Мартенівська піч

• Історія виникнення мартенівської печі
• Схема й пристрій мартенівської печі
• Принцип роботи мартенівської печі
• Технологія плавлення металу
• Витрата матеріалів в мартенівській печі
• Класифікація мартенівських процесів
• Актуальність у 21 столітті: плюси і мінуси
• Заключення

Ще з давніх часів спосіб перероблення залізної руди свідчив про рівень розвитку цивілізації й оригінальність технічної думки інженерів того часу. І поступово людство перейшло від сиродутних печей до великих сталеплавильних агрегатів.

Так в кінці XIX століття з'явилася мартенівська піч. Завдяки універсальності щодо шихти, складу готової сталі, використовуваного палива вона тривалий час залишалася основним сталеплавильним агрегатом у світовій металургії.

Історія виникнення мартенівської печі

Мартен – піч полум'яного типу з регенерацією тепла продуктів горіння. Її конструкція розроблена великим французьким металургом П'єром-Емілем Мартеном і названа в його честь, хоча фактично вона являє собою вдосконалену модель регенеративної печі Сіменсу. До речі, у технічній літературі мартенівський спосіб отримання сталі також часто називається процесом Сіменса. Й, щоб зрозуміти, звідки назва «мартенівська піч» з'явилася у повсякденності металургів, давайте трохи заглибимося в історію XIX століття.

З 1850 по 1857 рік талановитий у різних сферах науки та техніки вчений Карл Вільгельм Сіменс розробляє принцип роботи плавильної печі з симетричною конструкцією, у якій метал нагрівається за рахунок подачі нагрітого повітря та забезпечується ефективна рекуперація тепла. У той самий час П'єр Мартен – син Еміля Мартена, власника металургійного заводу у французькому місті Сирей, і прогресивний інженер-металург – очолює батьківське підприємство й, як числені молоді вчені того часу, також починає активні наукові дослідження. Купивши у Сіменса патент на його винахід, Мартен бере за основу принцип регенерації теплової енергії в подовій полум'яній печі та забезпечує високу температуру плавлення сталі за рахунок нагріву не тільки повітря, а й газу, що подається до печі.

І вже 8 квітня 1864 року на заводі в м. Сирей була виконана перша успішна виплавка сталі. Удача надихнула Мартена, і він оформляє на свій винахід патент у Франції, а трохи пізніше в Англії. В результаті син і батько за свої досягнення в області виробництва сталі в 1867 році нагороджені золотою медаллю Всесвітньої виставки, організованої у Парижі, а запатентована Мартеном піч для виплавки сталі починає активно використовуватися як у Старому, так і у Новому Світі та набуває його ім'я. При цьому мартени, які почали масово зводитися у різних країнах і конкурувати з бесемерівський конвертером, зберегли принцип дії, але:

• могли мати стаціонарні або коливальні конструкції;
• працювали на рідкому та газовому паливі;
• мали подини кислі та основні;
• охолоджувалися водяною та випарною системою.

Схема та влаштування мартенівської печі

Мартенівська піч – це складний агрегат з горизонтально розташованим плавильним відділенням, складеним з вогнетривкої цегли і укладеним у жорсткий сталевий каркас з посилених балок, колон і облицювальних плит. Всі основні процеси відбуваються у робочому просторі, де ведуться спалювання палива і плавка сталі.

Краще зрозуміти, що таке мартенівська піч і які у неї габарити допоможе нижченаведений рисунок та таблиця з основними розмірами. Звертаємо увагу, що місткість найбільших мартенівських печей становила 650...900 тонн.

Спрощена схема мартенівської печі:
1, 7 - регенератори, 2 - розплавлений лом і метал, 3 - завалочні вікна, 4 - робочий простір, 5 - звід, 6 - подина

Параметри поду та головного склепіння мартенівських печей

Стіни

Виходячи з того, яка конструкційна схема мартенівської печі, для більшої міцності задня стінка робочого простору нахилена на 45...55 градусів. Вона має отвори для випуску сталі й шлаку. Через збільшену площу задня стінка робочого простору активно втрачає тепло і, щоб мінімізувати це, її оснащують посиленою теплоізоляцією.

У XX столітті мартенівські печі виробляли також з похилою передньою стінкою, що підвищувало її стійкість. У ній розташовуються розділені простінками завантажувальні вікна, які з часом втратили свою аркову форму та стали обрамлятися металевими рамами, які забезпечували захист від ударів завальними машинами та охолодження кладки. Завантажувальні вікна використовувалися для завантаження шихти та заливки чавуну. Закривають їх сталевими заслінками з центральним оглядовим отвором і футерівкою з магнезитової цегли.

Звід печі

Принцип роботи мартенівської печі заснований на відбиванні тепла. Саме тому перекривний її робочий простір звід також виступає важливим елементом і піддається:

• впливу температури 1700°С й вище;
• температурним коливанням й термічним ударам факела;
• абразивному й хімічному впливу пилу шихти та бризок шлаку.

Найчастіше в печах створювалися аркові розпорено-підвісні перекриття, що збираються з прямих і клинових цеглин та підвішуються до металоконструкцій мартена на систему штирів та подовжених сталевих пластин. Звід має вбудовані фурми, які подають кисень, і при переході до голівок набуває невеликий нахил.

Головка печі

Так називають конструктивні елементи печі, розташовані по торцях робочого простору. У них відбувається займання палива.

У мартена дві головки: одна подає факел полум'я, інша відводить продукти горіння. І так як мартенівська піч працює у рекуперативному режимі, то в цілому функціонально вони виконують:

• змішування палива з підігрітим струменем повітря;
• правильний й найбільш раціональний напрямок факела;
• відведення продуктів горіння з робочого простору.

Шлаковики

Конструктивно це камери, у яких збираються частинки пилу і шлаку, що захоплюються продуктами горіння при виході з робочого простору. Шлаковики розташовані над вертикальними каналами і для більш ефективного осідання зважених часток мають у порівнянні з ними більш широкий поперечний переріз. Конструкція і футерування шлаковиків адаптується до основного виду палива, але в будь-якому випадку їх робочий об'єм повинен бути розрахований на весь міжремонтний період експлуатації, бо працює мартенівська піч з дуже рідкісними технічними зупинками.

Регенератори

Конструктивний перетворювач, який являє собою камеру, заповнену насадкою. Конденсує в собі теплову енергію відхідних продуктів горіння і передає її газу або повітрю, який направляється в робочий простір. Також, як і шлаковики, регенератори викладаються з вогнетривкої цегли і містяться в сталевий каркас з кожухом. Вони з'єднані з боровами – каналами, за якими продукти горіння відводяться до димаря (в деяких випадках до котла-утилізатора) або подається паливний газ і повітря.

Насадки регенераторів: а) тип Сіменса, б) тип Каупера

Перекидні клапани

Регулювання напряму та інтенсивності тяги забезпечують перекидні клапани й шибери, керовані в автоматичному режимі. Залежно від сигналу завдання перекидні клапани герметизують канали, перекриваючи рух по них, або підтримують плавний рух газів без критичних поворотів.

Подина печі

Нижня основа або дно робочого простору. Виконується з вогнетривких матеріалів, товщина яких розраховується з урахуванням місткості мартена, бо піддається впливу температур до +1600°С і ударним навантаженням при завантаженні шихти. Цегляна кладка зверху покривається наварюванням, що виключає прориви металу.

Принцип роботи мартенівської печі

Мартенівський процес протікає на поду робочого простору відбивної печі за рахунок тепла, одержуваного від факела, і полягає у переробці чавуну і металевого брухту, які закладаються в робочий простір печі. Переважна частина тепла надходить до мартенівської ванни з робочого простору печі в результаті тепловіддачі від факела та елементів кладки. Але, через те, що для виплавки сталі необхідно підтримувати температуру до 1700°С, у робочому просторі її отримують шляхом спалювання в струмені повітря газоподібного або рідкого палива. Це дозволяє компенсувати недолік теплової енергії хімічних реакцій і фізичного тепла шихтових матеріалів.

Основний вид теплопередачі в робочому простору мартена є випромінювання від факела. Кладка частково поглинає теплову енергію та інтенсивно відбиває її від склепіння печі на поверхню нагріву. У потоці нагрітого повітря відбувається згорання палива, що подається через головку. Відходячи димові гази нагрівають насадку регенератора, яка в свою чергу нагріває холодне повітря, що подається у піч. А реверсивний напрямок повітряних потоків, що створюється перекидними клапанами, забезпечує регенерацію тепла.

Надлишковий вміст кисню обумовлює в мартені окисну газову атмосферу, завдяки чому метал протягом плавки піддається прямому і непрямому впливу окислювального середовища. Після утворення шлакового шару на поверхні розплаву тепло передається металу через нього.

Технологія плавлення металу

Процес виплавки розділяється на кілька періодів. Але до початку плавки з математичною точністю розраховується кількісний і якісний склад шихти.

Плавлення

Найтриваліший період плавки. Його хімічні та фізичні процеси в мартені починаються з моменту завалення шихти і тривають понад три години в результаті прямого контакту заліза і домішок з киснем з атмосфери печі. Для забезпечення процесу плавки та випалювання надмірної кількості домішок (під час плавки відбувається максимальна десульфурація та знефосфорення) в робочому просторі забезпечують температуру, що перевищує температуру точки плавлення на 100...150°С, і подають кількість повітря вище розрахункового значення. До кінця плавлення теплове навантаження знижують до мінімально допустимого рівня, бо основна частина шихти розплавилася і знижується потреба в теплі. Метал переходить у рідкий стан і на поверхні розплаву утворюється активний шлак, через то, що його щільність менше щільності металу.

Окислення

Металева шихта має складний багатокомпонентний склад. Крім заліза в ній міститься вуглець (C), кремній (Si), сірка (S), марганець (Mn), фосфор (P) та інші компоненти, що впливають на властивості сталі. Й масова частка цих елементів вище необхідного рівня, щоб привести їх кількість до заданих параметрів, надлишок видаляють шляхом окислення.

Джерелом кисню виступають пічна атмосфера і складові шихти. Причому в першій половині періоду плавлення протікає інтенсивний процес дисоціації нагрітого до 910°С вапняку і відбувається реакція:

CaCO₃ → CaO + CO₂

Що виділився вуглекислий газ так само, як і кисень, взаємодіє з рідкої сталлю і бере участь в її окисленні. Оксиди домішок і флюси видаляються разом з продуктами горіння і переходять в шлак. З того моменту як шлаковий шар повністю покриває розплав, пряме окислення сталі припиняється.

Наступні процеси окислення вже протікають між рідким металом й покриваючим його шлаком, який продовжує піддаватися прямому окисленню в результаті контакту з киснем атмосфери печі та надходячих після додавання руди оксидів заліза. Новоутворений на поверхні шлаку закис заліза (FeO) взаємодіє з ним і утворює магнітний окисел заліза (Fe3O4). Він в свою чергу розподіляється по шлаку, який межує з розплавленим металом, і окисляє залізо знову у закис. А FeO у розплавленій сталі вже вступає в окислювальні реакції з домішками. У результаті хімічних реакцій і ряду взаємодій між компонентами окислені домішки переходять в шлак.

Інтенсивне окислення вуглецю відбувається в другому періоді розплавлення шихти, бо він володіє не такою великою швидкістю окислення як кремній, марганець і фосфор. У вигляді CO вуглець виступає на поверхні сталі бульбашками, де і згоряє.

Розкислення

Це останній і найбільш відповідальний етап плавки, бо він безпосередньо визначає якість отриманого металу.

До кінця плавки сталі в розплаві залишається ще значна кількість кисню. Він знаходиться у вигляді закису заліза і неметалевих включень, що сприяє погіршенню властивостей металу. Тому для його видалення виконують розкислення рідкої сталі. Погано розкислені сталі проявляють невисоку ударну в'язкість і схильність до холодноламкості та червоноламкості.

Розкислення проводять з використанням феросплавів (феромарганець, феросиліцій, силікомарганець й ін.), а також алюмінію, титану і кальцію. Ці елементи активно вступають у взаємодію з FeO і здатні виводити кисень як в газ пічної атмосфери, так і у вигляді оксидів в шлак. Ґрунтуючись на таких властивостях, розкислення сталі виконують у два прийоми: попереднє розкислення в ванні та фінішне – у ковші.

Витрата матеріалів в мартенівської печі

По суті плавка в мартені – переділ чавуну, сталевого лому і скрапу в сталь заданої марки. Забезпечити необхідні фізико-хімічні властивості можливо тільки при строгому дотриманні співвідношення всіх компонентів шихти, яка складається з декількох основних і допоміжних матеріалів.

Шихта для мартенівської плавки сталі

Особливості мартенівського процесу дозволяють використовувати рідкий і чушковий чавун.

Орієнтовний матеріальний баланс мартенівського процесу

Примітка: матеріальний баланс наведено для 500-т мартенівської печі. Джерело – М.Н. Сосненко, Мартенівське виробництво сталі, М: Металургія, 1974

Поряд з шихтовими матеріалами для мартенівського процесу велике значення має й паливо, яке забезпечує необхідні умови протікання фізико-хімічних процесів виплавки сталі. При цьому більшість мартенів опалюється газовою сумішшю з двох або трьох газів (природний, коксовий, доменний, генераторний), а рідке паливо у вигляді мазуту, смоляних масел або смоли використовується для утворення сильно світного факела полум'я.

Класифікація мартенівських процесів

Мартенівський процес виробництва сталі як й раніше використовується і за своєю природою є окислювальним, бо перетворення чавуну в сталь відбувається за рахунок зниження частки вуглецю та інших елементів у результаті окислення. Але поряд з окислювальною реакцією, в розплаві відбуваються і відновні процеси. Наприклад, марганець, кремній, хром та фосфор, окисли на початку плавки, можуть відновлюватися й переходити до металу.

Будівництво мартенів – високе мистецтво. У різні роки при їх створенні використовували матеріали, які за хімічною природою ставилися до кислих, напівкислих, нейтральних та основних вогнетривів. В основному це були цеглини кремнеземисті (динасові), алюмосилікатні кислі, шамотні та високоглиноземисті, а також магнезіальні (магнезитові, форстеритові) і хромисті (хромітові, магнезітохромітові), а форма їх була від простої прямокутної до складної багатокутної.

Облицювання печі також впливає на характер протікаючих у ній хімічних процесів. Залежно від виду вогнетривів і складу шлаків мартенівський процес поділяють на кислий і основний.

За характером шихтових матеріалів мартенівський процес ділиться на кілька різновидів:

• Скрап-процес. Технологія мартенівської плавки за скрап-процесом передбачає, що металева шихта у більшій частині складається з брухту. Так на частку скрапу може припадати 55...75%, а на частку чавуну – 25...45%. При цьому останній застосовується в твердому (чушковому) стані. Перевагою такого процесу є висока ефективність переробки вторинної сировини й можливості застосування на підприємствах неповного металургійного циклу.
• Скрап-рудний процес. Під час такого сталеплавильного процесу основну частину металевої маси шихти становить рідкий чавун, масова частка якого, як правило, досягає 55...80%. Відповідно застосування скрап-рудного процесу виправдано на металокомбінатах повного циклу, у складі яких є доменний переділ. Для окислення домішок при скрап-рудному процесі в шихту вводиться значна кількість багатої на залізо руди, що забезпечує підвищений вихід сталі.
• Рудний процес. В даному випадку 100% металевої шихти становить рідкий чавун. Використання такого методу виплавки виправдано в регіонах з низькою брухтозаготівельною базою.
• Скрап-вугільний (карбюраторний) процес. У даній технології металева частина повністю складається з сталевого брухту, а необхідний вуглець додають у вигляді вуглецевмісних матеріалів – графіту, вугілля, коксу. Такий метод не отримав широкого промислового застосування.

Актуальність у 21 столітті: плюси і мінуси

Незважаючи на те, що мартенівські печі як і раніше використовуються в окремих країнах, їх частка у світовому виробництві сталі з кожним роком неухильно знижується, поступаючись натиску більш сучасних технологій киснево-конвертерного й електросталеплавильного процесів. Настільки довге використання мартенівського методу при наявності більш прогресивних сталеплавильних агрегатів було обумовлено можливістю:

• широкого варіювання сировинних складових: застосування в якості шихти чавуну чушкового і розплавленого з підвищеним вмістом шкідливих домішок, сталевого брухту, стружки, окалини та інших металевих відходів виробництва;
• виплавки якісних вуглецевих й легованих сталей в одному агрегаті, без використання будь-яких додаткових установок вторинної доведення;
• використання доступного газового й мазутного палива.

При цьому мартенівський цех за функціонуванням та умовами праці відноситься до об'єктів підвищеної небезпеки, вимагає великої кількості енергоресурсів та застосування дорогих систем фільтрації й газоочищення для зниження екологічного навантаження. Тривалість плавки в мартенівській печі може досягати 9 годин у порівнянні з 40-60 хвилинами в конвертерах і дугових сталеплавильних агрегатах.

Таким чином, розвиток сталеплавильних технологій, все зростаючі вимоги до якісних показників сталевої продукції й жорсткі екологічні норми призвели до практично повного витіснення мартенівського процесу з чорної металургії. В даний час деякі міжнародні стандарти на металопродукцію вже не допускають використання мартенівського способу при виплавці сталі.

P.S.

У нашій країні на окремих підприємствах поки що збережено виробництво сталі в мартенівських печах. Однак планується остаточний перехід на виплавку сталей у кисневих конвертерах і електродугових печах, що дозволить Україні зробити галузь більш безпечною й екологічно чистою і при цьому не втратити досить високі позиції на світовому ринку.