Технологии

ТЕОРИЯ ПЕЧНЫХ ПРОЦЕССОВ: ТРИСТА ЛЕТ ПОИСКА

За свою историю каких только печей люди не придумали: для бытовых целей -русские печи, "голландки", металлические времянки; для бань - каменки, финские; отопительно-варочные и т.д. Еще больше их в технической сфере: нагревательные, термической обработки, плавильные, обжиговые, литейные, стекловарные и др. А их конструкций - бесчисленное множество: камерные, барабанные, кольцевые, многоподовые, кипящего слоя, циклонные, шахтные, электрические, плазменные, конвертеры. Список можно продолжить.

Печная теплотехника тесно связана с гидроаэродинамическими процессами. Это доказали великие русские ученые академик А.Н. Крылов (1863-1945) - создатель теории кораблестроения, автор трудов по механике и математике; член-корреспондент Петербургской АН Н.Е. Жуковский (1847-1921) - основоположник аэродинамики, внесший огромный вклад в гидродинамику и гидравлику; К.Э. Циолковский (1857-1935) - выдающийся исследователь в области аэро- и ракетодинамики, указавший рациональные пути развития космонавтики.

А первый прообраз современных доменных печей для черной металлургии появился в России в 1630 г. В цветной металлургии это произошло несколько позже. Отражательная печь уже с дымовой трубой была изобретена в Англии (Уэльс) в 1698 г. Она предназначалась для плавки свинцовых руд на каменном угле. За минувшие 300 лет подобные агрегаты прошли эволюцию по площади пода от 5 до 300 м 2 и более.

Правда, строительство и эксплуатация печей долго были искусством немногих посвященных, отдельных людей- самоучек, владеющих секретами мастерства. Никакой теории, объясняющей принципы конструирования и процессов, проистекающих в них, не существовало. Известен даже такой курьезный факт: поскольку во времена Петра I (1672-1725) отсутствовала регламентация в строительстве отопительных систем, царь ввел нормы возведения печей, запретив строить "черные избы с курными печами в столице и городах".

Ситуация стала изменяться только в начале XIX в., когда накопленные знания физики и химии различных процессов стимулировали развитие теоретических и экспериментальных работ в области аэродинамики газов и теплотехники. Одно из основных достижений в этом направлении - создание теории печей крупнейшим отечественным металлургом и химиком, членом-корреспондентом АН СССР В.Е. Грум-Гржимайло (1864-1928). Помимо интуиции ученого, этот человек обладал и организаторскими способностями. В результате по его инициативе в 1924 г. было создано Государственное бюро металлургических и теплотехнических конструкций при Высшем совете народного хозяйства СССР, которое несколько раз меняло свое название, а с 1934 г. именуется "Стальпроект".

Основное научное достижение В.Е. Грум-Гржимайло - гидравлическая теория движения газов в печах, опубликованная в 1910 г., а в 1925 г. вышел в свет его обобщающий труд - "Пламенные печи". Интересно, что в основу своих работ он положил диссертацию выдающегося соотечественника М.В. Ломоносова (1711-1765) "О вольном движении воздуха, в рудниках примеченном", в которой впервые было дано объяснение очень важному явлению - "действию огня в самодувах". Великий естествоиспытатель видел причину движения газов в самодувных печах в вытеснении теплого (легкого) дыма столбом окружающего тяжелого (холодного) воздуха.

Однако тогда, даже несмотря на непререкаемый авторитет первого русского академика Петербургской АН, его теория не получила дальнейшего развития. В XVIII в. все явления и процессы стремились объяснить с точки зрения механики, в том числе и работу печей. В то время ввели странное (с позиции сегодняшнего дня) понятие "тяга", с помощью которой продукты сгорания якобы удалялись через дымовую трубу. Считали, чем последняя выше, тем лучше "тянет" и эффективнее работает печь. Но если вникнуть в суть процесса, то увидим: газы в силу своей природы не могут ничего тянуть, они передают давление, выдавливаются - здесь нет никакого механического действия.

Ввиду ложного представления о "тяге дымовой трубы" решение вопроса о принципе работы печей и развитие соответствующей теории затормозились на полтораста лет. Только возвратившись к ломоносовскому постулату о причине движения газов и, что немаловажно, преодолев консерватизм признанных в то время ученых, В.Е. Грум-Гржимайло удалось справиться с проблемами. В результате вся теплотехника из "искусства" (достояние немногих народных умельцев) превратилась в науку (теоретически обоснованный подход к методам расчета и построения печей).

Казалось бы, все основные задачи в рассматриваемом направлении решены. Однако практика показала: принятая гидравлическая теория имеет изъяны. Это выявилось в 30-е годы XX в. в нашей стране. Тогда, в период стахановского движения, на отдельных агрегатах стремились достичь результатов, которые нельзя было обеспечить при заложенных в проектах технических решениях, основанных на принципах "самодувной" работы (т.е. при естественном движении газов). Интенсификация ее режимов путем конструктивных изменений и за счет принудительного движения газов внутри печей подталкивала ученых к дальнейшему поиску.

В итоге появилась масса публикаций, среди них можно выделить несколько основных идей - тепловую, общую, энергетическую и комплексную. Но все они страдали одним общим недостатком - рассматривали либо группу конкретных печей, либо отдельные процессы (стороны) их работы. Так, одни специалисты за отправное положение принимали принудительное движение газов в печах, а в отношении внешней теплопередачи главное внимание уделяли только конвекции. Другие исходили из теплоэнергетики агрегатов как решающего фактора их функционирования. И наконец, третьи, рассматривавшие науку как придаток к той или иной технологии, вообще исключали возможность появления общей теории печных процессов. Среди прочих изысканий наиболее предпочтительной, с обобщением всех накопленных до того времени знаний (техническая физика, гидроаэродинамика, теория теплопередачи и др.), причем применительно к печам самого различного назначения, следует считать труды нашего соотечественника, доктора технических наук М.А. Глинкова( 1906-1975).

Он дал детальную классификацию (необходимую предпосылку для общей теории) как самих тепловых устройств, так и режимов их работы. Главным и определяющим для всех печей, считал ученый, является тепловой режим их функционирования, включающий значительное повышение температуры, тепло- и массообмен, механику взаимодействующих сред, обеспечивающих возникновение и распределение тепла в зоне технологического процесса. А из множества режимов практическое значение имеют всего четыре: радиационный, конвективный, массообменный и электрический. Причем каждый агрегат в зависимости от его конструкции и назначения может работать как в одном режиме, так и в нескольких.

Такой подход позволяет решать многие задачи практически для большинства печей различного технологического назначения. Правда, пока нельзя сказать, что уже сложилась совершенная, полноценная теория. Некоторые вопросы до сих пор невозможно объяснить с ее помощью; имеющиеся эмпирические формулы не всегда дают однозначный ответ. Это в определенной мере относится к широко распространенным печам автогенной плавки металлов из сульфидного сырья и к получающим все более широкое применение барботажным агрегатам для цветной и черной металлургии, некоторым направлениям в пирометаллургии.

В настоящее время продолжается интенсивное накопление экспериментальных и статистических данных о работе различных агрегатов. Успехи сопричастных наук (названных выше), опыты на печах и стендах, результаты физического и математического моделирования создают предпосылки для дальнейшего развития теории. Методология научных разработок строится по принципу: статистика -> аналогия -> формализация -> математический аппарат -> моделирование. Хочется надеяться, что настало время для нового качественного скачка.

Доктор технических наук А.В. ГРЕЧКО, ведущий научный сотрудник ГНЦ РФ "Гинцветмет"