Черная металлургия в ХХ веке

Черная металлургия – ведущая отрасль народного хозяйства, от которой существенно зависит благополучие страны. С позиций сегодняшнего дня, когда новым технологиям уделяется первейшее внимание, посмотрим, какие изменения произошли в XX веке в металлургических технологиях. Установившаяся технология производства чугуна, стали и проката к началу XX века принципиально сохранилась до настоящего времени, хотя агрегатное оформление стало другим. Доменная печь за первые 50 лет XX века приобрела современный профиль, ее объем возрос от нескольких сотен кубических метров до 1–2 тысяч, а за следующие 50 лет до 5 и более тысяч куб. м. За это время доменная печь получила современную систему загрузки, подготовленное сырье, высокую температуру дутья с добавкой кислорода, природного газа и других заменителей кокса, повышенное давление. Основным сталеплавильным агрегатом была мартеновская печь, работали бессемеровские и томасовские конвертеры, появились электрические печи. В XX столетии мартеновские печи, бессемеровские и томасовские конвертеры были заменены кислородными конвертерами и дуговыми печами. В мире примерно две трети стали выплавляют в конвертерах, а одну треть в дуговых электропечах. В России и других странах СНГ еще сохранились мартеновские печи. Получила широкое применение внепечная обработка жидкой стали, активно расширяется непрерывная разливка стали. Много новых агрегатов появилось в прокатном производстве.

В начале века черная металлургия в России была сосредоточена на Урале, в центре и на Украине, а подготовка инженерных кадров в Петербурге, Екатеринбурге и Екатеринославле, а несколько позже и в Москве. Металлургическая наука в этот период формируется путем синтеза производственной деятельности и теоретических изысканий – синтеза теории и практики. Во главе ее Михаил Александрович Павлов и Владимир Ефимович Грум-Гржимайло. В. Е. Грум-Гржимайло, окончивший Петербургский горный институт, после инженерной деятельности на Урале с 1907 г. заведовал кафедрой металлургии стали в Петербургском политехническом институте. В 1920 г. он создает кафедру металлургии стали и теории печей в Уральском политехническом институте, которой заведовал до 1924 г.

Научные интересы В. Е. Грум-Гржимайло – выдающегося металлурга теоретика и практика, одного из создателей основ металлургической науки – охватывали весь цикл от производства чугуна и стали до готового проката:

в 1908 г. он использовал законы физической химии к объяснению процессов, происходящих в бессемеровском конвертере и в стальной ванне мартеновской печи;

1905–12 гг. – создается гидравлическая теория печей;

1910 г. – он изучает свойства огнеупоров, разрабатывает теорию перерождения динаса;

1925 г. – выходит книга «Пламенные печи»,

1933 г. – «Металлургия стали», «Прокатка и калибровка».

Первая четверть XX века характеризуется успешным развитием металлургической науки и образования в России. Россия занимает ведущее место в мире. Металлургическая же отрасль в России и старом мире отстает от американской. Виной тому мировая война, революционные потрясения и гражданская война в России. В 1920 г. чугуна выплавлялось столько, сколько было выплавлено в 1780 г., а в 1946 меньше, чем в 1934. После окончания второй мировой войны бурно развивается черная металлургия России и к началу восьмидесятых годов СССР выходит на первое место в мире. В эти же годы достигают своего максимума США и Япония. В годы перестройки производство черных металлов в России сократилось вдвое, а техническое оснащение заводов существенно уступает тому, что появилось на Западе и в Японии за последние 15–20 лет.

Если В. Е. Грум-Гржимайло и М. А. Павлов были металлургами широкого профиля, то после них стали развиваться теоретические подходы к отдельным частям металлургической технологии. Уже в самом начале века были две кафедры: металлургии чугуна (М. А. Павлова) и металлургии стали и теории печей (В. Е. Грум-Гржимайло), а не одна кафедра металлургии, хотя интересы обоих заведующих выходили за пределы их кафедр. М. А. Павлов все же предпочитает доменное производство, а В. Е. Грум-Гржимайло сосредоточивается на металлургических печах. Их ученики продолжают их основные интересы, углубляя изучение доменного процесса и металлургических печей. Обе ветви развиваются самостоятельно. Кафедра металлургии стали и теории печей разделяется на две, но эти ветви связаны одним агрегатом – мартеновской печью. Возникает вопрос, что главнее – технология (металлургия стали) или теплотехника. И. Д. Семикин, любивший острые афоризмы типа – «Заочное образование все равно, что заочное питание», провозглашал «Теплотехника – мать технологии». Эти споры имели место на конференциях пятидесятых годов. Технологи и теплотехники оставались при своих мнениях. Технологи молятся на физическую химию (Институт металлургии АН СССР постоянно проводит традиционные конференции по физико-химическим основам производства стали, теория металлургических процессов, читаемая в вузах, опирается на физическую химию), а металлурги-теплотехники – в основном на теплообмен, постепенно расширяя свои интересы на печи других отраслей

Бурное развитие черной металлурги в СССР в 50–60 годах требовало быструю подготовку научных и инженерных кадров. Проводится много научных конференций по доменному производству, сталеплавильному, прокатному и другим производствам, они способствовали развитию науки и образованию, техническому прогрессу в металлургии, но, к сожалению, не обсуждались общие проблемы черной металлургии в целом. В металлургических вузах и на металлургических факультетах политехнических институтов не готовились специалисты широкого металлургического профиля, способных анализировать весь металлургический цикл. Такое положение сохраняется до настоящего времени.

Рассматривая историю развития черной металлургии нельзя не остановиться на взаимоотношениях различных научных школ. Теоретические подходы к отдельным частям металлургической технологии стали развиваться еще при жизни В. Е. Грум-Гржимайло. Одним из «виновников» такого подхода был инженер Н. Е. Скаредов, предложивший в 1915 г. печь рассматривать, как тепловую машину. Он утверждал, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу печи, он подчеркивал значение излучения в теплообмене. Позже идеи Н. Е. Скаредова были развиты И. Д. Семикиным. В 1923–27 гг. Н. Н. Доброхотов подвергает критике гидравлическую теорию печей Грум-Гржимайло, подчеркивая важность теплообменных процессов. Он формулирует положения общей теории промышленных печей, читает соответствующий курс студентам. Как позже отмечал М. А. Глинков, это был период острой борьбы между сторонниками гидравлической теории и общей теории печей, на позициях которой он стоял. Эта борьба имела как положительные, так и отрицательные стороны, она поучительна. Молодой профессор Н. Н. Доброхотов подвергает критике теорию всемирно известного ученого, которому уже за 60 лет. Это похвально, но тон этой критики недопустим, близок к оскорбительному. Категоричность критики Н. Н. Доброхотовым теории В. Е. Грум-Гржымайло была необоснованной – она базировалась на ошибочном представлении, что теплообмен к нагреваемому телу осуществляется конвекцией, а фактически в высокотемпературных печах доля конвекции несущественна.

В 50-х годах металлурги получают технический кислород и природный газ в больших количествах, мощное средство для радикального изменения металлургической технологии. К этому времени была известна идея замены доменного процесса, высказанная Д. К. Черновым в 1899 году, им были предложены и твердофазный и жидкофазный прямые способы получения железа из руд. Но в это время не стоял так остро, как сейчас, вопрос об экологическом неблагополучии доменного, агломерационного и коксохимического производства. Была упущена возможность разработать новую технологию без кокса и агломерата. Основное количество кислорода и природного газа было направлено в доменную печь. Сталеплавильщики кислород используют в мартеновских печах, делаются попытки сжигать топливо в чистом кислороде. Основная посылка – интенсификация теплообмена. Металлурги тогда не знали, что они создают мощные генераторы по производству оксидов азота.

В 2000 г. состоялась VI научно-техническая конференция «Тепло- и массообменные процессы в металлургических системах» возродившая после девятилетнего перерыва традиционные научные конференции по тепломассообмену. Итогом прошлых конференций, касавшихся в основном сталеплавильных ванн, стало понимание того, что теория тепломассообмена является не только теоретической основой сталеварения, но и других металлургических технологий. Возникла потребность рассмотреть тепломассообмен и в других металлургических системах.

За минувшие 30 лет в работе конференций, кроме металлургов, приняли участие ведущие специалисты в области гидрогазодинамики и общих вопросов тепломассопереноса. Параллельно с упомянутыми выше конференциями проводились конференции, семинары, заседания Научного Совета и его секций по проблеме «Массо- и теплоперенос в технологических процессах» Государственного Комитета СМ СССР по науке и технике, Сектора механики неоднородных сред АН СССР (под руководством акад. В. В. Струминского) и др., в которых принимали участие и металлурги, а в 1979 г. в Дубровнике (Югославия) Международным центром по тепло – и массопереносу был проведен 10 Международный семинар, посвященный тепломассоопереносу в металлургических системах.