Основные этапы развития и современное состояние теории тепловой работы пе­чей

История научного познания показывает, что началом разви­тия любых естественных наук являлись наблюдения и опыт. В дальнейшем параллельно с улучшением инструментов и при­боров совершенствовался эксперимент и происходило накопле­ние опытных материалов. Та или иная наука на определенной стадии своего развития начинает использовать математический аппарат, что дает дальнейший толчок к ее совершенствованию.

Подлинного расцвета наука достигает, когда появляется на­учно обоснованная классификация, широкие обобщения и точ­ные методы расчета. На определенной стадии развития отпочко­вываются новые отрасли науки, которые в дальнейшем начина­ют развиваться как самостоятельные.

Печная теплотехника до начала текущего столетия не явля­лась самостоятельной технической наукой. Истоки ее приходит­ся искать в общих высказываниях, положениях и публикациях. Отдельные проблемы печной теплотехники в свое время разра­батывались в рамках наук более широкого профиля, например в металлургии, строительном деле и т. д.

Еще М. В. Ломоносов [2] дал объяснение весьма важному явлению — «действию огня в самодуях», лежащему в основе так называемой естественной циркуляции газов в печах объясняю­щему работу дымовых труб, самодувных топок и т. д. Во многих старых книгах по технике и технических журналах (как отечест­венных, так и заграничных) встречаются материалы, касающие­ся конструкций и работы печей. Такими являются статья горно­го инженера Моисеева [3], труд известного русского архитектора Н. А. Львова [4] «Русская пиростагика», а также известная кни­га французского ученого Е. Пекле [5].

Начиная с середины XIX столетия, появляются работы, в ко­торых делаются попытки применить данные технической физики для объяснения работы печей и их расчета.

К числу отечественных выдающихся работ в этой области следует отнести книги архитектора И. И. Свиязева [6] и проф. С. Б. Лукашевича [7], относящиеся к области отопления и вен­тиляции жилых зданий, но имеющие и более широкое значение. В этих работах данные технической физики того времени ис­пользованы довольно полно.

Большое значение в развитии ис­кусства строить печи имели работы практиков печного дела, русских самоучек-умельцев, трудами которых постепенно созда­вались конструкции печей, из которых некоторые превосходили иностранные образцы. К концу XIX и началу XX вв. относятся выдающиеся исследования русских инженеров М. А. Павлова [8], Н. П. Асеева [9] и И. А. Соколова [10] в области печей ме­таллургического производства. Эти работы по праву могут быть отнесены к категории классических экспериментальных работ, долгое время по методике их постановки остававшихся непре­взойденными. По мере развития промышленного производства, роста потребления топлива возрастали и требования к печам. Это обстоятельство, а также расширение знаний в области фи­зики и химии, стимулировало развитие экспериментальных и теоретических работ по печной теплотехнике. Так создались предпосылки для возникновения широких теоретических обоб­щений.

За истекшую половину XX. в. разработка теоретических проблем печной теплотехники достигла весьма широкого разви­тия у нас в Союзе и за рубежом.

Можно было бы назвать немало ученых и инженеров, с чьи­ми именами неразрывно связано развитие данной отрасли тех­нической науки.

Однако среди множества работ в области теории печной теплотехники, опубликованных до 1940 г., можно выделить ра­боты четырех характерных направлений, представляющих со­бой определенные теоретические концепции, попытки дать тео­ретические основы тепловой работы /печей как некоторой «системы взглядов в области коренных проблем печной теплотех­ники.

Этими направлениями являются: гидравлическая теория В. Е. Грум-Гржимайло, тепловая теория Н. Е. Скаредова — И. Д. Семикина, общая теория печей Н. Н. Доброхотова и энер­гетическая теория.

Отправной точкой гидравлической теории В. Е. Грум-Гржи­майло служило естественное движение газов в печах как наибо­лее рациональное. Опубликованная В. Е. Грум-Гржимайло «Элементарная теория построения металлургических печей» явилась первой стадией учения о движении газов в печах и послужила основанием для дальнейших работ Владимира Ефимовича по созданию гидравлической теории движения газов, окончательно сформулированной в 1910 г. и опубликованной в статье «Гидравлический метод расчета пламенных печей».

Предложенный и обоснованный им при содействии И. Г. Есьмана гидравлический метод расчета печей был первым наступлением В. Е. Грум-Гржимайло на существовавшую в то время рутину в методах построения металлургических печей на основе лишь многолетних эмпирических формул.

Гидравлическая теория движения газов в печных полостях научно осветила не только сущность законов, управляющих движением нагревающихся и охлаждающихся газовых потоков, но и позволила обосновать рациональность некоторых конструктивных размеров.

Основное положение разработанной Владимиром Ефимовичем гидравлической теории газов заключается в том, что движение горячих газов в атмосфере холодного газа рассматривается, как движение легкой жидкости в тяжелой. При этом окружающий нас атмосферный воздух рассматривается как тяжелая жидкость, в которой находятся пламенные печи с движущимися в них газами, имеющими в несколько раз меньший удельный вес, чем воздух.

Для доказательства этого положения В. Е. Грум-Гржимайло еще в1910 г. демонстрировал на лекциях в Политехническом институте модели печей, погружая их в аквариум с водой. В качестве легкой жидкости он брал подкрашенный керосин и наблюдал движение керосина от топки через рабочее пространство модели печи до выпускного отверстия.

Первые опыты по исследованию свободного движения печных газов на моделях настолько убедительно показали преимущество метода моделирования.

Пользуясь положениями гидравлической теории, Владимир Ефимович впервые установил ряд закономерностей, являющихся основой при конструировании печей. Так, им было разработано «Правило Грум-Гржимайло» о направлении газовых потоков в печах, по которому поток остывающих газов должен направляться сверху вниз, а поток нагревающихся газов ¾ снизу вверх. Он же установил, что отбор остывающих газов должен производиться всегда с уровня пода печи и указал истинное назначение дымовой трубы, отводящей печные газы.

Труд В. Е. Грум-Гржимайло сыграл большую роль в развитии теории печей, в частности, благодаря тому, что в нем обращено внимание на один из главных процессов, определяющих работу печей, ¾ на процесс движения газов.

Общая теория печей Н. Н. Доброхотова отправлялась от принудительного движения газов в печах, уделяя в то же время и отношении внешней теплопередачи главное внимание конвек­ции.

Тепловая теория Н. Е. Скаредова — И. Д. Семикина исходи­ла из теплоэнергетики печи как главного решающего фактора в ее работе.

Энергетическая теория сложилась в основном в результате объединения двух последних направлений.

В СССР М. А. Глинковым и его коллегами создана общая теория печей, завоевавшая авторитет не только в нашей стране, но и за рубежом. Она базируется на сов­ременных представлениях и достижениях смежных на­ук— теории горения, механики жидкости и газов, тео­рии теплопроводности, конвективного и лучистого теплообмена и др. Она отражает успехи советской ме­таллургии. Общая теория печей по существу завершила формирование металлургической теплотехники.

Как справедливо отмечает Н.Н. Доброхотов, для высокотемпературных печей надо заботиться об увеличении излучательной способности газов, а для низкотемпературных — об организации и активизации конвективной теплоотдачи к нагревательному материалу. Развивая эти мысли, он убедительно показал, что рекомендации В.Е. Грум-Гржимайло о времени пребывания газов, о влиянии скорости газов на передачу тепла, о роли поперечных размеров печи в свете исследований О. Рейнольдса, В. Нуссельта, А. Шака противоречат физике явлений.

Особенно резко Н.Н. Доброхотов подверг критике положение гидравлической теории о том, что количество тепла, воспринимаемое нагреваемой поверхностью от движущихся мимо газов, пропорционально времени пребывания газов в полости печи, т.е. пропорционально величине рабочего пространства печи. Он показал, что этот неправильный вывод является следствием неверной аналогии между остыванием твердого тела и остыванием движущегося газа в полости печи. В самом деле, если при остывании твердого тела в холодной печи количество отданного тепла будет пропорционально времени, то для случая движущегося газа картина будет иной. Количество тепла, поступившего на поверхность, будет расти при увеличении скорости газа, т.е. при уменьшении времени контакта, так как рост скорости вызывает увеличение турбулентности потока, при которой один и тот же объем газа большее число раз будет вступать в контакт с поверхностью и передавать ей тепло. Последнее обстоятельство в своих рассуждениях и не учитывал автор гидравлической теории.

Критикой гидравлической теории Н.Н. Доброхотов как бы расчистил путь общей теории печей, в разработку которой он призывал включаться специалистов в области газопечной теплотехники. В 1923—27 гг. им впервые были сформулированы положения общей теории промышленных печей. Эта теория существенно отличалась от гидравлической не только своими теоретическими положениями, но и практическими выводами, связанными с конструированием и эксплуатацией печей.

Прогрессивность основных положений общей теории печей проявилась в том, что к расчетам печей были привлечены достижения технической физики. На основе таких расчетов были созданы компактные печи с принудительным движением газов, тем самым были предложены новые пути конструирования печей, обеспечившие прогресс в печном хозяйстве металлургических и машиностроительных заводов.

Индустриализация страны, развитие научных исследований продолжали оказывать свое влияние на металлургическую теплотехнику. В работу по развитию об­щей теории печей включились М.А. Глинков, Г.П. Иванцов, К.Ю. Тайц и другие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленных печей для различных технологических процессов. Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды И.Д. Семикина, который, опираясь на исследования Н.Е. Скаредова, выдвинул в 1930 г. лозунг "Успех решает большая тепловая мощность". В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д. Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е. Грум-Гржимайпо. Основной тезис И.Д. Семикина сводился к рекомендациям проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью.

В 1939 г. в соответствии с принципами энергетической теории были построены две мартеновские печи с невиданно высокими тепловыми мощностями. Однако после пуска этих печей в эксплуатацию не обнаружилось их преимуществ. Более того, выяснились существенные недостатки, в том числе низкая стойкость: продолжительность их кампаний не превышала 60—70 плавок. Т.е. на пути увеличения тепловой мощности печей возникали какие-то препятствия, которые в то время не удалось обнаружить. По мнению Б.И. Китаева это объясняется рядом ошибочных положений энергетической теории.

Таким образом, и энергетическая теория печей, как ранее гидравлическая теория, показала ошибочность одностороннего подхода к теоретическим проблемам сложных теплофизических явлений в металлургическом производстве. Успех теории печей предопределяется широким использованием химии, технической физики и других фундаментальных естественных наук, когда проектирование печей, совершенствование тепловых режимов, разработка принципов и методов управления печами осуществляется на основе комплексного подхода, системного анализа. Такой подход выработался усилиями многих ученых. К названным выше должны быть добавлены: В.П. Линчевский, Б.И. Китаев. Д.В. Будрин, И.С. Назаров, И.Г. Казанцев, М.А. Кузьмин, С.Г. Тройб, В.Н. Тимофееви многие другие - Эти ученые, их коллеги и ученики своими работами над широким спектром проблем металлургической теплотехники создали необходимые условия и предпосылки для обобщения.

М.А. Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал свою, новую общую теорию печей, изложив ее в монографии "Основы общей теории печей" (1959 и 1962 гг.).

Выпускник Уральского политехнического института Марк Алексеевич Глинков (1906—1975 гг.) начал свою работу в этом же вузе ассистентом кафедры газопечной теплотехники. В 1930 г. им был организован первый выпуск инженеров металлургов-теплотехников. В этом же году он возглавил кафедру, коллектив которой мобилизовал на разработку методов расчета печей, исследование и совершенствование их тепловой работы. При кафедре было создано "Печное бюро" по проектированию печей уральских заводов. Первые его монографии "Прокатные и кузнечные печи" (1936 г.) и "Методы расчета промышленных печей" (1938 г.) быстро нашли своих читателей и широко использовались проектировщиками и студентами. Его монографии "Мартеновская печь как теплотехнический агрегат" (1944 г.) и "Тепловая работа сталеплавильных ванн" (1970 г.) в значительной степени определили развитие сталеплавильных печей в нашей стране. С 1945 по 1976 г. М.А. Гпинков возглавил кафедру теплотехники и автоматизации металлургических печей в Московском институте стали и сплавов- В последние годы своей жизни он много и плодотворно работал над созданием сталеплавильного агрегата непрерывного действия, развитием общей теории печей, над созданием учебников по металлургической теплотехнике. Благодаря усилиям М.А. Глинкова был организован выпуск инженеров по специальности "Теплотехника и автоматизация металлургических печей" В 1987г. преобразована в специальность "Теплофизика, автоматизация и экология тепловых агрегатов в металлургии") в ведущих вузах страны. Воспитал большую группу учеников, ставших кандидатами и докторами наук, руководителями кафедр, научно-исследовательских и проектных институтов.

Созданная М.А.Глинковым общая теория печей имеет свою методологию, свои принципы, на основании которых формулируются основные положения конструирования и совершенствования тепловой работы печей. Содержание теории подробно раскрывается в предлагаемой читателю книге.

Основным направлением научной деятельности М.А.Глинкова в 1927 - 1945 гг. являлась разработка теории тепловой работы мартеновских печей на основе протекания теплообменных процессов. Положительную оценку у металлургов страны получила вышедшая в 1944 г. его монография «Мартеновская печь как теплотехнический агрегат», в которой он изложил усовершенствованный им метод теоретического расчета процессов теплообмена в пространстве над ванной, в жидкой ванне мартеновской печи и нагрева твердой шихты по периодам ее плавления. Анализ процессов теплообмена способствовал установлению рациональных зависимостей распределения температур по длине и сечению плавильного пространства, определению коэффициента форсирования печи, её производительности и тепловой мощности, выводам о рациональной форме рабочего пространства, оптимизации тепловой работы и улучшению технико-экономических показателей.

Велики заслуги М.А.Глинкова и в развитии теории и практики отечественного печестроения. Вслед за В.Е.Грум-Гржимайло М.А.Глинков оказался практически единственным в мире учёным, способным создать общую теорию печей, основные положения которой изложены в книгах «Основы общей теории тепловой работы печей» -1959 и 1962 гг., «Общая теория печей» - 1978 г. (написана совместно с Г.М.Глинковым) и которыми и в настоящее время руководствуется инженерно-технический персонал предприятий и научно-технические работники теплотехнических организаций.

Сущность и критика этих теориий изложены в многочисленных публикациях, главнейшие из которых приведены в библиографии [11—26].

Громадные успехи технической физики, а также широкий размах теоретических и экспериментальных исследований в об­ласти печной теплотехники создали необходимую базу для дальнейшего развития общей теории печей.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ф. Энгельс. Диалектика природы, Госполитиэдат, 1941.

2. М. В. Ломоносов. Первые основания металлургии или рудных дел, 1763.

3. Горн. инж. Моисеев. О заводских печах, Горный журнал, 1845, № 10, 11 и 12.

4. Н. А. Львов. Русская пиростатика или употребление испытанных уже воздушных печей и каминов, 1795.

5. Е. Р е с 1 е t. Traite do la chaleur et de ses applications aux arts et aux manufactures, Marseille, 1829.

6. И. И. С в и я з е в. Теоретические основания печного искусства в приме­нении к устройству разных нагревателей, к отоплению и вентиляции зданий, 1867.

7. С. Б. Лукашевич. Курс отопления и вентиляции, 1880.

8. М. А. Павлов. Исследование доменных печей Клнмковского завода, 1894.

9. Н. П. А с е е в. Газовые калильные печи для кровельного железа с га­зогенераторами, 1898.

10. И. А. Соколов. Исследование мартеновских печей и газогенераторов Алапаевского завода, 1904.

11. В. Е. Грум-Гржимайло. Гидравлический метод расчета пламен­ных печей, ЖРМО, 1911, № 3.

12. В. Е. Грум-Гржимайло. Элементарная теория построения метал­лургических печей, Екатеринбург, 1905.

13. В. Е. Грум-Гржимайло. Пламенные печи. Издание Всесоюзного теплотехнического института, 1925.

14. Н. Etherington. Modern furnace technology, London, 1938.

15. H. E. Скаредов. Термическая характеристика мартеновской печи, т. I, ЖРМО, 1911.

16. Н. Е. Скаредов. Теоретические основания расчета мартеновских печей. Горный журнал, 1915, т. II, кн. 5—6.

17. И. Д. Семикин. Тепловая работа мартеновских печей, Металлург, 1930, № 4.

18. Н. Н. Доброхотов. Механика печных газов и законы теплопереда­чи, Вестник металлопромышленности, 1923, № 1—3.

19. Н. Н. Доброхотов. Некоторые основы теории печей, Уральский техник, ЖРМО, 1925, № 5; 1926, № 3.

20. Н. Н. Доброхотов. Критика гидравлической теории печей, Ураль­ский техник, 1927, № 11-12.

21. В. А. К о и о п ас е а ич. Критические замечания о гидравлической тео­рии пламенных печей, Вестник металлопромышленности, 1930, № 3.

22. А. С. Б азилёвич. К критике пользования теорией В. Е. Грум-Гржи-майло при расчете керамических печей, Строительные материалы, 1932, № 10.

23. И. С. Назаров. Основы теории промышленных печей, Металлургиз-дат, 1941.

24. И. В. А б р а м о в. Две научные школы по теории металлургических пе­чей, Теория и практика металлургии, 1938, № 3.

25. В. А. Куроедов. Критические замечания о гидравлической теории печей, Теория и практика металлургии, 1937, № 4.

Печи как элементы технологического оборудования широко представлены и в цехах машиностроительных предприятий. Если на крупном металлургическом комби­нате работают сотни печей, то современный автомобиль­ный завод имеет в составе более тысячи печей и агрега­тов для тепловой обработки металла самого различного технологического назначения, принципов действия, мас­штабов производства.

К этому следует добавить, что производство огне-j упорных материалов и изделий из них также связано с тепловыми высокотемпературными процессами, осущест­вляемыми в печах.

Разнообразие конструкций металлургических печей, методов их расчета, разработка рекомендаций по опти­мальному управлению металлургическими печами, дру­гие причины, определяющие высокоэффективную и эко­номичную работу печей, теплотехнических установок, привели к развитию научных исследований в этой облас­ти, что в конечном итоге и сформировало новый раздел науки — металлургическую теплотехнику.

Потребность в научных исследованиях процессов, происходящих в металлургических печах, возникла во второй половине прошлого века и связана с бурным раз­витием черной, цветной металлургии, машиностроения. Именно в это время были предложены промышленные способы и конструкции печей для выплавки никеля, ста­ли, получения алюминия. Потребовались десятки лет, чтобы в 1905 г. в «Горном журнале», издаваемом в Рос­сии, появилась первая в мире работа «Элементарная теория построения металлургических печей» инженера-металлурга В. Е. Грум-Гржимайло, впоследствии про­фессора, члена-корреспондента АН СССР. Эта работа была переведена и издана за рубежом. Она послужила фундаментом гидравлической теории печей, главное по­ложение которой сводится к следующему: движение го­рячих газов в печах подобно движению легких жидко­стей в тяжелых. Она совершенно справедлива для печей, работающих с небольшой интенсивностью, когда подача воздуха в печь и отвод продуктов сгорания осуществля­ются без использования вентиляторов. Указанное поло­жение нарушается при интенсивном движении газов в печах, которое достигается в результате использования высокоскоростных потоков газа и воздуха, значительно активизирующих явления тепло- и массопереноса от го­рячих газов к нагреваемому изделию.

Противоречия между основным положением гидрав­лической теории печей и результатами их работы послу­жили толчком к широким исследованиям процессов дви­жения газов в печах, теплопередачи, сжигания топлива. В 1925—1930 гг. в нашей стране были заложены принци­пы общей теории печей, главным из которых является принцип принудительного движения газов в печах, как основного фактора интенсификации работы печей. Затем сформировалось направление, получившее название «энергетическая теория печей». Его автор И. Д. Семикин использовал и развил идеи, высказанные в 1911— 1915 гг. русским инженером Н. Е. Скаредовым об ана­логии между тепловыми машинами и высокотемператур­ными пламенными металлургическими печами. Применяя введенные им понятия о тепловых мощностях (общей, полезной, холостого хода) для анализа работы сталеплавильных печей, И. Д. Семикин высказал реко­мендации по совершенствованию конструкций этих пе­чей и интенсификации процессов сталеварения в них. Эти рекомендации были успешно внедрены в годы пер­вых пятилеток.

Значителен вклад в формирование различных разде­лов металлургической теплотехники М. Л. Глинкова, Б. И. Китаева, Г. П. Иванцова, В. Н Тимофеева, кото­рые много сделали в области экспериментального изуче­ния и математического описания сложных явлений в до­менных, сталеплавильных, нагревательных печах, про­цессов нагрева и охлаждения металла, горения топли­ва и др.