В начало Написать нам Карта сайта | RSS
Уральский рынок металлов


Предлагаем Вам разместить информацию в бегущую строку - 1000 рублей в месяц - за каждые 10 слов | Ежедневно посетители сайта смогут видеть информацию о Вашем предприятии. | Минимальные затраты - максимальный результат!!!
Новости Журнал О компании Статьи Аналитика Тендеры Рекламодателям Подписчикам Форумы Бизнес-навигатор Карта сайта Мероприятия Вопросы-ответы
В начало // Журнал / Все номера / УРМ №10 (октябрь 2008) / Борьба идей в теории печей
← оглавление номера

Страницы истории:

Борьба идей в теории печей

Юрий Ярошенко, профессор кафедры теплотехники и информатики в металлургии УГТУ-УПИ Михаил Филиппов, профессор кафедры металловедения УГТУ-УПИ 

Печь - основной агрегат в металлургическом производстве. Умение сложить хорошую печь во все времена расценивалось как тонкое, редкое искусство и передавалось умельцами по наследству. Как научно обосновать и построить эффективную и экономичную печь? Ответ на этот вопрос пытались найти два уральских корифея металлургии - Владимир Грум-Гржимайло и Николай Доброхотов. В столкновении идей их теорий - гидравлической и общей (энергетической) - родилась современная система представлений о рациональной конструкции металлургических печей, а как известно, нет ничего более полезного для практики, чем хорошая теория.

Два больших учёных-металлурга - Владимир Ефимович Грум-Гржимайло и Николай Николаевич Доброхотов - принадлежали к разным поколениям (первый старше на 25 лет), но их жизненные пути были во многом схожи: оба вышли как специалисты из колыбели науки о российской металлургии - Санкт-Петербургского горного института, оба приобрели бесценный производственный опыт на уральских заводах, где создали свои оригинальные теории печей, названные гидравлической (Грума) и общей (Доброхотова). Оба закончили свой путь в науке (и жизненный) далеко от Урала - в Москве и Киеве, оставив металлургам фундаментальные труды, ставшие классическими и определившие на многие годы развитие газопечного хозяйства. Оба сочетали умение решать сложные проблемы инженерного, конструкторского и технологического характера с высокой степенью проникновения в физическую сущность явлений теплопередачи и научной интуицией.

Профессор Владимир Ефимович Грум-Гржимайло.

Один из основателей Уральского политехнического института. Создал в УПИ кафедру металлургии стали и теории печей, которой сам и руководил до 1924 г., завершив здесь первую в мире научную теорию металлургических печей.

Созданная в основном на Урале гидравлическая теория печей стоила Грум-Гржимайло, как он сам впоследствии признавался, 15 лет размышлений. В прошлом веке и ранее их сооружение и эксплуатация были большим искусством. Обычно за строительство и работу печей отвечали мастеровые, которым недоставало знаний, хотя они и обладали богатым заводским опытом. С первых дней работы в Нижней Салде молодой Грум-Гржимайло наблюдал за работой каменщиков, интересуясь, почему тот или иной элемент печи выкладывается так или иначе. Ответы типа: «если сделать так, то работать не будет» не могли удовлетворить любопытного инженера. Его первые мысли были изложены в статье «Элементарная теория построения металлургических печей» (1905), где была представлена статика газов в печах - как первая ступень учения о движении газов в печах.

Вопросами динамики газов автор занимался всю оставшуюся жизнь. Ре зультат этого труда отражен в книге «Пламенные печи», написанной и подготовленной к изданию на Урале. Книга выдержала два издания: в 1924-1925 гг. (3 тома) и в 1931 г. под редакцией академика М.А. Павлова.

ГРУМ-ГРЖИМАЙЛО Владимир Ефимович (12.02.1864 - 30.10.1928):

Родился в г. С-Петербург. Окончил С.-Петербургский горный институт (1885). Профессор (1911), член-корр. АН СССР (1927). Работал на заводах Нижнего Тагила, Нижней и Верхней Салды (1885-1902), управляющий Алапаевским горным округом (1902-1907); преподаватель, декан металлургического отделения Петербургского политехнического института (1907-1918), консультант в Благодатском, Богословском округах (1918-1919); преподаватель Томского технологического института (1919), зав. кафедрой металлургии стали Уральского индустриального института (1920-1924); с 1924 г. - в Москве, профессор МВТУ и Горной академии. Специалист по широкому кругу проблем металлургии: от тайны русского бессемерования до прокатки рельсов, от конструирования печей до выяснения огнеупорности динасовой кладки; заботился о восстановлении и развитии заводов Уральского региона, был активным сторонником Урало-Кузнецкого проекта. Автор первой в мире теории печей, названной им гидравлической и получившей мировое признание. Автор многочисленных трудов по металлургии.

Соч.: Пламенные печи. М., 1925; Производство стали. М., 1925, 1931.

Гидравлическая теория печей основывается на аксиоме «Движение пламени в воздухе есть движение легкой жидкости в тяжёлой». Используя это положение теории, которая и сегодня справедлива для определённого класса печей, автор установил принципы проектирования и построения печей, указал пути достижения равномерности нагрева металла, правила деления нагревающихся и охлаждающихся потоков газа (это правило носит имя Грум-Гржимайло) и пр. Положения гидравлической теории печей были использованы для проектирования 1200 печей металлургических заводов «главным образом Урала и центра России». Около 800 печей были построены и успешно эксплуатировались. Мировое признание идей автора теории печей было закреплено на конгрессе во Франции 1926 г., где каждому из 700 участников был вручен атлас печей, автор которого Владимир Грум-Гржимайло выступил с большим докладом.

В 1907 г. Владимир Ефимович Грум-Гржимайло переходит на педагогическую работу в Петербургский, а в 1920 г. - в политехнический институт Уральского университета. Становление высшей школы на Урале проходило в тяжелых условиях послевоенной разрухи. Владимир Грум-Гржимайло заведовал кафедрой металлургии стали и теории печей. Он читал студентам курсы «Металлургия стали», «Пламенные печи» «Технология топлива», «Огнеупорное дело». «Прокатное дело». Материалы этих курсов основывались на его заводском опыте. Впечатление об этих лекциях изложил в своих воспоминаниях бывший студент, а впоследствии профессор А.А. Сигов: «Владимир Ефимович привлекал к себе талантом настоящего трибуна, искусством интересно, с огоньком преподносить аудитории даже обычные, тривиальные истины. Он говорил очень умно, строго логично и одновременно проникновенно, обладал даром настоящего оратора, умеющего владеть аудиторией».

И в вузе Владимир Ефимович оставался верным себе. Как и на заводе, он стремился к обобщению своего теперь уже педагогического опыта, к анализу и оценке направлений развития высшей школы, методов и приемов организации учебного процесса. Этот опыт отражен в подготовленных на Урале статьях: «Металлургическая практика студентов», «Каковы должны быть молодые инженеры», «Большое и здоровое творчество», «Творчество промышленное, художественное и научное». В статьях содержатся созвучные сегодняшним дням мысли: институт должен «...давать глубокую научную подготовку в теоретических науках», «в высшей степени ошибочно учить студента на все случаи, специальная часть курса высшей школы... страдает многопредметностью и должна быть урезана». Самое главное, что Владимир Ефимович, прежде чем теоретизировать на эту тему, лично проверял многие свои рекомендации на практике.

Академик Иван Павлович Бардин так оценил значимость научных работ Грум-Гржимайло в предисловии к сборнику трудов ученого, выпущенному в 1948 г.: «Будучи студентом и не зная лично Владимира Ефимовича, я горячо увлекался его курсами по производству стали и проката. Дальнейшее знакомство с его трудами и, в частности, с его оригинальной гидравлической теорией печей, впервые пролившей свет науки на этот темный до того времени вопрос, сделало очевидным, что В.Е. Грум-Гржимайло является крупнейшей величиной в области металлургии».

Владимир Ефимович пытался не только вобрать в себя заводской опыт, фиксировать различные факты, но и познать всю сложность тогда совсем таинственных металлургических процессов. Это в равной степени относится и к сталеплавильному, и к доменному производству, и к прокатке. Кроме того, Грум-Гржимайло волновали и общие проблемы развития металлургии Урала и всей России.

20-е годы на Урале, как и в России, интересны тем, что уже тогда формировались идеи развития промышленности топливной, металлургической и др. Так, на первом Уральском областном съезде теплотехников, проходившем под председательством Владимира Грум-Гржимайло в ноябре 1923 г., обсуждались вопросы топливоснабжения Урала, повышения качества топлива и его экономии за счет улучшения условий сжигания. Он же был организатором и научным руководителем 1-го съезда деятелей мартеновского производства, состоявшегося в Свердловске в 1924 г., где и намечались решения задач по реконструкции сталеплавильного производства Урала и других регионов России. Владимир Ефимович был активным сторонником реализации Урало-Кузнецкого проекта. Еще в 1920 г., когда Украина с ее металлургией была оккупирована, он считал, что строительство КМК и ММК решит проблемы обеспечения металлом народного хозяйства России. Эти мысли он высказывал на совещаниях, в записках правительству. Много внимания он уделял развитию Уральского региона: в статье, написанной к 200-летию Екатеринбурга, он представлял наш город и область центром металлургии, машиностроения, химии, сосредоточения военной промышленности государства, мощной железнодорожной системой. Восемьдесят пять лет спустя можно констатировать, что так оно и стало. Пока осталась неосуществленной мечта Владимира Ефимовича о соединении в районе Екатеринбурга Волго-Камского и Обь-Иртышского бассейнов. Может быть, со временем и эта его мечта станет былью.

В 1924 г. он переехал в Москву, где продолжил преподавательскую деятельность, стал членом-корреспондентом АН СССР, а также организовал Бюро металлургических и теплотехнических конструкций (БМТК), которым руководил вплоть до своей смерти в 1928 г.

В связи с отъездом проф. В.Е. Грум-Гржимайло из Екатеринбурга эстафета по руководству кафедрой в УПИ перешла к Николаю Николаевичу Доброхотову, впоследствии академику АН Украины.

Николай Доброхотов родился в семье почтово-телеграфного чиновника. Семья сумела дать сыну среднее образование: он окончил реальное училище в Нижнем Новгороде, учеба в котором, в отличие от гимназии, была ориентирована на будущее техническое образование.

Его инженерная деятельность началась в 1915 г. в сталеплавильном цехе Пермского пушечного завода на Мотовилихе, выплавлявшем сталь для боевых орудий, и продолжалась почти всю первую мировую войну. В 1917 г. он переехал в Екатеринбург, где на Верх-Исетском металлургическом заводе стал работать начальником мартеновского цеха. Годы разрухи и гражданской войны вынудили молодого инженера покинуть в 1918 г. Урал и занять место начальника литейного цеха на заводе Кубаноль в Екатеринодаре (ныне г. Краснодар). 1920 г. был последним годом прямой заводской деятельности Николая Доброхотова.

В этом же году он был приглашен в родной горный институт на кафедру металлургии чугуна и стали ассистентом. В 1923 г. педагогическую работу в вузе сочетал с работой мастера в мартеновском цехе Ижорского машиностроительного завода в Колпино под Петроградом. К этому времени появились первые результаты его научной деятельности и первые публикации в научно-технической литературе.

Наиболее значимым исследованием этого времени явилось решение проблемы организации эффективной работы газогенераторов, используемых для получения горючего газа практически во всех отраслях промышленности - металлургии, машиностроении, огнеупорном производстве, на предприятиях, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию, и др. Доброхотов создал математический аппарат для расчета газогенераторов и газогенераторного процесса, который предоставлял проектантам возможность определять количество и состав продуктов зон термического разложения топлива, восстановительной и окислительной, и тем самым анализировать различные технологии получения генераторного газа, выбирая оптимальные условия их реализации. Заводские же практики получили технологические инструкции по ведению процесса в газогенераторах. Много позже эта методика была распространена на расчет процессов неполного горения топлива и конверсии природного газа.

Занятия со студентами в Горном институте вызвали у Николая Николаевича Доброхотова необходимость более глубоко ознакомиться с теоретическими разделами газопечной теплотехники - законами теплопередачи, с механикой движения газов, а также с гидравлической теорией печей Грум-Гржимайло.

ДОБРОХОТОВ Николай Николаевич (27.03.1889 - 15.10.1963):

Родился в г. Арзамас Нижегородской губ. Окончил С.-Петербургский горный институт (1914). Заведующий кафедрой металлургии стали и теории печей УПИ (1924-1930); с 1930 г. работал в Москве и на Украине. Профессор (1926), доктор технических наук (1938), действительный член Академии наук УССР (1939).

Специалист по металлургии стали, теории печей, газификации твердых топлив. Заложил ряд фундаментальных основ теории сталеплавильных процессов и промышленных печей. Достижения его научной школы позволили разработать и реализовать идеи скоростного сталеварения, сформулировать основные положения общей теории печей, предложить методы расчета газогенераторного процесса.

Награждён орденами Ленина (1954), Трудового Красного Знамени (1939, 1958), медалями.

Соч.: Критика гидравлической теории печей. Свердловск, 1927; К динамике диффузных процессов. Киев, 1948; Современная технология выплавки стали в основных мартеновских печах. Киев, 1948; Теория мартеновского процесса; Применение термодинамики в металлургии. Киев, 1955.

Николай Николаевич был приглашен на кафедру металлургии стали и теории печей УПИ в конце 1924 г. К этому времени он состоялся как специалист в области металлургии стали, газопечной теплотехники, а также теории и практики газогенераторного процесса. Интерес к этим, казалось бы, далеким друг от друга областям техники вполне объясним. Во-первых, производство стали в то время было представлено в основном мартеновским процессом, в котором химия высоких температур и теплотехника были неотделимы. Во-вторых, для отопления мартеновских печей при отсутствии природного газа в первой половине XX в. использовалось газообразное топливо, получаемое при газификации твердых видов топлива: дров, торфа, горючих сланцев, бурых и каменных углей, антрацита. Таким образом, для успешного решения научных и технических задач требовались знания по всем этим направлениям.

Во второй половине 20-х гг. в связи с начавшимся интенсивным развитием советской промышленности возросла потребность в специалистах по проектированию, наладке и эксплуатации металлургических и других печей. Доброхотов предвидел подобное развитие событий и стремился создать условия для открытия в УПИ первой в стране и мире выпускающей кафедры «Газопечное хозяйство»...

Николай Николаевич Доброхотов.

Первая статья Николая Доброхотова во время работы в УПИ «Некоторые основы теории печей» появилась в 1925 г. в журнале «Уральский техник» (? 2). Ученый впервые последовательно рассмотрел процесс равномерного нагрева в рабочем пространстве печи с теплофизических позиций, теоретически сформулировав вклады передачи теплоты соприкосновением и теплопередачи лучеиспусканием. В этой статье проявились принципиальные отличия сформулированных Доброхотовым основ теории печей (пока без ее названия) от гидравлической. Воистину справедливо утверждение: «Он видел дальше, потому что стоял на плечах гигантов».

1927 г. знаменателен появлением в журнале «Уральский техник» (? 11/12) статьи Николая Доброхотова «Критика гидравлической теории печей». Наибольшее внимание автор в этой статье сосредоточил на установлении связей между теплопередачей и движением газов. Уже такой постановкой критики он показал, что для работы печей передача тепла нагреваемому материалу является главной задачей, которой должны быть подчинены все остальные. Грум-Гржимайло на первое место выдвигал движение газов (это подчеркивалось и в названии его теории), глубоко не анализируя явления теплообмена. Поэтому критик сразу же обратил внимание на то, что автор гидравлической теории «не видит разницы в способах теплопередачи», точнее, неправильно оценивает пути интенсификации процессов теплообмена.

Как справедливо отмечал Николай Николаевич, для высокотемпературных печей надо прежде всего заботиться об увеличении излучательной способности газов, а для низкотемпературных - об организации и активизации конвективной теплоотдачи к нагреваемому материалу. Развивая эти мысли, он убедительно показал, что рекомендации Владимира Ефимовича 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 Доброхотов подверг критике положение гидравлической теории о том, что количество тепла, воспринимаемое нагреваемой поверхностью от движущихся вдоль поверхности газов, пропорционально времени пребывания газов в полости печи, то есть пропорционально объему рабочего пространства печи. Он показал, что этот неправильный вывод является следствием неверной аналогии между процессами охлаждения твердого тела и охлаждением движущегося газа в печи. Действительно, если при остывании твердого тела в холодной печи количество отданного тепла будет пропорционально времени, то для случая движущегося газа картина будет иной. Количество тепла, поступающего на поверхность материала, будет расти при увеличении скорости газа, то есть при уменьшении времени контакта (пребывания), так как рост скорости вызывает увеличение турбулентности потока, при которой один и тот же объем газа в большее число раз будет вступать в контакт с поверхностью и передавать ей тепло. Последнее обстоятельство в своих рассуждениях и не учитывал автор гидравлической теории. Статья вышла ещё при жизни Грум-Гржимайло. На семинаре после доклада Николая Доброхотова выступил Владимир Ефимович с не менее резкой отповедью автору общей теории и был горячо поддержан большей частью аудитории. После смерти Грум-Гржимайло, в тридцатые годы, его оппоненты взяли реванш: они уже не отмечали его «ошибки» с позиций «постгрумовского» развития теплотехники. Профессор обвинялся теперь в невежестве и плагиате, а его последователи - в научной несостоятельности, передёргивании результатов исследований и данных заводской практики. В рядах печников воцарилась полная сумятица. Разделение на сторонников той или иной школы размежёвывает даже творческие умы Стальпроекта, как с 1930 г. стало называться Бюро металлургических и теплотехнических конструкций, основанное Грум-Гржимайло. В 1936 г. в журнале «Техника» напечатана статья «Гидравлическая теория расчёта печей - анахронизм», в которой теория Грума ниспровергалась во всех её постулатах и одновременно рекламировалась «энергетическая теория» сторонников Доброхотова. Дошло до того, что в 1937 г. появилась докладная записка недоброй памяти наркому Ежову, в которой в клеветнической форме «о вредительстве» обвинялись сотрудники Стальпроекта профессор М.Е.Пильник и талантливые инженеры Алексей и Юрий Грум-Гржимайло, сыновья великого металлурга. Оба они в 1938 г. были необоснованно репрессированы и реабилитированы посмертно. Даже называть имя Владимира Грум-Гржимайло в положительном аспекте требовало большой гражданской смелости.

Критикой гидравлической теории Доброхотов создал предпосылки для разработки теории печей с привлечением достижений технической физики. В эту работу он призывал включиться специалистов в области газопечной теплотехники. Им же были в 1925-1927 гг. впервые сформулированы положения теории печей, названной им общей. Более поздняя редакция положений четко была изложена в предисловии к монографии «Печи для нагрева металла»:

- горение твердого, жидкого и газообразного топлива есть в сущности механический процесс, определяемый характером движения газов;

- топки и горелки должны быть механизированы и правильно сконструированы с точки зрения аэродинамики;

-длина пламени пропорциональна диаметру горелки или диаметру струй газа и воздуха; она зависит не от времени пребывания газов в печи, а от конструкции горелки и при увеличении производительности горелки не увеличивается;

- мощность нагревательных печей определяется мощностью устройств, подающих в печь топливо и воздух;

- теплопередача излучением в печах не зависит от скорости движения газов (от изменения поперечных размеров рабочего пространства печи), а теплопередача конвекцией существенно возрастает с увеличением скорости газов;

- механика газов в печах определяется главным образом силами инерции газов и сопровождается затратой энергии движущихся газов на полезные или вредные сопротивления;

- нагревательные печи характеризуются широким распространением металлических рекуператоров;

- основное достоинство новейших конструкций нагревательных печей заключается в возможности получения нагрева металла без окалины и вообще в возможности значительного улучшения качества нагрева изделий в печах;

- имеются большие неиспользованные возможности по ускорению и улучшению нагрева стальных изделий в печах и устройству печей малого объема, имеющих большую мощность;

- контрольно-измерительная и автоматически действующая аппаратура и широкое развитие исследовательских работ характеризуют уровень развития печной техники.

Эти положения общей теории печей были использованы Николаем Николаевичем Доброхотовым в 1928-1931 гг. при проектировании и строительстве нагревательных печей прокатных цехов Нижнесергинского, Нижнетагильского и Златоустовского металлургических заводов. Эти печи известны в истории печестроения как нагревательные методические регенеративные печи с разделением газа, названные именем их автора. Достоинство этих печей перед другими, также регенеративными, заключалось в том, что в их работе использовался только один перекидной клапан по воздушному пути.

Прогрессивность положений, сформулированных Николаем Доброхотовым, проявилась в том, что к расчетам печей и анализу их тепловой работы были привлечены такие разделы технической физики, как естественная и вынужденная конвекция, радиационный теплообмен, теплопроводность, механика газов, теория горения и другие, способные обеспечить более глубокий анализ явлений и процессов нагрева, плавления металла, тепловой обработки материалов. Работы этого направления способствовали появлению новых конструкций печей с принудительным движением газов, обеспечивших прогресс в печном хозяйстве металлургических и машиностроительных заводов.

В конце своей статьи Николай Николаевич Доброхотов заключает: «Гидравлическая теория печей проф. В.Е. Грум-Гржимайло в своих основных самостоятельных положениях, касающихся законов теплопередачи и механики газов, является неверной, не соответствующей действительности теорией».

Справедливости ради нужно отметить, что профессор Владимир Ефимович Грум-Гржимайло создавал гидравлическую теорию печей в годы, когда практически все промышленные, включая и металлургические, печи работали на естественной тяге. В основу этой теории, как признавался он сам, был положен его заводской опыт на Нижнесалдинском металлургическом заводе и анализ тепловой работы таких печей. Для таких условий работы промышленных печей гидравлическая теория Грум-Гржимайло справедлива и сегодня.

Два больших учёных-металлурга - Владимир Грум-Гржимайло и Николай Доброхотов - шли к пониманию секретов теплопередачи разными путями. И пусть они резко критиковали теории друг друга, противопоставляли их. Время показало: они взаимодополняющие.

Журнал

   
Ваше имя:  
Пароль:     
  запомнить меня
  Регистрация  Забыли пароль?

Бизнес-навигатор

   Меткомплекс
   Наука и образование
   Органы власти
   Отраслевые союзы
   Смежные отрасли


Атомстрой комплекс
ЛитМаш
ЗаводЭкоТехнологий
 
Отраслевая наука 


 
        ООО «УралИнфо»
   Телефон/факс: (343) 350 71 71
   г.Екатеринбург, ул.Мамина-Сибиряка, 58, офис 601        
            urm@urm.ru
пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ пїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅпїЅ
«РЎСѓРјРјР° технологий» «Сумма технологий»
продвижение сайта