Теория доменной плавки

Доменное производство возникло шестьсот лет тому назад. Никакой теории доменной плавки в то время не существовало и не могло существовать. Процессы, совершающиеся в доменной печи, в основном являются химическими процессами, и для того, чтобы разобраться в них, нужно было располагать определенным минимумом знаний в области химии. Как известно, в XIV в. химии как науки еще не существовало. Вопросами о различных превращениях материи занимались алхимики, взгляды которых /на строение материи были глубоко ошибочными.
В конце XVII и в начале XVIII в. была создана теория флогистона, имевшая непосредственное отношение к металлургии. Согласно этой теории, все металлы — сложные тела, имеющие в своем составе горючую субстанцию — флогистон. Присутствием флогистона объяснялись блеск, металлический звон, ковкость и другие свойства металлов. Горение считалось реакцией разложения, при которой флогистон удалялся, а оставшееся вещество теряло свойства металла и распадалось, подобно золе. Теория флогистона существовала много десятилетий — до тех пор, пока, наконец, гениальное открытие Ломоносова, подтвержденное позднее Лавуазье, не нанесло этой теории смертельный удар. С этого момента химия, как наука, получила прочный фундамент для своего развития и стала делать быстрые успехи. Одновременно с этим стала развиваться и теория металлургии.
Прежде всего, пользуясь успехами химии, металлурги получили возможность правильно представить себе состав сырых материалов и продуктов плавки. Было установлено, что железные руды в основе состоят из окислов железа, иногда из углекислого железа, причем к железосодержащим минералам примешано то или иное количество пустой породы.
Была внесена полная ясность в вопрос о составе чугуна, по которому в течение многих десятилетий у металлургов существовали самые противоречивые мнения. Было установлено, что чугун представляет собой сплав железа с углеродом, содержание которого может колебаться от 3,0 до 4,0—4,3%, и некоторыми другими элементами. При этом углерод в чугуне может находиться в разных состояниях: химически связанный с железом в соединение Fe3C, называемое карбидом, механически смешанный с железом в виде графита, а также механически смешанный с железом в виде углерода отжига, имеющего некоторое отличие от графита.
Было установлено также, что доменный шлак представляет собой сплав ряда соединений, образовавшихся из окислов кремния, алюминия, кальция и магния, а также небольших количеств закиси марганца, закиси железа и сернистого кальция.
Правильные представления о составе сырых материалов и продуктов плавки позволили металлургам уяснить, что основным процессом, происходящим в доменной печи, является процесс восстановления окислов железа. Этим был заложен научный фундамент для создания теории доменного процесса. Для дальнейшего изучения процесса производились исследования как в лабораториях, так и непосредственно в доменных печах. В лабораторных условиях процессы изучались в чистом виде, изолированно друг от друга. Лабораторные исследования были крайне необходимы, но все же одних таких исследований было недостаточно, поскольку в условиях доменной печи любой процесс протекает не изолированно, а во взаимодействии со многими другими процессами, протекающими одновременно и влияющими друг на друга. Кроме того, эти процессы протекают в условиях переменного состава газа, различной скорости его движения, различной температуры и т. д. Поэтому для изучения доменного процесса требовалось проведение не только лабораторных исследований, но и исследований на работающих печах. Такие исследования начали проводиться уже более столетия тому назад.
Лабораторные работы и многочисленные исследования доменных печей позволили создать довольно стройную теорию доменного процесса. Однако и поныне имеется еще много пробелов, и невозможно установить количественные закономерности ряда явлений, а в некоторых случаях нельзя дать исчерпывающего объяснения явлениям доменной плавки.
Такое положение объясняется большими трудностями, связанными с изучением доменного процесса непосредственно в производственных условиях (высокие температуры, большие давления и трудность доступа или даже отсутствие доступа к некоторым зонам внутри доменной печи).
В разработке доменного процесса принимали участие ученые и металлурги различных стран. Одно из первых мест среди них занимают ученые и металлурги нашей Родины.
Еще в конце прошлого столетия выдающийся русский металлург М.А. Павлов, ныне академик, внес чрезвычайно ценный вклад в развитие металлургической науки, опровергнув ошибочный принцип Грюнера. В дальнейшем акад. М.А. Павлов обогатил металлургическую науку целым рядом выдающихся работ. Под руководством М.А. Павлова были проведены многочисленные исследования процесса непосредственно на доменных печах. Проведение этих исследований осуществлялось его ближайшими учениками — В.Т. Басовым, Я.М. Гольмштоком, Д.В. Ефремовым, И.З. Козловичем, М.М. Лейбовичем, А.П. Любаном, М.Я. Остроуховым, И.П. Семиком. Эти исследования, а также работы других советских ученых-металлургов — проф. И.А. Соколова, проф. А.Н. Похвиснева, проф. А.Н. Рамма, д-ра техн. наук З.И. Некрасова, проф. А.Д. Готлиба, проф. Л.М. Цылева и других дали огромный фактический материал, позволивший осветить целый ряд вопросов, ранее остававшихся неясными, и во многих случаях изменить существовавшую до этих работ точку зрения. В дальнейшем мы неоднократно будем ссылаться на данные этих исследований.
Советская власть создала ученым, в том числе и ученым-металлургам, исключительно благоприятные условия для развития научно-исследовательских работ. Широкий размах работ, ведущихся советскими металлургами в лабораториях и непосредственно на доменных печах, позволит в недалеком будущем заполнить существовавшие до сих пор пробелы в теории доменного процесса.