冶金传输原理

冶金传输原理电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 Metallurgy ）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→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−−→−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、熔剂−−→−炼制海绵铁 （3）转炉炼钢：铁水、废钢、铁合金、氧气、造渣剂−−−→−一次精炼钢水 （4）电炉炼钢：废钢（海绵铁）、铁水、铁合金、造渣剂−−−→−一次精炼钢水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 ）传输是指流体的（输送、转移、传递）⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧物质传递过程传热过程动力过程的统称。

⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧质量热量动量的传递与输送⇒⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧质量传输热量传输动量传输−−−→−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、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⇒冶炼过程中的物理过程（动力学），不涉及化学反应→《冶金原理》（热力学） ⇒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、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法，理解强化冶金生产过程和改进生产工艺的理论基础，同时使学生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、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六、成绩评定总分100分期末考试占70%（闭卷笔试）作业占20%（抄袭一次扣5分）课堂提问及讨论占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、难点重点：气体状态方程及应用。

三、作业习题P 14 1-11 1-15思考题：不同状态方程中R 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：⎪⎩⎪⎨⎧。

物性和流体的流动特性观运动所产生，取决于对流传输：由物体的宏散系数例如分子扩散取决于扩物性。

传输特性构成，取决于物性传输：由物体本身)( 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：⎪⎩⎪⎨⎧速度。

决于流体的密度和流动的宏观运动所产生，取对流动量传输：由流体亦称粘性动量传输取决于流体的粘性而产生运动所产生的粘性作用微观分子物性动量传输：由流体。

，）（ 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） P T V ∝ 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：V m =ρ（均质流体），V m d d =ρ（非均质流体），kg/m 3重度：g V mg V G ργ===，N/m 比体积：ρ1=v ，m 3/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） P T V ∝ 1．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； T ↑，略有膨胀，膨胀系数<1/1000。

∴ V 受T 、P 的影响不大，在工程上一般视为不可压缩流体。

2．气体的压缩性及膨胀性 气体分子间距较大，吸引力较小，V 受T 、P 的影响较大。

对于理想气体而言，P T V ∝的关系可用状态方程表示，即（1） RT P =V⎪⎩⎪⎨⎧⋅==⋅===k kg J kg m v v kg k kmol kJ kmol m kmol ,R ),(R ;,;T R P :1314.8)(R ,4.22V ;T R PV :103030分子量取决于气体的种类气体常数为比容气体通用气体常数气体 密度 TR P =ρ kg/m 3 222111T vP T v P =式中 P −绝对压力，Pa ；R −气体常数；T −热力学温度，K 。

（2）const =T ，等温压缩⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⇒⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⇒=121221122211P P P P v v v P v P ρρ，，压缩，，↑↓↑222ρV P（3）const =P ，恒压膨胀)t 1(v v 0273t 273v v T T v v T v T v 0t 0t 12122211β+=⇒⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⇒⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⇒= 式中 v t −t ︒C 下的比容；v 0−标态比容；2731=β−气体膨胀系数。

)1(0t t βρρ+=kg/m 3 )1(0t t βγγ+= N/m 3G 千克气体体积 )1(0t V V t β+= m 3 流量 )t 1(q q 0tv v β+= m 3/s 热气体流动情况下 流速 )t 1(v v 0t β+= m/svA q =v（4）气体在绝热状态下压缩时⎪⎩⎪⎨⎧==⋅==222111v k 22k11T v p T v 4.1,C C )(k ,v P v P p k k kg kJ p 气体状态方程：双原子气体气体的绝热指数气体绝热状态方程： 气体⎩⎨⎧如常压气体流动。

略不计用引起的密度变化可忽不可压缩流体：压力作、空气自喷咀流出。

如高压气体流出，煤气受压时密度变化较大可压缩流体：气体，，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P 14 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1-11.4 流体的黏性及牛顿黏性定律1．流体的黏性及黏性力 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1-1 P6流体流层间产生切应力的现象−流体的黏性；切应力−黏性力。

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：流体的黏性力F 与速度v 0成正比，与两平板间距离H 成反比，与接触面积A 成正比。

对稳定层流流动：A Hv F 0∝ 任意两流层 A d d A d d ⋅±=⇒∝yv F y v F xx μ N单位面积上的黏性力（切应力）x y τyv A Fx x y d d μτ±==N/m 2 式中 x −流向；y −速度变化方向；y v x d d −速度梯度，速度增大方向为正（单位距离上的速度变化量），式中正负号的出现是为了保证τyx 为正。