От печки

Украинские ученые находятся на переднем крае мировой «печной» науки.

Металлургическое производство немыслимо без разно­образных печей — доменных, мартеновских, нагревательных, подогревательных, кольцевых, индукционных, проходных etc.

В современных условиях, когда именно качество металла становится определяющим для его эффективного сбыта и использования, на печников-металлургов возлагаются важные задачи. От первого передела и до окончательной отделки швеллер, труба или лист нагреваются по-разному, в несколько стадий. А так как печное хозяйство чрезвычайно энергоемко и экологически небезопасно, то ученые-теплотехники непрерывно улучшают конструкции печей, качество топлива для них, системы управления и энергосбережения.

Топить по-новому

Такова постиндустриальная дилемма: металла человечеству нужно все больше, а руд и топлива все меньше и они все дороже. Любой металл без печей не получить, но их надо по-новому строить и топить. О вариантах решения этих проблем, текущих и перспективных, рассказал «УТГ» профессор Национальной металлургической академии Украины (НМетАУ, Днепропетровск), доктор технических наук, зав­кафедрой промышленной теплоэнергетики Михаил Губинский.

— Михаил Владимирович, человеку без печи просто никуда: ни хлеба испечь, ни металла сварить. Потому особое внимание в наши дни уделяется совершенствованию известных и созданию новых печных агрегатов в разных отраслях индустрии. Знаю, что для вас это — дело всей жизни…

— Роль разнообразных печных устройств для человека сверхважна уже тысячи лет. Но мне, как потомственному ученому-металлургу, все же более близки печи металлургические, теория их работы и конструирования. Ясно, что в период создания инновационных технологий получения металлов, расширения ассортимента продукции из них и повышения требований к ее качеству современная теория металлургических печей (ТМП) должна обеспечить и качественно новые методы компьютерного управления ими. Речь идет о прецизионном соблюдении режима их эксплуатации, обеспечивающем кардинальное уменьшение затрат энергии и топлива, отвечающем постоянно растущим экологическим требованиям по международным и национальным нормативам.

Создание новых топливо­использующих агрегатов, инновационной топочной и теплоути­ли­за­ционной техники вместе с разработками по эффективному применению органического топлива и энергии нуждается в методах математического и компьютерного моделирования. Такова методология в русле мировых тенденций прикладных НИОКР и технологических разработок, связанных с теорией и практикой экологически чистого сжигания горючих смесей. И мы в нашей академии совместно с коллегами с крупнейших предприятий страны, СНГ и ЕС настойчиво и успешно занимаемся этими вопросами.

— Металлургическая наука довольно консервативна. Почти все придумано до нас, прорывных инноваций не видать. Кажется, что в металлургии просто идет рекомбинация старых техпроцессов и их постоянная модернизация. Так ли это?

 — И да, и нет. Сегодняшние тепловые агрегаты, хоть и основаны на хорошо известных принципах и конструкциях, все же принципиально лучше старых моделей. Вот лишь несколько примеров.

Научно-техническим коллективом из Днепропетровска, Киева и Мариуполя созданы совершенно новые печи и их компоненты для промышленности. Это, например, многообразные модели плоскопламенных горелок типа ГПП для сжигания природного газа низкого (серия ГППН), среднего (ГППС) и высокого (ГППВ) давления. Каждая серия состоит из 7 типоразмеров номинальной тепловой мощностью 50—1600 кВт. Мы разработали также и модификации ГПП для сжигания низкокалорийных газов и жидкого топлива.

В последнее время созданы новые конструкции низко­эмиссионных ГПП с низким уровнем NOx (NO и NO2.— Прим. ред.) и СО, названные ГПП-LE. Горелки имеют сверхвысокую стабильность горения даже в условиях «холодных» печей. Концентрация загрязнителей во время их работы намного меньше, чем предусмотрено нацио­нальными или международными (например ЕС) нормами. Важнейшие эксплуатационные и экологические показатели горелок ГПП-LE лучше параметров любой из известных конструкций.

Что касается инноваций, то наши ученые и практики разработали принципиально новые барботажные плавильные печи, основанные на погружном сжигании топлива. Особенности плавления в них заключаются в том, что горение энергоносителя с окислителем происходит в толще жидкого слоя расплавленного материала. Так значительно интенсифицируется теплообмен между продуктами горения и перерабатываемым материалом. Активное перемешивание расплава обеспечивает повышение скорости плавления и химических реакций. Печи с плавкой в расплаве имеют ряд преимуществ по сравнению с процессами в газовой фазе: менее жесткие требования к качеству исход­ного сырья (не нужны дробление, сушка, грануляция), большая удельная производительность, меньший выброс пыли, снижены загрязняющие атмосферу выбросы.

Так рождается наука

— Новых наук, чаще всего с приставкой «псевдо», придумано много: марксистская этика, ТРИЗ — ФСА, мичуринская агробиология… Однако не каждому ученому-технарю удалось участвовать в создании новой реальной научной дисциплины. Михаил Владимирович, вы среди таких счастливчиков?

— И не только я, также мои коллеги-соратники из НМетАУ, Института газа, с «Азовстали», «Южмаша», меткомбината «Арселор­Миттал Кривой Рог». После многолетних НИОКР творческий научно-технический коллектив единомышленников впервые в мировой теплотехнической практике предложил современный подход, который комплексно рассматривает взаимосвязанные физико-химические процессы в промышленных печах с возможностью адекватного определения влияния отдельных конструктивных и режимных характеристик печей на их энергетические, экологические, технологические и эксплуатационные показатели. В коллективной работе ученых и практиков «Эффективные тепловые процессы и агрегаты для металлургического производства» мы впервые и развили методологию науки об интенсификации процессов переноса (ИПП), там же приведена классификация методов ИПП.

— В чем же особенности этой новой науки?

— Действительно, наши разработки по этой дисциплине имеют мировую новизну. Перечислю их основы. Мы впервые разработали концептуальные положения энергоэкологии использования твердого и жидкого топлива как новой научной дисциплины и научно-технической проблемы. В них определяющими являются обобщенные параметры, связывающие загрязнение атмосферы с энергетической эффективностью промышленных печей. Созданы и внедрены технические принципы повышения качественного применения органического топлива в промышленности и энергетике — нефти, газа, угля, водо­угольного топлива (ВУТ). Например, на производственной базе ООО «ТД «Машресурсы» в Донецке планируется проведение экспериментальных исследований сжигания ВУТ в кипящем слое по современным техпроцессам от нашей кафедры.

Этот «жидкий уголь» имеет свойства, позволяющие заменить им твердые, жидкие или газообразные теплоносители в различных нагревательных агрегатах без существенной их переделки, а при необходимости можно использовать совместно ВУТ и другие виды топлива. Предложенный нами комплексный подход касается также печей неопосредованного радиационного нагрева (НРН), печей с распределенным по объему рабочего пространства сжиганием топлива, с высоким уровнем утилизации теплоты продуктов сгорания в компактных регенераторах, экологически нейтральных печей без выброса дымовых газов в атмосферу. Также мы с коллегами создали и внедрили технологии сжигания горючей смеси в расплаве в плавильной ванне при барботаже, способы диффузионной сварки и пайки биметаллических изделий в компрессионных печах (в ПО «ЮМЗ»), малоокислительного нагрева металла в печах и ускоренного охлаждения горячего проката.