Пьер-Эмиль Мартен

Пьер-Эмиль Мартен (18 августа 1824, Бурж — 21 мая 1915, Фуршамбо) — французский инженер-металлург, изобретатель мартеновского способа производства стали. Разработанный им в 1864 году процесс (мартеновский процесс) на протяжении более ста лет оставался одним из основных способов выплавки стали в мировой металлургии, пока не был вытеснен кислородно-конвертерным и электросталеплавильным производством во второй половине XX века.

Биография

Ранние годы и семья

Пьер-Эмиль Мартен родился в семье, связанной с металлургией. Его отец, Эмиль Мартен-старший, был владельцем металлургического завода в городе Фуршамбо (департамент Ньевр, Бургундия). С юных лет Пьер-Эмиль работал на заводе отца, изучая практические аспекты металлургического производства. Он получил инженерное образование в престижной парижской Школе мостов и дорог (École nationale des ponts et chaussées), которую окончил в 1847 году.

Карьера и изобретение мартеновского процесса

После окончания школы Мартен вернулся на семейный завод, где занялся усовершенствованием технологий выплавки стали. В середине XIX века сталь производилась в основном в тиглях (тигельная сталь) или в небольших пудлинговых печах, что было дорого и малопроизводительно. В 1856 году Генри Бессемер запатентовал конвертерный способ, который позволял получать жидкую сталь большими объёмами, но требовал чугуна с низким содержанием фосфора и серы, что ограничивало его применение.

В 1863 году Мартен познакомился с работами братьев Сименс — Вильгельма (Чарльза Уильяма) и Фридриха (Фредерика), которые разработали регенеративную печь. В такой печи тепло отходящих газов использовалось для подогрева воздуха и топлива, что позволяло достигать значительно более высоких температур, чем в обычных печах. Мартен предложил использовать эту печь для переплавки чугуна и железного лома в сталь.

В 1864 году на заводе в Сирёй (Sireuil, департамент Дордонь) Пьер-Эмиль Мартен совместно с братьями Сименс провёл первую успешную плавку в регенеративной печи. Процесс, названный мартеновским, заключался в том, что в печь загружали чугун, стальной лом (скрап) и руду, а затем нагревали до температуры около 1600 °C. В ходе плавки выгорал избыточный углерод и другие примеси, а также происходило рафинирование металла шлаком. В отличие от бессемеровского процесса, мартеновский позволял перерабатывать большие объёмы лома и использовать чугуны с любым содержанием фосфора (при условии ведения процесса на основном футеровке).

Дальнейшая деятельность

После успешного внедрения процесса Мартен продолжил работу над его усовершенствованием. Он построил несколько мартеновских печей на своих заводах и лицензировал технологию другим металлургическим компаниям. В 1870-х годах мартеновский способ начал активно распространяться в Европе и США. В 1880-х годах он был усовершенствован введением основного футерования (доломит, магнезит), что позволило эффективно удалять фосфор из чугуна.

Пьер-Эмиль Мартен был удостоен множества наград. В 1878 году он стал кавалером, а в 1910 году — офицером ордена Почётного легиона. В 1915 году, незадолго до смерти, он был избран членом Французской академии наук.

Мартеновский процесс

Сущность процесса

Мартеновский процесс — это способ выплавки стали в регенеративной пламенной печи. Основные принципы:

• Теплообмен: Топливо (генераторный газ, позже — природный газ) и воздух подогреваются в регенераторах (насадках из огнеупорного кирпича), аккумулирующих тепло отходящих газов.
• Загрузка шихты: В печь загружают чугун (жидкий или твёрдый), стальной лом, руду, флюсы (известняк, доломит).
• Плавка: Под действием высокой температуры (1600–1700 °C) шихта плавится. В ванне образуется металл и шлак. Кислород, содержащийся в руде и в газовой фазе, окисляет примеси (углерод, кремний, марганец, фосфор, серу), которые переходят в шлак или удаляются с газами.
• Рафинирование: После расплавления металл кипит за счёт выделения оксида углерода (CO), что способствует перемешиванию и удалению газов. Шлак поглощает вредные примеси.
• Выпуск: Готовую сталь выпускают через лётку в ковш.

Типы мартеновских печей

• По футеровке:
• Основные: Футеровка из доломита или магнезита. Позволяют работать на чугунах с высоким содержанием фосфора (до 2% и более). Используют основной шлак (CaO). Наиболее распространённый тип в XX веке.
• Кислые: Футеровка из динаса (кварцит). Требуют чистых по фосфору шихтовых материалов. Дают более качественный металл, но менее производительны.
• По конструкции:
• Стационарные: Корпус печи неподвижен. Загрузка через окна, выпуск через лётку.
• Качающиеся: Печь может наклоняться для загрузки лома и выпуска шлака. Позволяют более полно удалять шлак.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Возможность переработки большого количества стального лома (до 70% шихты).
• Гибкость в управлении химическим составом (можно получать стали с различным содержанием углерода, легирующих элементов).
• Возможность использования чугунов с любым содержанием фосфора (в основных печах).
• Относительно простое оборудование и технология.

Недостатки:

• Низкая производительность по сравнению с конвертерами (плавка длится 4–12 часов).
• Высокий расход топлива и огнеупоров.
• Периодичность процесса (цикличность).
• Значительные выбросы пыли и газов.

Применение и значение

В мировой металлургии

Мартеновский процесс стал основным способом производства стали в конце XIX — первой половине XX века. В 1950-х годах на долю мартеновских печей приходилось около 80% мировой выплавки стали. В СССР и России мартеновский процесс был особенно распространён: в 1960-х годах им выплавлялось более 85% стали. Крупнейшие мартеновские цехи действовали на Магнитогорском, Нижнетагильском, Кузнецком, Челябинском металлургических комбинатах.

Вытеснение другими процессами

Начиная с 1960-х годов мартеновский процесс стал активно вытесняться:

• Кислородно-конвертерным процессом: Более высокая производительность (плавка за 20–40 минут), меньшие капитальные затраты, возможность автоматизации.
• Электросталеплавильным процессом: Высокое качество стали, возможность выплавки легированных сталей и сплавов, работа на ломе.

В развитых странах (США, Япония, Германия) мартеновские печи были полностью закрыты к 1990-м годам. В России последние мартеновские печи были остановлены в 2010-х годах (например, на Златоустовском металлургическом заводе в 2018 году, на Выксунском металлургическом заводе в 2019 году). К 2020-м годам мартеновский процесс практически не используется в промышленности, сохраняясь лишь в единичных случаях для выплавки специальных марок стали.

Интересные факты

• В честь Пьера-Эмиля Мартена названа мартеновская печь и сам процесс, хотя в разработке регенеративной печи ключевую роль сыграли братья Сименс. В англоязычной литературе процесс часто называют «сименс-мартеновским» (Siemens-Martin process).
• В 1864 году, когда Мартен провёл первую плавку, в России уже действовали пудлинговые и тигельные печи. Первая мартеновская печь в России была построена в 1870 году на Сормовском заводе (Нижний Новгород).
• Мартеновский процесс позволял выплавлять сталь для строительства Эйфелевой башни (1889), мостов, железнодорожных рельсов, брони для кораблей.
• В СССР мартеновские печи были основой сталеплавильного производства. В 1940-х годах на Урале и в Сибири были построены десятки мартеновских цехов, работавших на местном сырье.

Источники

• Большая советская энциклопедия. 3-е издание. — М.: Советская энциклопедия, 1969–1978.
• Металлургия стали: Учебник для вузов / Под ред. В. И. Явойского. — М.: Металлургия, 1983.
• Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Мир, 2003.
• Encyclopædia Britannica. Pierre-Émile Martin.