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1、冶金传输原理子教案冶金与材料工程学院2008年8月冶金传输原理（Principles of Transfer in Metallur）gy第 1 次课 课题： 绪论（0.5学时）一、本课的基本要求 1了解课程的性质、基本要求、主要内容、特点、教材与教参、成绩评定。 2了解传输原理的研究对象、研究方法、冶金过程中的传输现象。二、本课的重点、难点 难点：课程的总体介绍，能否激发学生的学习兴趣。三、教参及教具1钢铁冶金概论 李慧主编 冶金工业出版社2有色金属冶金学 邱竹贤主编 冶金工业出版社 3冶金传输原理 华建社 朱军等编 冶金工业出版社教材：冶金传输原理 沈巧珍 杜建明编著 冶金工业出版社0 绪
2、论0.1 冶金的分类冶金：钢铁冶金、有色冶金。共同特点：发生物态变化 固T液态物理化学变化 原料与产品的性质、化学成分截然不同1钢铁冶金：原料是矿石产品是钢铁 钢铁工艺流程：长流程高炉转炉轧机 短流程 直接还原或熔融还原电炉轧机（1）高炉炼铁：烧结矿或球团矿（铁矿石造块焦炭（煤炼焦）熔剂一冶炼 铁水 面临主要问题：能源和环保。（2）非高炉炼铁：天然块矿、粉矿或造块、块煤或气体还原剂、熔列海绵铁（3）转炉炼钢：铁水、废钢、铁合金、氧气、造渣剂精炼T钢水（4）电炉炼钢：废钢（海绵铁铁水、铁合金、造渣4次精炼钢水2有色冶金：原料是矿石产品是有色金属 （1）重金属：铜（造锍熔炼、铅（还原熔炼、锌（湿法
3、冶炼、锡（火法精炼）（ 2）轻金属：铝冶金、镁冶金（3）稀贵金属：锂冶炼、铍冶炼、钙锶钡制取、金银提炼0.2 课程概况一、课程性质 专业基础课，是基础课和专业课之间的桥梁。基础课：高等数学、大学物理。二、课程内容传输原理（动量、热量、质量传输）简称“三传（Momentum Heat and Mass TranSfer动力过程、传输是指流体的（输送、转移、传递传热过程I的统称。物质传递过程动量动量传输热量的传递与输送热量传输、质量一、质量传输_类似统一性（基本概念、运动规律、解析方法类似）传输原理（理论）从20世纪中叶以来，随着科学技术的发展传，输理论已成为一门独立学科并，广泛应用于 冶金、材料
4、、机械、化工、能源、环境等领域。冶炼过程：高温、多相条件下进行的复杂物理化学过程。传输过程b冶炼过程中的物理过程（动力学不涉及化学反宓冶金原理（热力学）n动量、热量、质量传递的过程Transport Phenomena举例：高炉炼铁的气固两相流动。高炉强化冶炼，目的就是改善传输条件。转炉炼钢的气液两相流动。转炉底吹，目的也是改善传输条件。所以，冶金传输原理即为冶金中的动量、热量、质量传输理论，它已成为现代冶金过程理 论的基础。研究对象 动量、热量、质量传输（传递）过程的速率。研究方法 理论研究、实验研究和数值计算三种方法。理论研究方法 以质量守恒定律、牛顿第二定律和热力学第一定律为基础，从宏观
5、上研究 传输问题。采用的分析方法是微元体平衡法，建立传输微分方程或积分方程并用数学解析法求 解（简单问题。）数值计算方法 对复杂问题（方程或边界条件复杂，）借助计算机采用近似计算方（法如有 限差分法、有限元法等）求解。实验研究方法 用于理论计算结果正确性的验证、解决建立传输方程不易或方程难于求解 的复杂问题。采用的实验方法主要是基于相似理论的模型实验法。在研究传输问题时，理论、计算和实验三种研究方法相互补充，取长补短。 本课程主要介绍理论研究方法和一些实验研究方法，即以质量守恒定律、牛顿第二定律和 热力学第一定律为依据，从宏观上介绍“三传”问题，重点介绍冶金过程中常常遇到的动量传 输、热量传输
6、、质量传输基本概念、基本定律及基本解析方法。习题与思考题：加深对所学传输理论的理解和应用。集中实验1 周：理论联系实际，培养学生动手能力。三、课程特点难学：物理概念抽象，数学推导繁琐，计算公式多，计算过程复杂（。以物理概念为主，数 学为辅）重点掌握基本概念、基本定律、基本解析方法。讲授方法 重点讲授+作业，辅以习题课；难点讲+授思考题，辅以讨论课。 学习方法 认真听课 勤于思考 重在实践 网络辅助 “勤学苦炼” 四、教学目的 使学生掌握冶金传输理论的基本概念、基本定律及基本解析方理解强化冶金生产过程和改进生产工艺的理论基础，同时使 具备初步分析和解决冶金生产工艺过程的传输实际问 题的能力。五、
7、参考书目冶金传输原理基础 沈颐身、李保卫等著 冶金工业出版社 冶金传输原理 张先棹主编 冶金工业出版社 冶金传递过程原理 梅炽编著 中南工业大学出版社 动量、热量、质量传输原理高家锐主编 重庆大学出版社期刊：冶金能源、工业炉、工业加热、钢铁课程资源:重庆科技学院课程中心http:/六、成绩评定课堂提问总分100分 期末考试占70%（闭卷笔试） 作业占20%（抄袭一次扣5分） 及讨论占10% 无故缺课一次扣3 分。第 1 次课 课题： 动量传输的基本概念（1.5学时）一、本课的基本要求 1了解传输的分类；流体的基本特性；气体状态方程。 2掌握流体的主要特性、状态方程的应用。二、本课的重点、难点
8、重点：气体状态方程及应用。三、作业习题 P14 1-11 1-15 思考题：不同状态方程中的含义及单位。四、教参及教具 动量、热量、质量传输原理高家锐主编 重庆大学出版社第一篇 动量传输 （第1章第8 章）动量、热量、质量传输同时存在，动量传输是最基本的传输过程，例如：炼铁高-炉内气 固两相流动、炼钢转炉内气液两相流动对冶炼过程有很大的影响。传输按其产生和存在的条件可分为：物性传输：由物体本身传输特性构成，取决于物性。（例如分子扩散取决于扩散系数）、对流传输：由物体的宏观运动所产生，取决于物性和流体的流动特性。 研究对象：流体流动条件下的动量传递过程，其实质是流体流动过程中力、能平衡问题 研究
9、方法：移植自“流体力学，”即将流体视为连续介质取，流体的质点或微团为最小的解 析对象。动量传输的分类：物性动量传输：由流体分子（微观）运动所产生的粘性作用而产生，取决于流体的粘性。亦称粘性动量传输。、对流动量传输：由流体的宏观运动所产生，取决于流体的密度和流动速度。 显然，黏性流体在进行对流动量传输过程中，同时存在着物性动量传输过程。 思考：流体无宏观运动时，物性动量传输存在否？为什么？ 由思考引入下述内容：流体的性质和流体运动的基本特性。第1 章 动量传输的基本概念1.1 流体的概念 流体：自然界中能够流动的物质，如液体和气体。基本特性：流动性（剪切力作用下连续变形） 压缩性（膨胀性）V x
10、 T/P 黏性（阻滞流动的性质） 连续性1.2流体的密度、重度及比体积密度：P= m/V （均质流体,p =dm$dV （非均质流体,）kg/m3重度：y = G V = mg V = pg，N/m3 比体积：v = 1 p , m3/kg 应用：密度与重度之间的换算。1.3流体的压缩性和膨胀性压缩性（膨胀性）V x T P1. 液体的压缩性及膨胀性 液体分子距离较近，压缩时，排斥力增大，难以压缩；Tt,略有膨胀，膨胀系数/1000 V受T、P的影响不大，在工程上一般视不可压缩流体2. 气体的压缩性及膨胀性气体分子间距较大吸引力较小,，受T、P的影响较大。对于理想气体而言,x T P的 关系可
11、用状态方程表示，即（1） PV = RT1 kmol气体:PV = R T;V = 22.4ms/kmol,R （通用气体常数）=8.314 Jkmolk0 01 kg气体:Pv = RT; v为比容， m3kg;R（气体常数,取决于气体的种类）=R，:分子量,Jkg-kJ0kg/m3密度 p = kg/nfP1vr =RTT T12式中P对压力,Pa； R气体常数；T热力学温度,K。（2） T = const ，等温压缩（3） P = const，恒压膨胀-P 一_ P 一v12np2=p11， P t ，2Pv =Pv nv1 1 2 2 2p t ，压缩2vv1 = 2 n v = vT
12、 T 2112TT21式中v_tc下的比容；厂标态比容；0=v01273273 +1273 + 0(1+01)气体膨胀系数。p=tG千克气体体积流量流速P0 (1 + 01)Vtqvtvtkg/m3=V (1+ 0 t)0= q (1+ 0 t)v0= v (1 + 0 t)0qyy =0N/m5t (1+P t)m3m3/s m/s= vA热气体流动情况下1122pv气体状态方程：p v p v = 22TT124）气体在绝热状态下压缩时v气体绝热状态方程：Pvk = Pvk,k（气体的绝热指数）=C /C ,kJkg - k双原子气体k = 1.4气体可压缩流体：气体受压时密度变化较大,如
13、高压气体流出，煤气、空气自喷咀流出。 j不可压缩流体 压力作 用弓起的密度变化可忽 略不计,如常压气体流动。第 2 次课课题：动量传输的基本概念（2学时）一、本课的基本要求 1了解流体的黏性及黏性力。 2掌握牛顿黏性定律及应用；黏性系数的单位、物理意义、影响因素。 3掌握黏性动量传输、黏性动量通量及其表达式。 4理解流体上的作用力、能量、动量之间的关系。二、本课的重点、难点 重点：牛顿黏性定律及应用。 难点：概念的理解和掌握。三、作业习题 P14 1-18 1-22四、教参及教具 动量、热量、质量传输原理高家锐主编 重庆大学出版社图1-1 1.4 流体的黏性及牛顿黏性定律1流体的黏性及黏性力
14、黏性：阻滞流动的性质。 产生原因 流体分子间的内聚引力和分子的热运动。 黏性力的建立过程：图1-1P6流体流层间产生切应力的现象流体的黏性；切应力黏占性力。2牛顿黏性定律 牛顿在1686年提出假说，1841年普阿节尔由实验所证实。表述：流体的黏性龙与速度v0成正比，与两平板间距离成反比，与接触面积成正 比。对稳定层流流动：F x V0 AHdvdvF x x A n F = y i A Nd yd y单位面积上的黏性力（切应力）yxFd v= U xAd y任意两流层TyxN/m2式中 流向；y速度变化方向；dv , dy一速度梯度，速度增大方向为正（单位距离上的x 速度变化量）式中正负号的出现是为了保W为正。yx 黏性力的作用方向平行于流体的流向，与速度梯度方向相正交。快速流层，指向与流向相 反；慢速流层，指向与流向相同。柱坐标系下的表达式？ F =卩dvx 兀 dL N dy3黏性系数L动力黏性系数，动力黏度。 单位：丄一=m=N s；m2 = Pa s （kgm s） dv dy （m/s） mx物理意义:dv /dy = 1时，单位面积下的黏性力流体阻滞流动的能力# T，阻滞作
