方法，即以質(zhì)量守恒定律、牛頓第二定律和熱力學(xué)第一定律為依據(jù)，從宏觀上介紹“三傳”問題，重點介紹冶金過程中常常遇到的動量傳輸、熱量傳輸、質(zhì)量傳輸基本概念、基

6、本定律及基本解析方法。習(xí)題與思考題：加深對所學(xué)傳輸理論的理解和應(yīng)用。集中實驗1周：理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)學(xué)生動手能力。三、課程特點難學(xué)：物理概念抽象，數(shù)學(xué)推導(dǎo)繁瑣，計算公式多，計算過程復(fù)雜。（以物理概念為主，數(shù)學(xué)為輔）重點掌握基本概念、基本定律、基本解析方法。講授方法：重點講授+作業(yè)，輔以習(xí)題課；難點講授+思考題，輔以討論課。學(xué)習(xí)方法：認真聽課 勤于思考 重在實踐 網(wǎng)絡(luò)輔助 “勤學(xué)苦煉”四、教學(xué)目的使學(xué)生掌握冶金傳輸理論的基本概念、基本定律及基本解析方法，理解強化冶金生產(chǎn)過程和改進生產(chǎn)工藝的理論基礎(chǔ)，同時使學(xué)生具備初步分析和解決冶金生產(chǎn)工藝過程的傳輸實際問題的能力。五、參考書目冶金傳輸原理基礎(chǔ) 沈

7、頤身、李保衛(wèi)等著 冶金工業(yè)出版社冶金傳輸原理 張先棹主編 冶金工業(yè)出版社冶金傳遞過程原理 梅熾編著 中南工業(yè)大學(xué)出版社動量、熱量、質(zhì)量傳輸原理 高家銳主編 重慶大學(xué)出版社冶金傳輸原理 沈巧珍、杜建明編著 冶金工業(yè)出版社期刊：冶金能源、工業(yè)爐、工業(yè)加熱、鋼鐵課程資源：重慶科技學(xué)院課程中心 六、成績評定總分100分 期末考試占60%（閉卷筆試） 作業(yè)占20%（抄襲一次扣5分） 課堂提問及討論、網(wǎng)絡(luò)輔助占20% 無故缺課一次扣3分。第 1 次課 課題： 動量傳輸?shù)幕靖拍睿?.5學(xué)時）一、本課的基本要求1了解傳輸?shù)姆诸?；流體的基本特性；氣體狀態(tài)方程。2掌握流體的主要特性、狀態(tài)方程的應(yīng)用。二、本課的重

8、點、難點重點：氣體狀態(tài)方程及應(yīng)用。三、作業(yè)習(xí)題P11 1-9 1-16思考題：不同狀態(tài)方程中R的含義及單位。四、教參及教具動量、熱量、質(zhì)量傳輸原理 高家銳主編 重慶大學(xué)出版社第一篇 動量傳輸 （第1章第8章）動量、熱量、質(zhì)量傳輸同時存在，動量傳輸是最基本的傳輸過程，例如：煉鐵高爐內(nèi)氣-固兩相流動、煉鋼轉(zhuǎn)爐內(nèi)氣-液兩相流動對冶煉過程有很大的影響。傳輸按其產(chǎn)生和存在的條件可分為：研究對象：流體的性質(zhì)及流動特性，即流動條件下的動量傳遞過程，其實質(zhì)是流體流動過程中力、能平衡問題。研究方法：移植自“流體力學(xué)”，即將流體視為連續(xù)介質(zhì)，取流體的質(zhì)點或微團為最小的解析對象。動量傳輸?shù)姆诸悾猴@然，黏性流體在進行

9、對流動量傳輸過程中，同時存在著物性動量傳輸過程。思考：流體無宏觀運動時，物性動量傳輸存在否？為什么？由思考引入下述內(nèi)容：流體的性質(zhì)和流體運動的基本特性。第1章 動量傳輸?shù)幕靖拍?.1 流體的概念流體：自然界中能夠流動的物質(zhì)，如液體和氣體?；咎匦裕毫鲃有裕羟辛ψ饔孟逻B續(xù)變形）壓縮性（膨脹性）黏性（阻滯流動的性質(zhì)）連續(xù)性（無間隙）1.2 流體的密度、重度及比體積密度：（均質(zhì)流體），（非均質(zhì)流體），kg/m3重度：，N/m3比體積：，m3/kg應(yīng)用：密度與重度之間的換算。1.3 流體的壓縮性和膨脹性壓縮性（膨脹性）1液體的壓縮性及膨脹性液體分子距離較近，壓縮時，排斥力增大，難以壓縮；T

10、3;，略有膨脹，膨脹系數(shù)<1/1000。V受T、P的影響不大，在工程上一般視為不可壓縮流體。2氣體的壓縮性及膨脹性氣體分子間距較大，吸引力較小，V受T、P的影響較大。對于理想氣體而言，的關(guān)系可用狀態(tài)方程表示，即（1） 密度 kg/m3 式中 P¾絕對壓力，Pa；R¾氣體常數(shù)；¾熱力學(xué)溫度，K。（2），等溫壓縮，（3），恒壓膨脹式中 vt¾t°C下的比體積；v0¾標(biāo)態(tài)比體積；¾氣體膨脹系數(shù)。 kg/m3 N/m3G千克氣體體積 m3流量 m3/s 熱氣體流動情況下流速 m/s （4）氣體在絕熱狀態(tài)下壓縮時氣體第 2 次課

11、 課題：動量傳輸?shù)幕靖拍睿?學(xué)時）一、本課的基本要求1了解流體的黏性及黏性力。2掌握牛頓黏性定律及應(yīng)用；黏性系數(shù)的單位、物理意義、影響因素。3掌握黏性動量傳輸、黏性動量通量及其表達式。4理解流體上的作用力、能量、動量之間的關(guān)系。二、本課的重點、難點重點：牛頓黏性定律及應(yīng)用。難點：概念的理解和掌握。三、作業(yè)習(xí)題P11 1-21 1-23四、教參及教具動量、熱量、質(zhì)量傳輸原理 高家銳主編 重慶大學(xué)出版社圖1-11.4 流體的黏性及牛頓黏性定律1流體的黏性及黏性力黏性：阻滯流動的性質(zhì)。產(chǎn)生原因：流體分子間的內(nèi)聚引力和分子的熱運動。黏性力的建立過程：圖1-1 P5流體流層間產(chǎn)生切應(yīng)力的現(xiàn)象¾

12、;流體的黏性；切應(yīng)力¾黏性力。2牛頓黏性定律牛頓在1686年提出假說，1841年普阿節(jié)爾由實驗所證實。表述：流體的黏性力F與速度v0成正比，與兩平板間距離H成反比，與接觸面積A成正比。任意兩流層 N單位面積上的黏性力（切應(yīng)力） N/m2式中 x¾流向；y¾速度變化方向；¾速度梯度，速度增大方向為正（單位距離上的速度變化量），式中正負號的出現(xiàn)是為了保證tyx為正。黏性力的作用方向平行于流體的流向，與速度梯度方向相正交?？焖倭鲗?，指向與流向相反；慢速流層，指向與流向相同。柱坐標(biāo)系下的F表達式？ N3黏性系數(shù)m¾動力黏性系數(shù)，動力黏度。 單位： 物理

13、意義：時，單位面積下的黏性力，流體阻滯流動的能力，阻滯作用­。運動黏度 m2/s 影響因素 流體種類 溫度液體：分子間內(nèi)聚力為主。溫度­，間隙­，內(nèi)聚力¯，m¯。氣體：分子熱運動。溫度­，熱運動加劇，m­。單一氣體 Pa×s式中 m0¾0°C時的黏度；T¾絕對溫度，K；C¾實驗常數(shù)，查表?；旌蠚怏w 煙氣（CO2、H2O、N2、O2LL）式中 ¾i組分的體積分數(shù)；¾i組分的相對分子質(zhì)量；mi¾i組分的動力黏度。4黏性動量傳輸及黏性動量通量從黏性力的

14、建立過程來看，由于流體黏性作用Þ流體流層間出現(xiàn)速度差。由于分子熱運動、分子內(nèi)聚力Þ流體流層間產(chǎn)生動量交換Þ流層間產(chǎn)生切應(yīng)力（黏性力）。動量交換過程是由流體的黏性構(gòu)成的Þ黏性動量傳輸（物性動量傳輸）。動量通量：單位時間通過單位面積所傳遞的動量，相當(dāng)于單位面積上的作用力。黏性動量通量：單位時間通過單位面積所傳遞的黏性動量，亦即單位面積上的黏性力（切應(yīng)力）。 Pa式中 tyx¾高速流層向低速流層傳遞；¾低速向高速為正；¾動量梯度（單位距離上的動量變化量)。運動黏度n： 單位： 物理意義：時，單位面積上的黏性力，阻滯流動的能力；亦即

15、黏性動量傳輸量，n亦稱為黏性動量傳輸系數(shù)，牛頓黏性定律也就是流體黏性動量傳輸基本定律。 影響因素： 流體種類 溫度黏性動量與黏性力的不同之處？ 傳遞方向高速流層向低速流層(y)；流體流向(x) 快速流層與流向相反；慢速流層，與流向相同。5牛頓流體及非牛頓流體牛頓流體：符合牛頓黏性定律的流體；例如：所有氣體、水及油類等。非牛頓流體：不符合牛頓黏性定律的流體；例如：乳液、沙漿、礦漿、水煤漿、石灰等。 理想流體（m = 0）及黏性流體（m ¹ 0）理想氣體？忽略分子間的引力例1-3 P81.5 流體上的作用力、能量、動量作用力：表面力（作用在流體表面上，且與表面積成比例的力）體積力（作用在流體內(nèi)部質(zhì)點上，與流體質(zhì)量成比例的力)體積力（質(zhì)量力）：重力、慣性力等。能量作用力動量 由以上分析可知：（1）動量/A×t = 作用力/A = 能量/V（2）作