Мартеновский процесс

Мартеновский процесс — это устаревший способ переработки чугуна и стального лома в сталь заданного химического состава в пламенной регенеративной печи. Процесс был назван по имени французского инженера Пьера Мартена, который в 1864 году совместно с братом Эмилем Мартеном впервые успешно применил печь с регенеративным подогревом воздуха и газа для выплавки стали. Мартеновский способ доминировал в мировой металлургии на протяжении большей части XX века, но к началу XXI века был практически полностью вытеснен кислородно-конвертерным и электросталеплавильным процессами из-за более низкой производительности и высокой энергоёмкости.

История

Предпосылки создания

До середины XIX века сталь получали в небольших количествах в кричных горнах и тиглях. Промышленная революция требовала массового производства дешёвой и качественной стали. В 1856 году Генри Бессемер запатентовал конвертерный процесс, позволявший перерабатывать жидкий чугун в сталь без внешнего источника тепла за счёт продувки воздухом. Однако способ Бессемера имел существенный недостаток: он не мог эффективно перерабатывать стальной лом и требовал чугуна с низким содержанием фосфора и серы. Параллельно в 1856 году братья Уильям и Фредерик Сименсы разработали регенеративную печь, в которой отходящие газы подогревали воздух и топливо, что позволяло достигать температур, достаточных для плавки стали.

Разработка Пьера Мартена

Пьер Мартен, владелец металлургического завода во французском городе Сирёй, заинтересовался идеей использования регенеративной печи Сименса для выплавки стали. В 1864 году он построил печь, в которой чугун и стальной лом расплавлялись в ванне под воздействием пламени, образующегося при сжигании генераторного газа. Первая плавка была проведена в апреле 1864 года. Мартен получил патент на свой способ, и в 1865 году на Всемирной выставке в Париже его сталь была удостоена золотой медали. В отличие от бессемеровского процесса, мартеновский позволял:

• Использовать до 50—70 % стального лома в шихте;
• Получать сталь с более точным химическим составом;
• Перерабатывать чугун с любым содержанием фосфора (при использовании основных футеровок).

Распространение в мире

В 1870-х годах мартеновские печи начали строиться в Германии, Великобритании, США и России. Первая мартеновская печь в Российской империи была запущена в 1870 году на Сормовском заводе (Нижний Новгород). К концу XIX века мартеновский процесс стал основным способом производства стали в мире. В СССР в 1930—1950-е годы строились крупнейшие мартеновские цехи, например, на Магнитогорском металлургическом комбинате (ММК) и Кузнецком металлургическом комбинате (КМК). В 1960 году в СССР мартеновским способом выплавлялось около 85 % всей стали.

Упадок и закрытие

Начиная с 1950-х годов, мартеновский процесс начал вытесняться кислородно-конвертерным (ЛД-процесс, разработанный в Австрии в 1952 году) и электросталеплавильным. Кислородно-конвертерный процесс обеспечивал в 5—10 раз более высокую производительность, а электросталеплавление позволяло получать высококачественные легированные стали. В России последняя мартеновская печь была остановлена в 2018 году на Выксунском металлургическом заводе. В Китае, который долгое время оставался крупнейшим производителем мартеновской стали, последние печи были закрыты в 2020 году в рамках программы модернизации металлургии. На сегодняшний день мартеновский процесс практически не применяется в промышленных масштабах, уступив место более эффективным технологиям.

Устройство и принцип работы

Конструкция печи

Мартеновская печь представляет собой горизонтальную камеру с ванной для жидкого металла, футерованную огнеупорным кирпичом. Основные элементы конструкции:

• Рабочее пространство — камера, в которой происходит плавка. Свод печи выполняется из динаса (кремнезёмистого кирпича) или магнезита.
• Ванна — углубление в поду печи, куда загружаются шихтовые материалы. Глубина ванны обычно составляет 0,5—1,0 м.
• Головки печи — устройства для подачи топлива и воздуха, расположенные с торцов рабочего пространства.
• Регенераторы — камеры, заполненные насадкой из огнеупорного кирпича, которые попеременно нагреваются отходящими газами и отдают тепло поступающему воздуху и газу.
• Шлаковики — камеры для осаждения твёрдых частиц из отходящих газов.
• Перекидные клапаны — устройства для переключения направления движения газов через регенераторы (обычно каждые 15—30 минут).

Топливо и окислитель

В качестве топлива в мартеновских печах использовались:

• Генераторный газ (смесь CO, H₂, N₂, получаемая газификацией угля);
• Природный газ;
• Мазут.

Воздух, необходимый для горения, подогревался в регенераторах до 1000—1200 °C. Температура в факеле достигала 1800—1900 °C, что обеспечивало плавление шихты.

Химизм процесса

Мартеновский процесс основан на окислительно-восстановительных реакциях. Основные стадии:

1. Загрузка шихты — в печь загружают стальной лом, чугун (в твёрдом или жидком виде), флюсы (известняк, известь) и руду.
2. Плавление — под действием высокой температуры шихта расплавляется, образуя слой металла и шлака. В этот период происходит окисление кремния, марганца, фосфора и части углерода.
3. Кипение ванны — при повышении температуры начинается активное окисление углерода с выделением пузырей CO (оксида углерода), что вызывает перемешивание металла и удаление растворённых газов.
4. Доводка — после удаления шлака (скачивания) в печь вводят раскислители (ферросилиций, алюминий, ферромарганец) для связывания растворённого кислорода. При необходимости добавляют легирующие элементы (хром, никель, ванадий).
5. Выпуск — готовую сталь выпускают через лётку в ковш, откуда её разливают в изложницы или на МНЛЗ (машины непрерывного литья заготовок).

Классификация

Мартеновские процессы классифицируются по нескольким признакам:

По типу футеровки

• Основной мартеновский процесс — под и стены печи футеруются магнезитом или доломитом. Используется для переработки чугуна с высоким содержанием фосфора (до 1,5—2,0 %). Фосфор удаляется в шлак при добавлении извести.
• Кислый мартеновский процесс — футеровка из динаса (кремнезёма). Применялся для выплавки высококачественных сталей с низким содержанием серы и фосфора, но требовал чистых по фосфору шихтовых материалов.

По характеру шихты

• Скрап-процесс — основная часть шихты — стальной лом (скрап). Чугун добавляется в количестве 25—40 % для повышения содержания углерода. Используется на заводах, не имеющих доменных печей.
• Скрап-рудный процесс — в шихте преобладает жидкий чугун (до 70—80 %), а также добавляется железная руда для окисления примесей. Наиболее распространённый вариант на крупных комбинатах полного цикла.

По способу подачи топлива

• Газовые печи — работают на генераторном или природном газе.
• Мазутные печи — используют жидкое топливо.
• Комбинированные — могут работать на газе и мазуте попеременно.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость шихты — возможность перерабатывать до 70 % стального лома, что снижало зависимость от доменного производства.
• Универсальность — можно выплавлять стали широкого сортамента: от рядовых углеродистых до высоколегированных.
• Простота управления — процесс легко контролируется, возможна корректировка состава в ходе плавки.
• Низкие требования к качеству сырья — в отличие от бессемеровского процесса, не требовал чугуна с низким содержанием фосфора.

Недостатки

• Низкая производительность — длительность плавки составляла 4—12 часов (в зависимости от ёмкости печи и состава шихты), тогда как кислородный конвертер выдаёт плавку за 30—40 минут.
• Высокий расход топлива — на 1 тонну стали требовалось 100—200 кг условного топлива (в пересчёте на уголь).
• Большие тепловые потери — КПД мартеновской печи не превышал 25—30 %.
• Экологические проблемы — выбросы CO₂, оксидов азота, пыли и шлака. Мартеновские печи не оснащались эффективными газоочистными системами.
• Ограниченная ёмкость — максимальная вместимость одной печи составляла 500—600 тонн (например, на ММК), что было меньше, чем у современных конвертеров (до 400 тонн, но с более высокой цикличностью).

Применение и значение

Мартеновский процесс сыграл ключевую роль в индустриализации многих стран. В СССР именно мартеновские печи обеспечили производство стали для строительства железных дорог, мостов, танков, кораблей и зданий. В 1940-е годы на мартеновских печах выплавлялись броневые стали для танков Т-34. В послевоенный период мартеновский процесс оставался основным вплоть до 1970-х годов, когда началось массовое внедрение кислородно-конвертерного способа.

В современной металлургии мартеновский процесс представляет исторический интерес. Однако его принципы — регенеративный подогрев, управление шлаковым режимом, раскисление — легли в основу других технологий. Некоторые заводы (например, в Индии и Пакистане) продолжали использовать малые мартеновские печи до 2020-х годов для производства сортового проката из местного лома.

Интересные факты

• Самая большая мартеновская печь в мире (ёмкостью 600 тонн) работала на Магнитогорском металлургическом комбинате с 1960-х годов.
• В 1930-е годы в СССР была разработана технология «скоростного мартеновского процесса», позволявшая сократить время плавки до 2,5—3 часов за счёт интенсификации подачи кислорода.
• Мартеновский процесс был основным способом производства стали в СССР во время Великой Отечественной войны — на нём выплавлялось до 90 % всей стали для фронта.
• В 2000-е годы в России была предпринята попытка модернизации мартеновских печей с использованием кислородных фурм, но она не получила широкого распространения из-за экономической нецелесообразности.

Источники

• Мартеновский процесс // Большая советская энциклопедия. — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969—1978.
• Металлургия стали / Под ред. В. А. Кудрина. — М.: Металлургия, 1981.
• Технология металлов / Под ред. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 2003.
• История металлургии / Под ред. Ю. С. Карабасова. — М.: МИСиС, 2005.
• Отчёт о закрытии последней мартеновской печи в России // Журнал «Металлург», 2018, № 4.