Мартеновский способ

Мартеновский способ — это устаревший способ производства стали в регенеративных пламенных печах, основанный на переработке жидкого чугуна и стального лома (скрапа) в сталь заданного химического состава. Процесс получил название по имени французского металлурга Пьера Мартена, который в 1864 году совместно с отцом Эмилем Мартеном построил первую печь такой конструкции. Мартеновский способ доминировал в мировой металлургии с конца XIX века до середины XX века, но к началу XXI века был практически полностью вытеснен кислородно-конвертерным и электросталеплавильным процессами из-за низкой производительности и высокой энергоёмкости.

История

Предпосылки создания

До середины XIX века сталь получали преимущественно в кричных горнах и пудлинговых печах, что было малопроизводительно и не позволяло получать жидкую сталь. В 1856 году Генри Бессемер запатентовал конвертерный способ, который позволял перерабатывать чугун в сталь без дополнительного топлива за счёт продувки воздухом. Однако бессемеровский процесс имел существенный недостаток: он не мог эффективно перерабатывать фосфористые чугуны, которые были распространены в Европе, и требовал строго определённого состава шихты.

Изобретение Пьера Мартена

В 1864 году Пьер Мартен, работавший на металлургическом заводе в Сирёй (Франция), построил первую печь, в которой сочетались принципы регенерации тепла (изобретение братьев Сименс) и плавки на поду. Мартен использовал регенераторы — камеры, заполненные огнеупорным кирпичом, которые попеременно нагревались отходящими газами, а затем отдавали тепло воздуху и газу, поступающим в печь. Это позволяло достигать температуры до 1700 °C, достаточной для плавления стали. Первая плавка была проведена 8 апреля 1864 года. В 1865 году Пьер Мартен получил патент на «способ получения стали и железа в пламенных печах с регенераторами».

Распространение

В 1880-х годах мартеновский способ начал быстро распространяться в Европе и США. В России первая мартеновская печь была построена в 1870 году на Воткинском заводе, а в 1872 году — на Сормовском заводе. К концу XIX века мартеновские печи стали основным агрегатом для производства качественной стали, особенно для изготовления рельсов, брони, орудийных стволов и судовых конструкций. В СССР мартеновское производство достигло пика в 1960-е годы, когда на долю мартенов приходилось около 80 % всей выплавляемой стали. Наиболее крупные мартеновские цеха действовали на Магнитогорском, Нижнетагильском, Кузнецком металлургических комбинатах.

Упадок

Начиная с 1970-х годов мартеновский способ стал уступать кислородно-конвертерному (разработан в 1952 году в Австрии) и электросталеплавильному процессам. Кислородно-конвертерный способ обеспечивал в 5–10 раз большую производительность, меньший расход топлива и возможность автоматизации. В России последняя мартеновская печь была остановлена в 2018 году на Выксунском металлургическом заводе. В мире единичные мартеновские печи сохранились только в некоторых странах (например, в Индии и Украине) как резервное или экспериментальное оборудование.

Устройство и принцип работы

Конструкция печи

Мартеновская печь представляет собой горизонтальную камеру (ванну) с огнеупорной футеровкой, в которой размещается шихта. Основные элементы:

• Подина — днище печи, на котором лежит расплавленный металл и шлак. Изготавливается из магнезитового или динасового кирпича.
• Свод — верхняя часть камеры, обычно из динаса или хромомагнезита.
• Головки — входные и выходные отверстия для подачи газа и воздуха, а также для отвода продуктов сгорания.
• Регенераторы — две пары камер, заполненных насадкой из огнеупорного кирпича. Работают попеременно: одна пара нагревается отходящими газами, другая отдаёт тепло воздуху и газу.
• Газоходы и дымовая труба — система отвода продуктов сгорания.

Технологический процесс

Процесс плавки в мартеновской печи состоит из нескольких этапов:

1. Завалка шихты — загрузка твёрдых материалов: стального лома (скрапа), чугуна, руды, флюсов (известняк, доломит). В некоторых вариантах используется жидкий чугун, который заливают после расплавления скрапа.
2. Плавление — нагрев шихты до температуры плавления (около 1500–1600 °C). Топливом служит природный газ, мазут или коксовый газ. Воздух и газ подогреваются в регенераторах до 1000–1200 °C.
3. Окисление примесей — в расплаве происходит окисление углерода, кремния, марганца, фосфора и серы. Кислород поступает из руды, скрапа и газовой фазы. Углерод сгорает до CO и CO₂, что вызывает кипение ванны.
4. Рафинирование — удаление серы и фосфора с помощью шлака. Для связывания фосфора в шлак добавляют известь. Сера удаляется в восстановительный период при добавлении марганца или кремния.
5. Раскисление — добавление ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) для связывания растворённого кислорода и придания стали заданных свойств.
6. Выпуск — готовую сталь сливают через лётку (отверстие в подине) в ковш.

Типы мартеновских печей

По конструкции и способу подачи тепла различают:

• Основные печи — с магнезитовой футеровкой, работают на основных шлаках (с высоким содержанием CaO). Используются для переработки фосфористых чугунов.
• Кислые печи — с динасовой футеровкой, работают на кислых шлаках (SiO₂). Применяются для высококачественных сталей с низким содержанием серы и фосфора.
• Печи с верхней подачей газа — газ подаётся через свод, что улучшает теплопередачу.
• Печи с боковыми головками — классическая конструкция, где газ и воздух поступают через головки с двух сторон.

Классификация и виды стали

По способу раскисления

Мартеновским способом получают:

• Спокойную сталь — полностью раскисленную, без газовых пузырей. Используется для ответственных деталей.
• Кипящую сталь — частично раскисленную, с выделением газов при затвердевании. Применяется для листового проката.
• Полуспокойную сталь — промежуточный вариант.

По химическому составу

• Углеродистая сталь — с содержанием углерода от 0,05 до 2,14 %. Делится на низко-, средне- и высокоуглеродистую.
• Легированная сталь — с добавлением хрома, никеля, молибдена, ванадия и других элементов. Мартеновские печи позволяли получать сложнолегированные стали, например, нержавеющие и жаропрочные.

По качеству

• Сталь обыкновенного качества — для строительных конструкций.
• Качественная сталь — с ограниченным содержанием вредных примесей (серы, фосфора).
• Высококачественная сталь — с особо низким содержанием примесей (менее 0,025 % серы и фосфора).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Гибкость технологии — возможность перерабатывать шихту любого состава (от 100 % чугуна до 100 % лома).
• Высокое качество стали — медленный процесс (6–12 часов) позволял тщательно контролировать химический состав и удалять вредные примеси.
• Возможность получения крупных слитков — до 300–500 тонн, что было важно для производства крупных поковок (валы турбин, бронеплиты).
• Невысокие требования к качеству сырья — допускалось использование фосфористых чугунов и загрязнённого лома.

Недостатки

• Низкая производительность — одна печь выдавала 50–100 тонн стали в сутки, тогда как конвертер той же ёмкости — 200–300 тонн.
• Высокий расход топлива — до 200–300 кг условного топлива на тонну стали (в современных конвертерах — 0–10 кг).
• Большие выбросы — значительное количество CO₂, NOₓ и пыли.
• Трудность автоматизации — процесс требовал постоянного визуального контроля и ручного вмешательства.
• Низкая стойкость футеровки — ремонт печи требовался каждые 2–3 недели.

Применение

Мартеновским способом в XX веке производили:

• Конструкционные стали — для мостов, зданий, железнодорожных путей, вагонов.
• Инструментальные стали — для штампов, резцов, матриц.
• Броневые стали — для танков, кораблей, бронеавтомобилей (особенно в СССР в годы Великой Отечественной войны).
• Судовые стали — для корпусов кораблей и подводных лодок.
• Трубные стали — для нефте- и газопроводов.
• Специальные стали — для авиационных двигателей, турбин, ядерных реакторов.

Интересные факты

• В 1943 году на Магнитогорском металлургическом комбинате была построена самая крупная в мире мартеновская печь ёмкостью 500 тонн.
• Мартеновский способ позволил СССР в годы Великой Отечественной войны наладить массовое производство броневой стали для танков Т-34, несмотря на эвакуацию заводов.
• В 1960 году в СССР работало 1270 мартеновских печей, что составляло около 60 % мирового парка.
• Термин «мартен» в русском языке стал нарицательным для обозначения сталеплавильной печи вообще, хотя технически это неверно.

Источники

• Мартеновский способ производства стали / Большая советская энциклопедия, 3-е издание, 1969–1978.
• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Металлургия, 1989.
• Смирнов А. Н. Металлургия стали. — М.: Металлургия, 1998.
• Шаталов А. С. История металлургии России. — М.: Наука, 2005.
• Патент Франции № 67 425 от 1865 года на имя Пьера Мартена.