Мартеновская печь, или где рождаются стальные болты

Со времен “царя Гороха” технологии переработки железный руды считались едва ли не главным мерилом развития цивилизации и, в целом, - состояния ее научно-технической мысли. Таким образом человечество переходило от простого кузнечного дела к сыродутным печам, а затем уже и к крупным сталеплавильным агрегатам. Так, в конце позапрошлого века появилась знаменитая мартеновская печь. Благодаря универсальности шихты и универсального топлива, она долгое время оставалась основным сталеплавильным агрегатом в мировой металлургии.

Кому именно принадлежит изобретение мартеновской печи - вопрос, мягко говоря, дискуссионный. С одной стороны, изобретение технологии регенеративной печи приписывают всем известному немецкому изобретателю  Сименсу. С другой стороны, именно французский металлург Мартен разработал конструкцию самой печи. И чтобы понять, откуда именно пошло название «мартеновская печь» в обиходе металлургов, откроем учебник истории Западной Европы XIX века. 

“Мартен” – печь пламенного типа с регенерацией тепла, вызванного собственными продуктами горения.  

В середине пятидесятых годов XIX  века талантливый немецкий изобретатель Карл Вильгельм Сименс разрабатывает принцип плавильной печи с симметричной конструкцией, где металл плавится за счет подачи нагретого воздуха и обеспечивается эффективная рекуперация тепла. В это же время французские владельцы металлургического завода Эмиль Мартен (отец) и Пьер Мартен (сын) также начинают активные научные изыскания в этом направлении. Купив у Сименса патент на его изобретение, Мартены берут за основу принцип регенерации тепловой энергии в подовой пламенной печи, где обеспечивается высокая температура плавления стали за счет нагрева не только воздуха, но и газа, подаваемого в печь. И уже в 1864 году на заводе во французском городе Серий была выполнена первая успешная выплавка стали. Удача воодушевила Мартена младшего и он оформляет на свое изобретение патент во Франции, а чуть позже в Англии. В результате  семейство Мартенов за свои достижения в области производства стали в 1867 году награждаются золотой медалью Всемирной выставки в Париже. А запатентованная печь для выплавки стали получает оглушительную рекламу и начинает активно использоваться практически по всему миру.   

“Мартены” могли иметь стационарные или качающиеся конструкции. Работали на жидком и газовом топливе. Охлаждались водяной или испарительной системой.

Очевидно, что мартеновская печь – это сложный в техническом исполнении агрегат. Структурно, печь можно разделить на горизонтальное плавильное отделение из огнеупорного кирпича в жестком стальном каркасе, колонн и облицовочных плит. Все основные процессы происходят в рабочем пространстве, где ведутся сжигание топлива и плавка стали. Ниже можно посмотреть схему классического исполнения “Мартена”.

Исходя из конструктивных особенностей и для большей прочности задняя стенка рабочего пространства обычно наклонена на  45-55 градусов. Она имеет отверстия для выпуска стали и шлака. И для того чтобы минимизировать потери тепла, их 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. Загрузочные окна использовались для загрузки шихты и заливки чугуна. Закрывают их стальными заслонками с центральным смотровым отверстием и футеровкой из кирпича.

Как уже отмечалось, принцип работы мартеновской печи основан на регенерации-отражении тепла. Поэтому перекрывающий ее рабочую зону свод - важный элемент конструкции. Он подвергается воздействию высоких и низких температур, термоударам факела, воздействию пыли шихты и брызг шлака. Для устранения всех этих неприятных нюансов чаще всего в “Мартенах” создавались арочные распорно-подвесные перекрытия. Их собирали из специальных кирпичей и подвешивали к металлоконструкциям печи на систему штырей и удлиненных стальных пластин.  

Воспламенение топлива в печи происходит в специальных головках, расположенных по торцам рабочего пространства. У “Мартена” две головки: одна подает факел пламени, другая отводит продукты горения. И обе они отвечают за смешивание топлива с подогретой струей воздуха, правильное и наиболее рациональное направление факела, отвод продуктов горения из рабочего пространства. Шлаковочные камеры - еще один важный элемент печи. В них собираются частички пыли и шлака, увлекаемые продуктами горения. “Шлаковики” расположены над вертикальными каналами и для более эффективного оседания “продуктов переработки” имеют широкое поперечное сечение. Конструкция шлаковочных камер адаптируется к основному виду топлива, но в любом случае их рабочий объем должен быть рассчитан на весь межремонтный период эксплуатации.

Регенератор - самый интересный элемент конструкции “Мартена”. Он конденсирует в себе тепловую энергию отходящих продуктов горения и передает ее газу или воздуху, направляемому в рабочее пространство.  

Процесс выплавления стали протекает на поду рабочего пространства отражательной печи за счет тепла от факела. Он  заключается в переработке чугуна и металлического лома, закладываемых в рабочее пространство печи. Большая 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. 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 обеспечивает регенерацию тепла. Избыточное содержание кислорода создает 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.

Процесс выплавления разделяется на несколько периодов. Но до начала с высокой математической точностью рассчитывается количественный и качественный состав шихты. Плавление - самый длительный период. Он начинается с завалки шихты и продолжаются более 3-х часов в результате прямого контакта железа и примесей с кислородом из атмосферы печи. Для обеспечения плавки и выжигания избыточного количества примесей в рабочем пространстве температура превышает температуру точки плавления на 100…150°С. 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 - следующий по счету процесс. Металлическая шихта имеет сложный многокомпонентный состав. Кроме железа в ней содержится углерод, кремний, сера, марганец, фосфор и другие компоненты. Их излишки удаляются как раз окислением.   Источником кислорода выступают печная атмосфера и составляющие шихты. Причем в первой половине периода плавления протекает интенсивный процесс диссоциации.  А последующие процессы окисления - уже между жидким металлом и покрывающим его шлаком, который продолжает подвергаться прямому окислению в результате контакта с кислородом печной атмосферы.

Раскисление - последний и наиболее ответственный этап плавления стали, так как он непосредственно определяет качество конечного продукта. Суть в том, что к концу этапа окисления в расплаве остается еще значительное количество кислорода, который надо убрать. Раскисление проводят с использованием ферросплавов, 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 и финишное. 

Строительство “Мартенов” – высокое искусство. В разные годы при их создании использовали материалы, которые по своей природе относились к кислым, полукислым, нейтральным и основным огнеупорам. В основном это были кирпичи разного рода.  

Несмотря на то, что мартеновские печи по-прежнему используются в отдельных странах, их доля в мировом производстве стали с каждым годом снижается, уступая натиску более современных и экологичных технологий. Например, таких как кислородно-конвертерного и электросталеплавильного процессов.  При этом не стоит забывать, что мартеновский цех по функционированию и условиям труда относится к объектам повышенной опасности, требует большого количества энергоресурсов и применения дорогих систем фильтрации. Длительность плавки в мартеновской печи может достигать 9 часов в сравнении с 40-60 минутами в конвертерах и дуговых сталеплавильных агрегатах. Первую в России мартеновскую печь построил инженер Александр Износков. Ее запустили весной 1870 года на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде. Затем “Мартены” установили Боткинский, Путиловский, Обуховский, Пермский и другие заводы. 23 марта 2018 года в нашей стране состоялась последняя выплавка стали в “Мартене” на Выксунском металлургическом заводе.