Мартеновский способ производства стали¶

Мартеновский способ производства стали — технология выплавки стали в пламенной регенеративной печи, при которой переработка чугуна и стального лома в сталь заданного химического состава происходит на поду печи под воздействием факела горящего газа. Способ назван по имени французского металлурга Пьера Мартена, который в 1864 году совместно с отцом Эмилем Мартеном построил первую промышленную печь на заводе в Сирёе (Франция). До середины XX века мартеновский способ оставался основным в мировой металлургии, однако к началу XXI века был практически полностью вытеснен кислородно-конвертерным и электросталеплавильным производством.

¶История

Предпосылкой к созданию мартеновской печи стало изобретение братьями Сименсами регенеративного принципа подогрева воздуха и газа (1856). Регенераторы — камеры с огнеупорной насадкой — позволяли аккумулировать тепло отходящих продуктов сгорания и использовать его для подогрева поступающего топлива, что давало возможность достигать температур, достаточных для плавления стали (свыше 1600 °C).

В 1864 году Пьер Мартен, используя патент Сименсов, построил печь с регенераторами, пригодную для переплава чугуна со стальным ломом. Первые плавки были проведены на заводе в Сирёе. В 1866 году на заводе в Тернуаре (Франция) началось промышленное производство литой стали по этому способу.

В России первая мартеновская печь была пущена в 1870 году на Сормовском заводе (Нижний Новгород). В дальнейшем способ получил широкое распространение: к началу XX века мартеновские цехи действовали на большинстве крупных металлургических заводов России — Путиловском, Обуховском, Брянском и других.

Расцвет мартеновского производства пришёлся на 1930–1970-е годы. В СССР мартеновские печи долгое время оставались основой сталеплавильной отрасли: в 1950-е годы ими выплавлялось около 85 % всей стали в стране. Последняя мартеновская печь в России была остановлена в 2018 году на Выксунском металлургическом заводе; в мире последние мартены действовали в Индии до начала 2020-х годов.

¶Устройство и принцип работы

Основные элементы мартеновской печи:

• Рабочее пространство — ванна с металлом и шлаком, ограниченная сводом и стенами из огнеупорного кирпича (динас, магнезит, хромомагнезит).
• Головки — устройства для подачи топлива и воздуха в рабочее пространство.
• Регенераторы — две пары камер с насадкой из огнеупорного кирпича, работающие попеременно: одна пара нагревается отходящими газами, другая отдаёт тепло поступающим воздуху и газу.
• Шлаковики — камеры для осаждения пыли и частиц шлака из отходящих газов.
• Котёл-утилизатор — для использования тепла отходящих газов.
• Дымовая труба — создаёт тягу.

Плавка ведётся на поду печи. Топливом служили генераторный газ, смесь коксового и доменного газов, позднее — природный газ и мазут. Окислителем выступает кислород воздуха, подаваемого через головки. За счёт регенерации температура факела достигает 1800–1900 °C, что обеспечивает перегрев металла над температурой плавления.

¶Технология плавки

Мартеновская плавка включает несколько периодов:

1. Завалка — загрузка в печь твёрдых материалов: стального лома (скрапа), известняка или извести, железной руды.
2. Прогрев и заливка чугуна — после прогрева шихты в печь заливают жидкий чугун.
3. Плавление — расплавление шихты с образованием шлака; в этот период идёт окисление примесей (кремния, марганца, фосфора).
4. Кипение — период активного окисления углерода пузырями оксида углерода (CO), что обеспечивает перемешивание ванны и удаление газов и неметаллических включений.
5. Раскисление — введение ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, алюминий) для связывания кислорода и доведения стали до заданного состава.
6. Выпуск — слив готовой стали в ковш через лётку.

Продолжительность плавки в зависимости от ёмкости печи (от 5 до 900 тонн) составляла от 6 до 12 часов.

¶Разновидности процесса

По характеру футеровки и составу шлака различают:

• Основной мартеновский процесс — футеровка из магнезита, шлак с высоким содержанием оксида кальция (CaO). Позволяет удалять из металла фосфор и серу. Применялся для производства большинства марок стали.
• Кислый мартеновский процесс — футеровка из динаса, шлак кислый (кремнезёмистый). Давал сталь с низким содержанием неметаллических включений и газов, использовался для ответственных изделий (броневая сталь, артиллерийские стволы).

По характеру шихты выделяют скрап-процесс (только лом) и скрап-рудный процесс (лом + жидкий чугун + железная руда), который был основным в СССР.

¶Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Гибкость по составу шихты — возможность использовать от 20 до 100 % стального лома.
• Возможность получения стали широкого марочного сортамента, в том числе легированной.
• Менее жёсткие требования к качеству чугуна по сравнению с конвертерным процессом.

Недостатки:

• Низкая производительность — цикл плавки до 12 часов против 40 минут в кислородном конвертере.
• Высокий расход топлива — 100–150 кг условного топлива на тонну стали.
• Большие выбросы пыли и газов в атмосферу.
• Невозможность эффективного удаления серы при кислом процессе.

¶Значение и вытеснение

Мартеновский способ сыграл ключевую роль в развитии металлургии: он позволил наладить массовое производство качественной стали из дешёвого скрапа и распространить сталеплавильное производство по всему миру. В СССР мартеновские цехи обеспечивали потребности индустриализации и военной промышленности.

Начиная с 1960-х годов мартеновские печи стали заменяться кислородными конвертерами (технология Линца-Донавица, 1952) и дуговыми электропечами, которые обеспечивали более высокую производительность, лучшее качество металла и меньшие выбросы. К 1990-м годам мартеновское производство сохранялось преимущественно в России, Украине и Индии. Окончательное закрытие последних мартеновских цехов в России произошло в 2010-х годах.

¶Источники

• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Металлургия, 1989.
• Бигеев А. М., Бигеев В. А. Металлургия стали. — Магнитогорск: МГТУ, 2000.
• Явойский В. И. Теория процессов производства стали. — М.: Металлургия, 1967.
• Большая советская энциклопедия, статья «Мартеновское производство», 3-е изд., 1974.