Мартеновская печь

Мартеновская печь — это плавильный агрегат для переработки чугуна и стального лома в сталь заданного химического состава, в котором нагрев шихты осуществляется за счёт сжигания газообразного или жидкого топлива, а также тепла отходящих газов, рекуперируемого в регенераторах. Относится к классу пламенных отражательных печей. Изобретение мартеновского процесса в середине XIX века позволило наладить массовое производство качественной стали, на несколько десятилетий став основным способом сталеварения в мире, пока не было вытеснено кислородно-конвертерным и электросталеплавильным процессами.

История

Предпосылки создания

К середине XIX века основным способом получения стали был бессемеровский процесс (конвертер с кислой футеровкой), изобретённый Генри Бессемером в 1856 году. Однако бессемеровский процесс имел существенные ограничения: он не позволял эффективно перерабатывать стальной лом (скрап) и был чувствителен к содержанию фосфора и серы в чугуне. Параллельно развивался тигельный способ, дававший высококачественную сталь, но чрезвычайно дорогой и малопроизводительный. Требовался более гибкий и экономичный метод, способный утилизировать лом и работать с различными видами сырья.

Изобретение Пьера Мартена

В 1864 году французский металлург Пьер-Эмиль Мартен (Pierre-Émile Martin) на заводе в Сирёй (Sireuil) впервые успешно применил регенеративную печь братьев Сименс для плавки стали. Идея заключалась в использовании принципа регенерации тепла, запатентованного ранее Фридрихом Сименсом: отходящие горячие газы нагревали кирпичные насадки в регенераторах, которые затем подогревали воздух и топливо, подаваемые в печь. Это позволяло достигать в рабочем пространстве температур, достаточных для расплавления стали (около 1600–1700 °C). Первая плавка была проведена 8 апреля 1864 года. Мартен использовал ванну с основной футеровкой, что позволяло удалять фосфор при помощи добавления извести. Процесс получил название «мартеновский», а печь — «мартеновская печь».

Развитие и распространение

В 1870-х годах технология была усовершенствована: были разработаны печи с кислой футеровкой (для марок стали с низким содержанием фосфора), а также внедрены методы легирования стали непосредственно в печи. К началу XX века мартеновский процесс стал доминирующим в мировой металлургии. В Российской империи первая мартеновская печь была пущена в 1870 году на Сормовском заводе (Нижний Новгород). В СССР мартеновское производство получило колоссальное развитие: в 1930-е годы на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) и Кузнецком металлургическом комбинате (КМК) были построены крупнейшие в мире мартеновские цеха. Мартеновский способ оставался основным в советской металлургии вплоть до 1980-х годов.

Закат эпохи

С 1960-х годов мартеновские печи начали активно вытесняться более производительными и экономичными кислородными конвертерами (процесс Линца-Донавица, LD) и дуговыми сталеплавильными печами (ДСП). К концу XX века в развитых странах мартеновское производство было практически полностью свёрнуто. В России последняя мартеновская печь была остановлена в 2018 году на Выксунском металлургическом заводе (Нижегородская область). В Китае мартеновские печи продолжали работать до 2020-х годов, но и там они постепенно заменяются современными агрегатами.

Устройство и принцип действия

Конструкция

Мартеновская печь представляет собой стационарный или качающийся агрегат с горизонтальным рабочим пространством. Основные элементы:

• Рабочее пространство (ванна) — углубление, выложенное огнеупорным кирпичом (футеровкой), в котором находится расплавленный металл и шлак. Ванна имеет под (дно), стены и свод.
• Головки печи — устройства для подачи топлива (газа или мазута) и воздуха, а также для отвода продуктов сгорания. Расположены с торцов печи.
• Регенераторы — камеры, заполненные огнеупорной кирпичной насадкой (решёткой). Служат для аккумуляции тепла отходящих газов и последующего подогрева поступающего воздуха и топлива. Обычно печь имеет два или четыре регенератора, работающих попеременно.
• Шлаковики — камеры для осаждения твёрдых частиц (пыли, шлака) из отходящих газов, предотвращающие засорение регенераторов.
• Система подачи шихты — завалочные окна, через которые загружаются чугун, лом, флюсы (известняк, известь) и руда. В современных печах загрузка осуществляется мульдозавалочными машинами или завалочными кранами.
• Выпускное отверстие (лётка) — отверстие в поду печи для выпуска готовой стали в ковш.

Принцип работы

Процесс плавки в мартеновской печи состоит из нескольких этапов:

1. Заправка печи — ремонт и подготовка пода и стен.
2. Завалка шихты — загрузка твёрдой части (стальной лом, чугунные чушки, руда, флюсы). Топливо подаётся через головки, воздух подогревается в регенераторах.
3. Плавление — под действием высокой температуры (до 1700 °C) шихта расплавляется. В этот период происходит окисление примесей (углерода, кремния, марганца, фосфора) кислородом, содержащимся в воздухе и руде. Образуется шлак.
4. Кипение ванны — удаление углерода, растворённого в металле, в виде пузырьков CO (оксида углерода). Этот процесс перемешивает ванну и способствует удалению газов и неметаллических включений.
5. Рафинирование (доводка) — корректировка химического состава стали: добавление легирующих элементов (хром, никель, молибден, ванадий), раскисление (удаление избыточного кислорода) и доведение температуры до заданной.
6. Выпуск — готовый металл выпускается через лётку в сталеразливочный ковш. Шлак, как правило, остаётся в печи или выпускается отдельно.

Регенерация тепла

Ключевая особенность мартеновской печи — регенеративный теплообмен. Отходящие газы, имеющие температуру около 1600 °C, проходят через один из регенераторов, нагревая его кирпичную насадку до 1200–1300 °C. Затем поток переключается, и холодный воздух (или газ) подаётся через нагретый регенератор, подогреваясь до 1000–1200 °C. Это позволяет значительно повысить термический КПД печи и достичь высоких температур в рабочей зоне.

Классификация

Мартеновские печи классифицируются по нескольким признакам:

По типу футеровки

• Основные — футеровка пода и стен выполнена из магнезитового или хромомагнезитового кирпича (основные огнеупоры). Позволяют вести плавку с основным шлаком, что необходимо для удаления фосфора и серы. Используются для выплавки большинства марок стали.
• Кислые — футеровка из динасового (кремнезёмистого) кирпича (кислые огнеупоры). Применяются для выплавки высококачественных сталей с низким содержанием серы и фосфора, но не позволяют их удалять в процессе плавки.

По способу подачи топлива

• Газовые — работают на природном или коксовом газе.
• Мазутные — используют жидкое топливо (мазут).
• Комбинированные — могут работать на газе и мазуте попеременно.

По конструкции

• Стационарные — печь неподвижна, выпуск металла производится через лётку в поду.
• Качающиеся — печь может наклоняться для выпуска металла и шлака, что облегчает управление процессом.

По ёмкости

Различают печи малой (до 50 т), средней (50–200 т) и большой (200–600 т и более) ёмкости. Крупнейшие в мире мартеновские печи (до 900 т) работали в СССР, в частности на ММК.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость шихты — возможность использования до 50–70 % стального лома, что снижает зависимость от доменного чугуна.
• Широкий марочный сортамент — можно выплавлять практически любые марки стали, включая легированные и высоколегированные.
• Возможность рафинирования — основной процесс позволяет удалять фосфор и серу, что улучшает качество металла.
• Относительно низкие капитальные затраты — строительство мартеновского цеха дешевле, чем кислородно-конвертерного.

Недостатки

• Низкая производительность — длительность плавки составляет 6–12 часов, что значительно уступает конвертерам (30–40 минут) и электросталеплавильным печам (1–2 часа).
• Высокий расход топлива — на 1 т стали требуется 200–300 кг условного топлива, что в 2–3 раза больше, чем в конвертере.
• Большие выбросы — мартеновские печи являются источником значительных выбросов CO₂, оксидов азота, пыли и других загрязнителей.
• Сложность управления — процесс требует высокой квалификации персонала и постоянного контроля.
• Низкая энергоэффективность — значительная часть тепла теряется с отходящими газами и через стенки печи.

Применение

Мартеновские печи использовались для выплавки:

• Конструкционных сталей общего назначения (например, Ст3, 09Г2С).
• Качественных углеродистых и легированных сталей (например, 40Х, 12Х18Н10Т).
• Инструментальных и быстрорежущих сталей.
• Сталей для железнодорожных рельсов, колёс, бандажей.
• Специальных сталей для судостроения, мостостроения, энергетики.

В настоящее время мартеновский процесс практически полностью вытеснен, однако в ряде стран (например, в Индии, Украине) отдельные печи продолжают эксплуатироваться для производства специальных марок стали, а также для переработки специфических видов лома.

Интересные факты

• Первая мартеновская печь в России была построена на Сормовском заводе в 1870 году по проекту инженера А. А. Износкова.
• В СССР в 1930-е годы была построена самая мощная в мире мартеновская печь ёмкостью 500 т на Магнитогорском металлургическом комбинате.
• Мартеновский процесс был основным в советской металлургии до 1980-х годов, когда его доля составляла около 70 % всего производства стали.
• В 2018 году в России была остановлена последняя мартеновская печь на Выксунском металлургическом заводе, что символизировало окончание эпохи мартеновского сталеварения в стране.

Источники

• Большая советская энциклопедия, 3-е издание, статья «Мартеновская печь».
• Металлургия стали: учебник для вузов / под ред. В. А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1989.
• Технология производства стали в мартеновских печах / А. М. Поживанов, В. И. Довгопол. — М.: Металлургия, 1975.
• История металлургии: от древности до наших дней / В. А. Исаев. — М.: Наука, 2005.
• Статья «Мартеновский процесс» в энциклопедии «Кругосвет».