Мартеновская печь

Регенератор

Пьер Мартен предложил новый способ получения литой стали в регенеративных пламенных печах. Использовав разработанный в 1856 году немецким инженером К. В. Сименсом принцип регенерации тепла продуктов горения, Мартен применил его для подогрева не только воздуха, но и газа. Благодаря этому удалось получить температуру, достаточную для выплавки стали. Первая плавка была осуществлена Мартеном на одном из французских заводов 8 апреля 1864 года. Мартеновский способ стал широко применяться в металлургии в последней четверти XIX века, а в начале XX века в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали[1].

Распространению мартеновского способа выплавки стали в Европе способствовал высокий спрос на рельсы и возможность добавления в шихту мартеновских печей до 30 % стального и железного лома (в том числе изношенных рельсов). Проблема повышенного содержания фосфора в европейских рельсах первоначальной укладки решалась добавлением в печь ферромарганца. Таким образом, мартеновская и бессемеровская сталь в 1860-х годах практически заменили тигельную в производстве колёсных бандажей, рессор, осей и рельсов[2].

В России первая мартеновская печь была построена С. И. Мальцевым в 1866—1867 годах на Ивано-Сергиевском железоделательном заводе Мальцевского фабрично-заводского округа. 16 марта 1870 года были осуществлены первые плавки 2,5-тонной печи на Сормовском заводе[3]. Основатель завода — греческий купец, принявший российское подданство, Дмитрий Егорович Бенардаки привёз в 1870 году молодого инженера Александра Износкова, который построил печь. В 1998 году мартеновские печи на Сормовском заводе перестали действовать. В июне 2005 года было заключено охранное обязательство на здание цеха, где была установлена первая российская мартеновская печь, между заводом и министерством культуры Нижегородской области. В мае 2012 года был произведён демонтаж здания прокатного цеха в нарушение требований федерального закона «Об объектах культурного наследия (памятниках истории и культуры) народов РФ»[4][5].

В 1879 году Джон Юз запустил первую мартеновскую печь на Юзовском заводе[6].

Музей Обуховского завода. 1938 год. Слиток отлит из основной мартеновской стали

Начиная со второй половины XX века доля мартеновской стали в общем объёме производства снижается во всех основных странах-производителях. При этом происходит замещение сталью, выплавляемой в кислородных конвертерах и электропечах. Так, например, в период с 1960 по 2005 годы в СССР (России) доля мартеновской стали в общем объёме производства снизилась с 85 до 25 %; в США — с 87 до нуля %; на Украине — с 53 до 45 %; в Китае — с 25 до нуля %; в Германии — с 47 до нуля %; в Японии — с 68 до нуля %[7]. Начиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире более не строятся[8]. Мартеновский процесс практически вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным способом (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). По результатам 2008 года на мартеновский способ производства приходится не более 2,2 % мировой выплавки стали[8]. Наибольший удельный вес выплавки стали мартеновским способом в мире по результатам 2008 года наблюдался[9] на Украине.

В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России[8]. После этого данный способ производства стали сохранился только на Украине[10].

C 1999 года в мартеновском производстве началось использование бескислородного дутья малой интенсивности. Технология «скрытой» донной продувки основывалась на подаче нейтрального газа через дутьевые элементы, установленные в кладке подины, и применении для её набивки специальных огнеупорных порошков. За 6 лет на эту технологию были переведены 32 мартеновские печи различной ёмкости — от 110 до 400 т, из них 26 — работающих скрап-процессом. В зависимости от ёмкости печи в подине устанавливались 3—5 дутьевых элемента с расходом 30—100 л/мин на элемент. Эта технология позволила существенно снизить горячие и холодные простои, в том числе на ремонт пода; на 10—20 % сократить длительность плавки; на 12—18 % увеличить производительность печей в фактический час и производство стали в цехе; снизить расходы условного топлива, заправочных материалов и печных огнеупоров; в 1,3—2 раза увеличилась стойкость свода и длительность кампании в межремонтный период.

В зависимости от состава огнеупорных материалов подины печи мартеновский способ выплавки стали может быть осно́вным (в составе огнеупора преобладают СаО и MgO) и кислым (подина состоит из SiO₂). Выбор футеровки зависит от предполагаемого состава шлака в процессе плавки.

Основной принцип действия — вдувание раскалённой смеси горючего газа и воздуха в печь с низким сводчатым потолком, отражающим жар вниз, на расплав. Нагревание воздуха происходит посредством продувания его через предварительно нагретый регенератор (специальная камера, в которой огнеупорным кирпичом выложены каналы). Нагрев регенератора до нужной температуры осуществляется очищенными горячими печными газами. Происходит попеременный процесс: сначала нагрев регенератора продувкой печных газов, затем продувка холодного воздуха.

Мартеновский способ также зависит от состава шихты, используемой при плавке. Различают такие разновидности мартеновского способа выплавки стали:

• скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа) и 25—45 % чушкового передельного чугуна; процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома
• скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55—75 %), скрапа и железной руды; процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи.

Вид мартеновской печи снаружи

Периоды процесса получения стали в мартеновской печи длятся от пяти до восьми часов (при скоростном сталеварении — до 4,5—5,5 часа) и состоят из этапов[11]:

1. Плавление. Плавление начинается ещё до окончания загрузки печи. Плавление стараются проводить при максимальной температуре, чтобы препятствовать растворению в металле газов и не допустить излишнего окисления. В этот период интенсивно окисляются кремний, марганец, железо, фосфор, образуется большое количество закиси железа ${\displaystyle \mathrm {FeO} }$.
2. Окисление. Происходит окисление углерода за счёт ранее образованного ${\displaystyle \mathrm {FeO} }$. Формула реакции: ${\displaystyle \mathrm {C+FeO=CO+Fe-Q} }$. Образующийся угарный газ ${\displaystyle \mathrm {CO} }$ приводит расплав в состояние кипения. В течение 2—3 часов доля углерода в расплаве уменьшается и становится ниже 2 %.
3. Раскисление. Если к окончанию плавки в стали растворено большое количество ${\displaystyle \mathrm {FeO} }$, это придаёт стали хрупкость в горячем состоянии — красноломкость. Для удаления кислорода сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем или алюминием. Иногда для проверки раскалённый кусок стали подвергают ковке — при плохой раскисленности образуются трещины.

При необходимости, после раскисления вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций, чистый никель и другие.

После окончания плавки сталь выпускают в ковш.

Для ускорения процесса и повышения производительности на 15—25 % используют кислород. Его вводят при плавке двумя способами:

• обогащая факел пламени в период завалки и расплавления шихтовых материалов;
• продувая через жидкую ванну в период выгорания углерода.

Все строение мартеновской печи делится на верхнее и нижнее. Верхнее строение расположено над площадкой мартеновского цеха, которую сооружают для обслуживания печи на высоте 5—7 м над уровнем пола цеха. Верхнее строение состоит из собственно рабочего пространства печи и головок с отходящими вниз вертикальными каналами. Нижняя часть расположена под рабочей площадкой и состоит из шлаковиков, регенеративных камер с насадками и боровов с перекидными устройствами.

Для двух типовых составов[12]:

Материальный баланс 1

• Расход: скрап — 66, чугун — 34, известняк — 4, заправочный материал — 3, руда — 2, ферромарганец — 1
• Приход: сталь жидкая — 96, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 5 , СО от окисления углерода — 3, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1

Тепловой баланс 1

• Расход: теплота сгорания топлива — 61, тепло воздуха в регенераторах — 29, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
• Приход: уносится с продуктами — 61, потери в окружающую среду — 16, на нагрев стали — 15, на нагрев шлака — 3

Материальный баланс 2

• Расход: скрап — 34, чугун — 66, руда в завалку — 15, известняк — 5 , заправочный материал (доломит и магнезит) — 3, руда в период кипения — 2, ферромарганец — 1
• Приход: сталь жидкая — 103, шлак конечный — 8, шлак после выпуска — 7, СО от окисления углерода — 6, СО от разложения извести и известняка — 2, влага — 1, корольки — 1

Тепловой баланс 2

• Расход: теплота сгорания топлива — 48, тепло воздуха в регенераторах — 20, тепло газа в регенераторах — 11, экзотермические реакции выгорания примесей — 8
• Приход: уносится с продуктами — 58, потери в окружающую среду — 15, на нагрев стали — 20, на нагрев шлака — 5, разложение известняка — 1

Поскольку мартеновская плавка состоит из четырёх периодов, характеризующихся своими теплотехническими и технологическими задачами, каждый из них предъявляет соответствующие требования к автоматизации процесса. Основными задачами, которые необходимы для обеспечения соответствующих параметров плавки и управляющих воздействий являются:

• Обеспечение минимальной продолжительности плавки.
• Получение стали заданного состава и температуры.
• Обеспечение стойкости огнеупорной кладки.
• Экономичное использование топлива.

Выделяют следующие особенности мартеновских печей с точки зрения автоматизации по сравнению с другими плавильными печами[13]:

• процесс циклически повторяется от завалки до выпуска плавки (периодичность);
• питание печи теплом и температура различных частей печи меняются по ходу плавки, от плавки к плавке и по ходу кампании печи;
• технологические процессы, протекающие в печи, идут с поглощением и выделением тепла и выделением горючего газа из ванны;
• режим работы печи подвержен резким возмущениям, связанным с периодическим реверсированием факела;
• отсутствует полное математическое описание технологических и теплотехнических процессов;
• отсутствуют многие датчики, необходимые для автоматического управления мартеновской плавкой (датчики состава металла, шлака и др.);
• многие элементы печи, в особенности ванна, имеют плохие динамические свойства.

По состоянию на август 2009 года мартеновские печи функционировали на следующих российских металлургических предприятиях:[8]

• Бежицкий сталелитейный завод
• Волгоградский металлургический комбинат «Красный Октябрь»[14]
• Выксунский металлургический завод — последнюю мартеновскую печь закрыли в первом полугодии 2018 г.[15][16]
• Гурьевский металлургический завод — две печи действуют по сей день[17]
• Златоустовский металлургический завод — мартеновский цех выведен из эксплуатации
• Ижевский металлургический завод (ОАО «Ижсталь») — мартеновское производство остановлено в 2009 году[18]
• Кулебакский металлургический завод — остановлена 20 декабря 2011 года
• Металлургический завод «Петросталь» (дочернее предприятие ОАО «Кировский завод») - мартеновское производство действовало по состоянию на август 2021 года
• Металлургический завод «Амурсталь»[19]
• ОАО «Уральская Сталь» (бывш. Орско-Халиловский металлургический комбинат) — все печи остановлены в апреле 2013 года
• Нижнетагильский металлургический завод имени В. В. Куйбышева
• Нижнетагильский металлургический комбинат
• Омутнинский металлургический завод (ЗАО «ОМЗ»)
• Северский трубный завод — мартеновское производство остановлено в 2008 году
• Таганрогский металлургический завод — мартеновское производство прекращено в октябре 2013 года
• Челябинский металлургический комбинат
• Челябинский трубопрокатный завод
• Череповецкий металлургический комбинат — остановлен в 2011 году
• Чусовской металлургический завод — остановлен в 2013 году
• Белорецкий металлургический комбинат — 4 мартеновских печи, выведены из работы под руководством группы Мечел.

23 марта 2018 года закрыта последняя крупная мартеновская печь в России на Выксунском металлургическом заводе.[20] Однако по состоянию на август 2021 года мартеновское производство на Металлургическом заводе "Петросталь" в Санкт-Петербурге продолжало действовать[21], а по оценкам Мировой металлургической ассоциации, в 2020 году 2% стали в России было произведено мартеновским способом[22].

• Татарченко Дм. М. Металлургия чугуна, железа и стали в общедоступном изложении, 3-е изд. — ГТТИ, 1932. — 492 с.
• World Steel in Figures 2009 (англ.) // World Steel Association. — Brussels, Belgium, 2009. — P. 10.
• Толковый металлургический словарь. Основные термины / под ред. В. И. Куманина. — М.: Рус. яз., 1989. — 446 с. — ISBN 5-200-00797-6.
• Технология конструкционных материалов / под ред. д-ра техн. наук проф. А. М. Дальского. — М.: Машиностроение, 1985. — 448 с.
• Дюдкин Д. А., Кисиленко В. В. Современная технология производства стали. — М.: Теплотехник, 2007. — 528 с. — 1000 экз. — ISBN 5-98457-052-1.
• Кудрин В. А. Металлургия стали: Учебник для вузов — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия, 1989. — 560 с. — 7450 экз. — ISBN 5-229-00234-4
• Карабасов Ю. С., Черноусов П. И., Коротченко Н. А., Голубев О. В. Металлургия и время : Энциклопедия : в 6 т. — М. : Издательский Дом МИСиС, 2014. — Т. 6 : Металлургия и социум. Взаимное влияние и развитие. — 224 с. — 1000 экз. — ISBN 978-5-87623-760-6 (т. 6).

•  Устройство и работа мартеновской печи