Мартеновская печь

• История возникновения мартеновской печи
• Схема и устройство мартеновской печи
• Принцип работы мартеновской печи
• Технология плавления металла
• Расход материалов в мартеновской печи
• Классификация мартеновских процессов
• Актуальность в 21 веке: плюсы и минусы
• Заключение

Еще с древних времен способ переработки железной руды свидетельствовал об уровне развития цивилизации и оригинальности технической мысли инженеров того времени. И постепенно человечество перешло от сыродутных печей к крупным сталеплавильным агрегатам.

Так в конце XIX века появилась мартеновская печь. Благодаря универсальности в отношении шихты, состава готовой стали и используемого топлива она длительное время оставалась основным сталеплавильным агрегатом в мировой металлургии.

История возникновения мартеновской печи

Мартен – печь пламенного типа с регенерацией тепла продуктов горения. Ее конструкция разработана великим французским металлургом Пьером-Эмилем Мартеном и названа в его честь, хотя фактически она представляет собой усовершенствованную модель регенеративной печи Сименса. Кстати, в технической литературе мартеновский способ получения стали также часто называется процессом Сименса. И, чтобы понять, откуда название «мартеновская печь» появилось в обиходе металлургов, давайте немного углубимся в историю XIX века.

С 1850 по 1857 год талантливый в разных сферах науки и техники ученый Карл Вильгельм Сименс разрабатывает принцип работы плавильной печи с симметричной конструкцией, в которой металл нагревается за счет подачи нагретого воздуха и обеспечивается эффективная рекуперация тепла. В это же время Пьер Мартен – сын Эмиля Мартена, владельца металлургического завода во французском городе Сирей, и прогрессивный инженер-металлург – возглавляет родительское предприятие и, как многие молодые ученые того времени, также начинает активные научные изыскания. Купив у Сименса патент на его изобретение, Мартен берет за основу принцип регенерации тепловой энергии в подовой пламенной печи и обеспечивает высокую температуру плавления стали за счет нагрева не только воздуха, но и газа, подаваемого в печь.

И уже 8 апреля 1864 года на заводе в г. Сирей была выполнена первая успешная выплавка стали. Удача воодушевила Мартена, и он оформляет на свое изобретение патент во Франции, а чуть позже в Англии. В результате сын и отец за свои достижения в области производства стали в 1867 году награждены золотой медалью Всемирной выставки, организованной в Париже, а запатентованная Мартеном печь для выплавки стали начинает активно использоваться как в Старом, так и в Новом Свете и приобретает его имя. При этом мартены, которые начали массово возводиться в разных странах и конкурировать с бессемеровским конвертером, сохранили принцип действия, но:

• могли иметь стационарные или качающиеся конструкции;
• работали на жидком и газовом топливе;
• имели подины кислые и основные;
• охлаждались водяной и испарительной системой.

Схема и устройство мартеновской печи

Мартеновская печь – это сложный агрегат с горизонтально расположенным плавильным отделением, сложенным из огнеупорного кирпича и заключенным в жесткий стальной каркас из усиленных балок, колонн и облицовочных плит. Все основные процессы происходят в рабочем пространстве, где ведутся сжигание топлива и плавка стали.

Лучше понять, что такое маретновская печь и какие у нее габариты поможет нижеследующий рисунок и таблица с основными размерами. Обращаем внимание, что емкость наиболее крупных мартеновских печей составляла 650…900 тонн.

Упрощенная схема мартеновской печи:

1, 7 – регенераторы, 2 – расплавленный лом и металл, 3 – завалочные окна, 4 – рабочее пространство, 5 – свод, 6 – подина

Параметры пода и главного свода мартеновских печей

Стены

Исходя из того, какая конструкционная схема мартеновской печи, для большей прочности задняя стенка рабочего пространства наклонена на 45…55 градусов. Она имеет отверстия для выпуска стали и шлака. Из-за увеличенной площади задняя стенка рабочего пространства активно утрачивает тепло и, чтобы минимизировать это, ее оснащают усиленной теплоизоляцией.

В XX веке мартеновские печи производили также с наклонной передней стенкой, что повышало ее устойчивость. В ней располагаются разделенные простенками загрузочные окна, которые со временем утратили свою арочную форму и стали обрамляться металлическими рамами, обеспечивающими защиту от ударов завалочными машинами и охлаждение кладки. Загрузочные окна использовались для загрузки шихты и заливки чугуна. Закрывают их стальными заслонками с центральным смотровым отверстием и футеровкой из магнезитового кирпича.

Свод печи

Принцип работы мартеновской печи основан на отражении тепла. Поэтому перекрывающий ее рабочее пространство свод также выступает важным элементом и подвергается:

• воздействию температуры 1700°С и выше;
• температурным колебаниям и термическим ударам факела;
• абразивному и химическому воздействию пыли шихты и брызг шлака.

Чаще всего в печах создавались арочные распорно-подвесные перекрытия, собирающиеся из прямых и клиновых кирпичей и подвешивающиеся к металлоконструкциям мартена на систему штырей и удлиненных стальных пластин. Свод имеет встроенные фурмы, подающие кислород, и при переходе к головкам приобретает небольшой наклон.

Головка печи

Так называют конструктивные элементы печи, расположенные по торцам рабочего пространства. В них происходит воспламенение топлива.

У мартена две головки: одна подает факел пламени, другая отводит продукты горения. И так как мартеновская печь работает в рекуперативном режиме, то в целом функционально они выполняют:

• смешивание топлива с подогретой струей воздуха;
• правильное и наиболее рациональное направление факела;
• отвод продуктов горения из рабочего пространства.

Шлаковики

Конструктивно это камеры, в которых собираются частички пыли и шлака, увлекаемые продуктами горения при выходе из рабочего пространства. Шлаковики расположены над вертикальными каналами и для более эффективного оседания взвешенных частиц имеют по сравнению с ними более широкое поперечное сечение. Конструкция и футеровка шлаковиков адаптируется к основному виду топлива, но в любом случае их рабочий объем должен быть рассчитан на весь межремонтный период эксплуатации, так как работает мартеновская печь с очень редкими техническими остановками.

Регенераторы

Конструктивный преобразователь, представляющий собой камеру, заполненную насадкой. Конденсирует в себе тепловую энергию отходящих продуктов горения и передает ее газу или воздуху, направляемому в рабочее пространство. Также, как и шлаковики, регенераторы выкладываются из огнеупорного кирпича и заключаются в стальной каркас с кожухом. Они соединены с боровами – каналами, по которым продукты горения отводятся к дымовой трубе (в некоторых случаях к котлу-утилизатору) или подается топливный газ и воздух.

Насадки регенераторов: а) тип Сименса, б) тип Каупера

Перекидные клапаны

Регулирование направления и интенсивности тяги обеспечивают перекидные клапаны и шиберы, управляемые в автоматическом режиме. В зависимости от сигнала задания перекидные клапаны герметизируют каналы, перекрывая движение по ним, или поддерживают плавное движение газов без критических поворотов.

Подина печи

Нижнее основание или дно рабочего пространства. Выполняется из огнеупорных материалов, толщина которых рассчитывается с учетом емкости мартена, так как подвергается воздействию температур до +1600°С и ударным нагрузкам при загрузке шихты. Кирпичная кладка сверху покрывается наваркой, что исключает прорывы металла.

Принцип работы мартеновской печи

Мартеновский процесс протекает на поду рабочего пространства отражательной печи за счет тепла, получаемого от факела, и заключается в переработке чугуна и металлического лома, закладываемых в рабочее пространство печи. Преобладающая часть тепла поступает в мартеновскую ванну из рабочего пространства печи в результате теплоотдачи от факела и элементов кладки. Но, так как для выплавки стали необходимо поддерживать температуру до 1700°С, в рабочем пространстве ее получают путем сжигания в струе воздуха газообразного или жидкого топлива. Это позволяет компенсировать недостаток тепловой энергии химических реакций и физического тепла шихтовых материалов.

Основной вид теплопередачи в рабочем пространстве мартена является излучение от факела. Кладка частично поглощает тепловую энергию и интенсивно отражает ее от свода печи на поверхность нагрева. В потоке нагретого воздуха происходит сгорание топлива, подаваемого через головку. Отходящие дымовые газы нагревают насадку регенератора, которая в свою очередь нагревает подаваемый в печь холодный воздух. А реверсивное направление воздушных потоков, создаваемое перекидными клапанами, обеспечивает регенерацию тепла.

Избыточное содержание кислорода обуславливает в мартене окислительную газовую атмосферу, благодаря чему металл в течение плавки подвергается прямому и косвенному воздействию окислительной среды. После образования шлакового слоя на поверхности расплава тепло передается металлу через него.

Технология плавления металла

Процесс выплавки разделяется на несколько периодов. Но до начала плавки с математической точностью рассчитывается количественный и качественный состав шихты.

Плавление

Самый длительный период плавки. Его химические и физические процессы в мартене начинаются с момента завалки шихты и продолжаются более трех часов в результате прямого контакта железа и примесей с кислородом из атмосферы печи. Для обеспечения процесса плавки и выжигания избыточного количества примесей (во время плавки происходит максимальная десульфурация и дефосфация) в рабочем пространстве обеспечивают температуру, превышающую температуру точки плавления на 100…150°С, и подают количество воздуха выше расчетного значения. К концу плавления тепловую нагрузку снижают до минимально допустимого уровня, так как основная часть шихты расплавилась и снижается потребность в тепле. Металл переходит в жидкое состояние и на поверхности расплава образовывается активный шлак, так как его плотность меньше плотности металла.

Окисление

Металлическая шихта имеет сложный многокомпонентный состав. Кроме железа в ней содержится углерод (C), кремний (Si), сера (S), марганец (Mn), фосфор (P) и другие компоненты, влияющие на свойства стали. И массовая доля этих элементов выше необходимого уровня, чтобы привести их количество до заданных параметров, излишек удаляют путем окисления.

Источником кислорода выступают печная атмосфера и составляющие шихты. Причем в первой половине периода плавления протекает интенсивный процесс диссоциации нагретого до 910°С известняка и происходит реакция:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Выделившийся углекислый газ так же, как и кислород, взаимодействует с жидкой сталью и участвует в ее окислении. Окислы примесей и флюсы удаляются вместе с продуктами горения и переходят в шлак. С того момента как шлаковый слой полностью покрывает расплав, прямое окисление стали прекращается.

Последующие процессы окисления уже протекают между жидким металлом и покрывающим его шлаком, который продолжает подвергаться прямому окислению в результате контакта с кислородом печной атмосферы и поступающих после добавления руды окислов железа. Образовавшаяся на поверхности шлака закись железа (FeO) взаимодействует с ним и образует магнитную окись железа (Fe₃O₄). Она в свою очередь распределяется в шлаке, который граничит с расплавленным металлом, и окисляет железо снова в закись. А FeO в расплавленной стали уже вступает в окислительные реакции с примесями. В результате химических реакций и ряда взаимодействий между компонентами окисленные примеси переходят в шлак.

Интенсивное окисление углерода происходит во втором периоде расплавления шихты, так как он обладает не такой большой скоростью окисления как кремний, марганец и фосфор. В виде CO углерод выступает на поверхности стали пузырьками, где и сгорает.

Раскисление

Это последний и наиболее ответственный этап плавки, так как он непосредственно определяет качество полученного металла.

К концу плавки стали в расплаве остается еще значительное количество кислорода. Он находится в виде закиси железа и неметаллических включений, что способствует ухудшению свойств металла. Поэтому для его удаления выполняют раскисление жидкой стали. Плохо раскисленные стали проявляют невысокую ударную вязкость и склонность к хладноломкости и красноломкости.

Раскисление проводят с использованием ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, силикомарганец и др.), а также алюминия, титана и кальция. Эти элементы активно вступают во взаимодействие с FeO и способны выводить кислород как в газ печной атмосферы, так и в виде окислов в шлак. Основываясь на таких свойствах, раскисление стали выполняют в два приема: предварительное раскисление в ванне и финишное – в ковше.

Расход материалов в мартеновской печи

По сути плавка в мартене – передел чугуна, стального лома и скрапа в сталь заданной марки. Обеспечить необходимые физико-химические свойства возможно только при строгом соблюдении соотношения всех компонентов шихты, которая состоит из нескольких основных и вспомогательных материалов.

Шихта для мартеновской плавки стали

Особенности мартеновского процесса позволяют использовать жидкий и чушковый чугун.

Ориентировочный материальный баланс мартеновского процесса

Примечание: материальный баланс приведен для 500-т мартеновской печи. Источник – М.Н. Сосненко, Мартеновское производство стали, М: Металлургия, 1974.

Наряду с шихтовыми материалами для мартеновского процесса большое значение имеет и топливо, которое обеспечивает необходимые условия протекания физико-химических процессов выплавки стали. При этом большинство мартенов отапливается газовой смесью из двух или трех газов (природный, коксовый, доменный, генераторный), а жидкое топливо в виде мазута, смоляных масел или смолы используется для образования сильно светящегося факела пламени.

Классификация мартеновских процессов

Мартеновский процесс производства стали по-прежнему используется и по своей природе является окислительным, так как превращение чугуна в сталь происходит за счет снижения доли углерода и других элементов в результате окисления. Но наряду с окислительной реакцией, в расплаве происходят и восстановительные процессы. Например, марганец, кремний, хром и фосфор, окислившись в начале плавки, могут восстанавливаться и переходить в металл.

Строительство мартенов – высокое искусство. В разные годы при их создании использовали материалы, которые по химической природе относились к кислым, полукислым, нейтральным и основным огнеупорам. В основном это были кирпичи кремнеземистые (динасовые), алюмосиликатные кислые, шамотные и высокоглиноземистые, а также магнезиальные (магнезитовые, форстеритовые) и хромистые (хромитовые, магнезитохромитовые), а форма их была от простой прямоугольной до сложной многоугольной.

Облицовка печи также влияет на характер протекающих в ней химических процессов. В зависимости от вида огнеупоров и состава шлаков мартеновский процесс разделяют на кислый и основной.

По характеру шихтовых материалов мартеновский процесс делится на несколько разновидностей:

• Скрап-процесс. Технология мартеновской плавки по скрап-процессу предполагает, что металлическая шихта в большей части состоит из лома. Так на долю скрапа может приходиться 55…75%, а на долю чугуна – 25…45%. При этом последний применяется в твердом (чушковом) состоянии. Преимуществом такого процесса является высокая эффективность переработки вторичного сырья и возможности применения на предприятиях неполного металлургического цикла.
• Скрап-рудный процесс. Во время такого сталеплавильного процесса основную часть металлической массы шихты составляет жидкий чугун, массовая доля которого, как правило, достигает 55…80%. Соответственно применение скрап-рудного процесса оправдано на металлокомбинатах полного цикла, в составе которых есть доменный передел. Для окисления примесей при скрап-рудном процессе в шихту вводится значительное количество богатой железом руды, что обеспечивает повышенный выход стали.
• Рудный процесс. В данном случае 100% металлической шихты составляет жидкий чугун. Использование такого метода выплавки оправдано в регионах с низкой ломозаготовительной базой.
• Скрап-угольный (карбюраторный) процесс. В данной технологии металлическая часть полностью состоит из стального лома, а необходимый углерод добавляют в виде углеродсодержащих материалов – графита, угля, кокса. Такой метод не получил широкого промышленного применения.

Актуальность в 21 веке: плюсы и минусы

Несмотря на то, что мартеновские печи по-прежнему используются в отдельных странах, их доля в мировом производстве стали с каждым годом неуклонно снижается, уступая натиску более современных технологий кислородно-конвертерного и электросталеплавильного процессов. Столь долгое использование мартеновского метода при наличии более прогрессивных сталеплавильных агрегатов было обусловлено возможностью:

• широкого варьирования сырьевых составляющих: применения в качестве шихты чугуна чушкового и расплавленного с повышенным содержанием вредных примесей, стального лома, стружки, окалины и других металлических отходов производства;
• выплавки качественных углеродистых и легированных сталей в одном агрегате, без использования каких-либо дополнительных установок вторичной доводки;
• использования доступного газового и мазутного топлива.

При этом мартеновский цех по функционированию и условиям труда относится к объектам повышенной опасности, требует большого количества энергоресурсов и применения дорогих систем фильтрации и газоочистки для снижения экологической нагрузки. Длительность плавки в мартеновской печи может достигать 9 часов в сравнении с 40-60 минутами в конвертерах и дуговых сталеплавильных агрегатах.

Таким образом, развитие сталеплавильных технологий, все возрастающие требования к качественным показателям стальной продукции и ужесточающиеся экологические нормы привели к практически полному вытеснению мартеновского процесса из черной металлургии. В настоящее время некоторые международные стандарты на металлопродукцию уже не допускают использование мартеновского способа при выплавке стали.

P.S.

В нашей стране на отдельных предприятиях пока еще сохранено производство стали в мартеновских печах. Однако планируется окончательный переход на выплавку сталей в кислородных конвертерах и электродуговых печах, что позволит Украине сделать отрасль более безопасной и экологически чистой и при этом не утратить довольно высокие позиции на мировом рынке.