Марте́новская печь (марте́н) — плавильная печь для переработки передельного чугуна и лома чёрных металлов в сталь нужного химического состава и качества. Название произошло от фамилии французского инженера и металлурга Пьера Эмиля Мартена, создавшего первую печь такого образца в 1864 году. На данный момент полностью вытеснены кислородными конвертерами и электродуговыми печами.
История
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.
Попытки применять сименсовские печи в чёрной металлургии начались сразу же, но они упирались в недостаточную стойкость существовавших тогда футеровочных материалов к беспрецедентно высокой температуре плавления стали, поэтому они ограничивались плавкой в тиглях стали из высокоуглеродного железа. По чистой случайности песок, использовавшийся для приготовления динасовых кирпичей неподалёку от завода Мартена в Сирёе, имел примеси, которые позволяли ему лучше спекаться. Это, как установили позднее, обеспечило отличную огнеупорность ванны.
Первая плавка была осуществлена Мартеном на его заводе 8 апреля 1864 года, при этом ни обезуглероживания, ни удаления из чугуна примесей при помощи окисления не производилось. Способ, называемый ныне мартеновским, стал широко применяться в металлургии в последней четверти XIX века, а в начале XX века в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали. Однако сам Мартен много на этом не заработал, так как при детальном рассмотрении его патентов в других странах выяснилось, что собственно его приоритет касается лишь шлакообразующих добавок, которые были быстро заменены более новыми. Всё остальное было либо разработано Сименсом, либо известно ещё до них обоих.
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.
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. 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».
В 1879 году Джон Юз запустил первую мартеновскую печь на Юзовском заводе.
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 %. Начиная с 1970-х годов новые мартеновские печи в мире более не строятся. Мартеновский процесс вытеснен гораздо более эффективным кислородно-конвертерным способом (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). По результатам 2021 года на мартеновский способ производства приходилось не более 0,3 % мировой выплавки стали, а наибольший удельный вес (18 %) выплавки стали мартеновским способом наблюдалсяWorld steel figures in 2022 . World steel association на Украине.
В России последняя крупная мартеновская печь (в Выксе) была закрыта в 2018 году.
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 , 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.
Классификация
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 продуванием 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.
Технология
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 этаповОстапенко Н. Н. Технология металлов :
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 . Окисление. Происходит окисление углерода за счёт ранее образованного в реакции . Образующийся угарный газ приводит расплав в состояние кипения. В течение 2—3 часов доля углерода в расплаве уменьшается и становится ниже 2 %. Раскисление. Если к окончанию плавки в стали растворено большое количество , 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.
Назначение и устройство элементов печи
Всё 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 с перекидными устройствами.
Рабочее пространство печи Рабочее пространство мартеновской печи ограничено сверху сводом, снизу — подом (или «подиной»). В передней стенке видны проёмы — завалочные окна, через которые в рабочее пространство загружают твёрдую шихту и заливают (по специальному приставному ) жидкий чугун.
Обычно завалочные окна закрыты специальными футерованными крышками с отверстиями — гляделками, через которые сталевар наблюдает за ходом плавки и состоянием печи.
Из всех элементов печи рабочее пространство находится в наиболее тяжёлых условиях — в нём идёт плавка стали. Во время завалки твёрдой шихты огнеупорные материалы, из которых изготовлено рабочее пространство, подвергаются резким тепловым и механическим ударам, во время плавки они подвергаются химическому воздействию расплавленных металлов и шлака; в рабочем пространстве температура максимальна. Стойкостью элементов рабочего пространства печи определяют, как правило, стойкость всей печи и, следовательно, сроки промежуточных и капитальных ремонтов.
Подина печи Подиной является нижняя часть рабочего пространства мартеновской печи. Над подом находится расплавленный металл. Подина должна выдерживать массу металла и шлака, удары при загрузке шихты, воздействие эрозионных процессов при взаимодействии с расплавленными металлом и шлаком, действие напряжений, возникающих в огнеупорных материалах при частых и резких перепадах температур.
Верхний слой основной подины изготовляют обычно из магнезитового порошка (реже доломитового), который набивают или наваривают на служащий основанием магнезитовый кирпич.
Задняя и передняя стенки мартеновской печи работают (особенно в нижней части) почти в тех же условиях, что и подина, так как они также соприкасаются с жидким металлом и шлаком. Заднюю и переднюю стенки кислой мартеновской печи выкладывают из динасового кирпича, основной мартеновской печи — из магнезитового. В магнезитовой части кладки предусматривают температурные швы, заполняемые картоном, фанерой, деревянными прокладками. При нагреве прокладки выгорают, а расширяющийся кирпич заполняет зазоры.
Несмотря на то, что материал пода, а также задней и передней стенок по своим химическим свойствам соответствует характеру шлака (основного или кислого), шлак взаимодействует с огнеупорной футеровкой. Те места ванны, которые соприкасаются во время плавки со шлаком, оказываются после выпуска плавки несколько повреждёнными (изъеденными шлаком). Если не принять специальных мер, то через несколько плавок степень износа может возрасти настолько, что печь придёт в аварийное состояние. Чтобы избежать этого, после каждой плавки подину ремонтируют (заправка печи): на изъеденные места кислой подины набрасывают песок, а основной подины — магнезитовый или доломитовый порошок. Заправке подвергают и торцовые части подины, прилегающие к головкам печи; их называют откосами. Заправку осуществляют с помощью специальных заправочных машин.