МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО

МАРТЕНОВСКОЕ ПРОИЗВОДСТВО. производство в мартеновских печах металлургич. или машиностроит. з-дов литой стали заданного хим. состава. Сталь получается путём окислит, плавки загруженных в печь железосодержащих материалов - чугуна, стального лома, жел. руды и флюсов в результате сложных физико-хим. процессов взаимодействия между металлом, шлаком и газовой средой печи. М. п. наряду с др. видами произ-ва стали (см. Кислородно-конвертерный процесс, Электросталеплавильное производство) - второе звено в общем производств, цикле чёрной металлургии, два др. осн. звена - выплавка чугуна в доменных печах и прокатка стальных слитков или заготовок.

Благодаря преимуществам, к-рыми мартеновский процесс отличался от др. способов массового получения стали (большая гибкость и возможность применять его при любых масштабах производства; менее строгие требования к исходным материалам; относит, простота контроля и управления ходом плавки; высокое качество и широкий ассортимент выплавляемой стали; сравнительно небольшая стоимость передела), в кон. 19 в. и 1-й пол. 20 в. он был осн. сталеплавильным процессом (в 1940-55 этим способом изготовлялось ок. 80% производимой в мире стали). Однако в связи с бурным развитием в 60-хгг. 20 в. кислородно-конвертерного произ-ва строительство мартеновских цехов практически прекратилось; относит, доля мартеновской стали непрерывно уменьшается. В 1970 в мартеновских печах выплавлено в мире ~ 240 млн. т стали (~ 40%), в СССР ~ 84 млн. т (~ 72%). М. п.- осн. потребитель стального лома (ок. 50% ).

Историческая справка. Идеи организации передела жел. лома и чугуна в сталь на поду пламенной печи высказывались неоднократно. Наибольший вклад в создание М. п. принадлежит Ф. Сименсу (Германия), предложившему в 1856 использовать принцип регенерации тепла отходящих газов для повышения темп-ры в рабочем пространстве плавильных печей, и П. Мартену (Франция), к-рому в 1864 удалось построить и ввести в эксплуатацию первую регенеративную отражат. печь для плавки литой стали. В России первая мартеновская печь ёмкостью 2,5 т была пущена А. А. Износковым на Сормовском з-де (ныне з-д "Красное Сормово" в Горьком) в 1870. Вначале мартеновские печи имели кислый под. Широкое распространение М. п. получило после создания печей с основным подом (в 1879-80 во Франции на з-дах Крёзо и Тернуар, в 1881 в России на Александровском з-де в Петербурге). В 1894 рус. металлурги бр. А. М. и Ю. М. Горяиновы разработали технологию мартеновской плавки на жидком чугуне и успешно применили её на Александровском з-де в Екатеринославе (ныне з-д им. Петровского в Днепропетровске). Во Франции, России и др. странах процесс получил назв. "мартеновского", в Германии - "сименс-марте-новского", в США - "Open hearth process" (т. е. процесс на открытом поду).

Для развития М. п. характерны 3 периода: в первом (до нач. 20 в.) плавку вели в печах небольшой ёмкости (до 70 т), к-рые отапливались генераторным газом, тяга была естественной (дымовая труба); второй период (1-я пол. 20 в.) характеризуется переходом на коксодоменный газ, принудит, подачей воздуха (вентиляторы), автоматизацией теплового режима печи, установкой котлов-утилизаторов, строительством печей ёмкостью 185- 250 т, затем 370-500 т; для начавшегося в 50-х гг. 20 в. третьего периода характерны интенсификация процесса кислородом, переход на топливо с высокой теплотой сгорания (гл. обр. природный газ), строительство новых цехов с агрегатами ёмкостью 600-900 т, создание печей нового типа. Наибольших масштабов М. п. достигло в СССР и США. В СССР работают (1974) крупнейшие в мире печи ёмкостью 900 т. Существенный вклад в развитие теории и практики М. п. внесли советские учёные-металлурги В. Е. Грум-Гржимайло, А. А. Байков, М. А. Павлов, М. М. Карнаухов, Н. Н. Доброхотов, В. И. Тыжнов, К. Г. Трубин и др.

Мартеновский процесс. Шихта мартеновских печей подразделяется на метал-лич. часть (чугун, стальной лом, раскислители и легирующие добавки) и неметаллическую (жел. руда, мартеновский агломерат, известняк, известь, боксит, плавиковый шпат). Чугун, применяемый либо в жидком состоянии, либо в виде чушек, служит осн. источником углерода, обеспечивающим нормальное протекание мартеновского процесса. Количество чугуна и стального лома в шихте может колебаться в любых соотношениях в зависимости от разновидности процесса, экономич. условий, выплавляемых марок сталей. В качестве раскислителей и легирующих добавок в М. п. используют ферросплавы и нек-рые чистые металлы (алюминий, никель). Жел. руда и мартеновский агломерат применяются в М. п. в качестве окислителей, а также в качестве флюса, способствующего ускоренному формированию активного шлака. В роли окислителя может использоваться также окалина. Известняк, известь, боксит, плавиковый шпат в мартеновском процессе служат для формирования шлака необходимого состава и консистенции, обеспечивающего протекание окислит, реакций, удаление вредных примесей и нагрев металла.

В мартеновском процессе (в отличие от конвертерных) тепла, выделяющегося в результате хим. реакций окисления примесей металлич. ванны, недостаточно для проведения плавки. Поэтому в печь дополнительно подаётся тепло, получаемое в результате сжигания топлива в рабочем пространстве. Топливом служат природный газ, мазут, коксовый и доменный газы. Для обеспечения полного сгорания топлива воздух на горение подаётся в количестве, несколько большем теоретически необходимого. Это создаёт избыток кислорода в продуктах сгорания, в к-рых присутствуют также газообразные окислы СО₂ и Н₂О, частично диссоциирующие при высокой темп-ре. В результате происходит окисление железа и др. элементов, содержащихся в шихте (для интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации окислит, процессов). FeO, Fe₂O₃, CaO, SiO₂, MnO, P₂O₅ и др. окислы вместе с постепенно разрушающимися огнеупорами кладки, флюсами и примесями, вносимыми шихтой, образуют шлак, покрывающий металл во все последующие периоды плавки. Шлак играет важную роль: связывает все примеси, к-рые надо удалить из шихты; передаёт кислород из атмосферы печи к жидкому металлу; передаёт тепло от факела к металлу; защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере печи, и от чрезмерного окисления железа. В различные периоды плавки шлак должен иметь нужный хим. состав, необходимую жидкоподвижность и находиться в печи в определ. количестве.

В мартеновской плавке различаются обычно следующие периоды: заправка печи, завалка и прогрев шихты, заливка жидкого или завалка твёрдого чугуна, плавление, кипение, раскисление и легирование, выпуск. Заправка печи преследует цель поддержания в рабочем состоянии всех элементов кладки плавильного пространства. Для этого в момент выпуска плавки на подину и стенки по мере их освобождения от шлака заправочной машиной забрасывают огнеупорные материалы (дроблёный обожжённый доломит, магнезитовый порошок и др.). После выпуска из печи металла и шлака подину тщательно осматривают и, если нужно, исправляют замеченные неровности (бугры, ямы). Завалка шихты осуществляется завалочной машиной. Все твёрдые шихтовые материалы подаются к печи в спец. коробах - мульдах (ёмкостью до 3,3 м³). Продолжительность завалки в зависимости от ёмкости печи колеблется от 1 до 3 ч. Для дополнит, подогрева всего стального лома перед заливкой в печь чугуна производится прогрев шихты, продолжительность к-рого может достигать 1,5 ч. Заливка чугуна длится 20-60 мин. Период плавления начинается сразу после окончания заливки чугуна и продолжается 1-5 ч. В печь в этот период подаётся макс, количество топлива, ванна продувается кислородом. В процессе заливки чугуна и в первый момент плавления происходит интенсивное образование шлака, поскольку весь кремний и часть марганца, содержащиеся в чугуне, окисляются (в шлак частично переходят и окислы железа). Толстый слой образовавшегося шлака затрудняет передачу тепла от факела к металлу. В связи с этим в первой половине плавления удаляют из печи (путём спуска в шлаковые чаши) нек-рое количество шлака. В период плавления обеспечивается удаление из металла также осн. массы фосфора. Хим. состав металлич. ванны в момент полного расплавления заметно отличается от состава, к-рый сталь должна иметь перед выпуском плавки; темп-ра металла относительно невысока. Поэтому гл. назначение следующих периодов плавки, называемых доводкой, состоит в том, чтобы обеспечить необходимый нагрев металла, доведение его до заданного хим. состава. В связи с этим период кипения - наиболее ответств. период мартеновской плавки. Гл. реакцией этого периода является реакция окисления растворённого в жидком металле углерода. Образующиеся в результате этой реакции пузырьки окиси углерода вырываются на поверхность металла, пробивают слой шлака и, выходя на его поверхность, создают впечатление кипения ванны. Скорость окисления углерода в этот период можно регулировать либо добавками жел. руды и др. флюсов, либо продувкой ванны кислородом и сжатым воздухом. Состав шлака, обеспечивающий оптимальный нагрев металла и удаление из него нежелат. примесей (в частности серы), регулируется добавками извести, руды и др. флюсующих материалов. Выделяющиеся пузырьки окиси углерода играют важную роль в мартеновском процессе. Перемешивая ниж. слои металла (менее нагретые) с верхними (более нагретыми), они ускоряют процесс нагрева всего объёма металла. Кроме того, они захватывают по пути вверх нек-рое количество др. газов и неметаллич. частиц, присутствие к-рых в готовой стали ухудшает её качество. Период кипения иногда условно разделяют на 2 части - период рудного кипения, когда в печь вводят добавки руды (кислород), извести, флюсов, и период чистого кипения, когда окисление растворённого в металле углерода продолжается без к.-л. добавок, за счёт растворённого в шлаке и металле кислорода. В период чистого кипения происходит окончат, доведение металла до требуемых темп-ры и хим. состава. Продолжительность чистого кипения строго регламентируется в зависимости от выплавляемой марки стали. Начиная с момента полного расплавления ванны и до конца периода кипения осуществляется контроль состава металла и шлака, а также контроль темп-ры металла. Общая продолжительность периода кипения 1-2,5 ч. Раскисление и легирование - завершающий период плавки, осн. назначение к-рого состоит в снижении содержания кислорода в металле и доведении состава металла до заданного по содержанию всех элементов, включая легирующие. Раскисляющие и легирующие добавки в зависимости от выплавляемой марки стали вводят или в печь, или в сталеплавильный ковш во время выпуска металла. Для выпуска металла из печи со стороны задней стенки пробивают или прожигают струёй газообразного кислорода сталевыпускное отверстие; металл по жёлобу стекает в установленный под ним сталеразливочный ковш (на больших печах плавку выпускают в 2 или 3 ковша). Общая продолжительность выпуска до 20 мин. После выпуска плавки и необходимого осмотра отверстие вновь заделывают огнеупорными материалами. Из ковша металл разливают в изложницы или на установках непрерывной разливки стали. Для повышения качества мартеновской стали определённое распространение получил разработанный в СССР метод обработки металла в ковше (при выпуске из печи) синтетич. шлаками, приготовленными в спец. плавильном агрегате.

Разновидности мартеновского процесса. В зависимости от состава огнеупорных материалов, из к-рых изготовлена подина печи, мартеновский процесс бывает двух типов: основной (в составе огнеупоров подины преобладают основные окислы - CaO, MgO) и кислый (подина состоит из SiO₂). Шлак основного процесса состоит преим. из основных окислов, а кислого - из кислых. В зависимости от состава шихты (точнее, от соотношения чугуна и лома в шихте) мартеновский процесс подразделяют на неск. технологич. вариантов. При карбюраторно м (скрап-угольном) процессе металлич. часть шихты состоит практически только из стального лома (скрапа), а требующееся количество углерода вводится в шихту углеродсодержащими материалами (карбюраторами): антрацитом, коксом, графитом, кам. углём и т. п. Карбюраторный процесс получил очень небольшое распространение. Скраппроцесс характеризуется тем, что шихта состоит в основном из скрапа. Расход чугуна при этом зависит от необходимого для проведения периода кипения содержания углерода в расплавленном металле и колеблется от 20 до 45%. Скрап-процесс обычно применяется на з-дах, не имеющих доменных печей, а также в мартеновских цехах машино-строит. з-дов. Наиболее широко распространён скрап-рудный процесс, получивший своё назв. от того, что твёрдая часть шихты состоит в основном из скрапа и руды; для процесса характер но повыш. количество чугуна (50- 80% от массы металлич. части шихты), заливаемого в печь в жидком виде. Скрап-рудный процесс применяется в мартеновских цехах заводов, имеющих доменные печи. В связи с повыш. содержанием чугуна в шихте в ванну вносится много примесей (углерод, марганец, кремний, фосфор, сера), на окисление к-рых требуется повыш. количество кислорода (газообразного и в виде окислов руды). Рудный процесс получил своё назв. от того, что твёрдая часть шихты состоит в основном из жел. руды; металлич. часть шихты состоит только из жидкого чугуна. Широкого применения рудный процесс не получил.

Более 95% мартеновской стали выплавляется основным процессом (скрап-процессом и скрап-рудным). Кислый мартеновский процесс значительно меньше распространён, чем основной, в связи с тем, что при нём затруднено удаление из металла серы и фосфора и поэтому требуются более чистые (и, следовательно, более дорогие) шихтовые материалы; плавка при кислом процессе длится дольше, чем при основном. Однако особенности взаимодействия металла с кислой футеровкой подины печи и с кислым шлаком, газопроницаемость к-рого меньше, чем основного, а также использование чистых шихтовых материалов позволяют получать при кислом процессе сталь высокого качества, чистую от вредных примесей и характеризующуюся очень малой анизотропностью свойств вдоль и поперёк направления последующей обработки давлением. В связи с этим кислая мартеновская сталь широко используется для произ-ва роторов турбин, крупных коленчатых валов, стволов арт. орудий и др. изделий, к-рые должны иметь высокую механич. прочность вдоль и поперёк волокна.

Мартеновский цех. По способу подачи шихтовых материалов различают цехи с рельсовой подачей шихты и цехи с крановой подачей шихты. Основная масса мартеновской стали производится в цехах с рельсовой подачей шихты. В состав современного мартеновского цеха входят следующие отделения: шихтовый двор, миксерное отделение, гл. здание, отделение раздевания слитков, отделение подготовки изложниц. Шихтовый двор служит для приёмки и хранения поступающих в мартеновский цех твёрдых шихтовых и заправочных материалов. Для разгрузки и погрузки материалов на шихтовых дворах установлены мостовые магнитные и грейферные краны. К печам шихта передаётся в мульдах, устанавливаемых на ж.-д. тележках. В миксерном отделении, к-рое, как правило, примыкает с торца к гл. зданию мартеновского цеха, устанавливаются один или два миксера, предназначенных для хранения жидкого чугуна, поступающего из доменного цеха. К мартеновским печам чугун из миксера подаётся по ж.-д. пути в чугуновозных ковшах. На з-дах, где нет миксерного отделения, чугун из доменного цеха поступает к мартеновским печам в ковшах миксерного типа. Главное здание цеха (см. рис.) состоит из шихтового открылка, печного и разливочного пролётов. Шихтовый открылок, расположенный на уровне пола рабочей площадки печей, примыкает к печному пролёту и служит для подачи шихтовых материалов к печам. В печном пролёте размещаются мартеновские печи и пульты управления ими. Печи располагаются в одну линию вдоль центр, колонн гл. здания; со стороны шихтового открылка размещаются пульты управления. Рабочая площадка печного пролёта устраивается на уровне 6-7 м от заводского пола. На рабочей площадке обычно проложены 3 ж.-д. пути: для подачи к печам мульдовых составов с шихтой, для передвижения напольной завалочной машины, для подачи к печам чугуновозных ковшей с жидким чугуном из миксерного отделения. Для заливки чугуна в печи в пролёте имеются мостовые заливочные краны. Разливочный пролёт примыкает непосредственно к печному. Его гл. назначение - приёмка стали из печей, разливка её по изложницам или на установках непрерывной разливки и уборка технологич. шлака. С одной стороны разливочного пролёта располагаются мартеновские печи, с другой - вдоль стен находятся разливочные площадки (в случае разливки стали по изложницам). Обычно в разливочном пролёте проложено неск. ж.-д. путей: для составов с изложницами, для обслуживания операций по уборке шлака и мусора и т. п. В разливочном пролёте имеются также стенды для сталеразливочных ковшей, стенды для шлаковых чаш, сушилки для стопоров, ямы для ремонта ковшей. В пролёте установлены мостовые разливочные краны (для разливки стали) и консольно-поворотные краны (для обслуживания разливки и сталевыпускных желобов). Отделение раздевания слитков (т. н. стрипперное отделение) располагается, как правило, в самостоят, здании около отделения нагреват. колодцев блюминга или слябинга. Здесь слитки извлекаются из изложниц (см. Стрипперование слитков). Отделение подготовки изложниц (двор изложниц) предназначено для сборки составов с изложницами под разливку стали; обычно располагается недалеко от разливочного пролёта. В отделении подготовки изложниц проложено неск. ж.-д. путей, имеются участки подготовки новых прибыльных надставок, сушила для их сушки, горелки для подогрева изложниц, стеллажи для наборки центровых и печи для их сушки. В отделении установлено неск. мостовых кранов.

Мартеновский цех (поперечный разрез): 1 - шихтовый открылок; 2 - железно-дорожный_состав с мульдами; 3 - печной пролёт; 4 - напольная завалочная машина; 5 - чугуновозный ковш; 6 - мостовой заливочный кран; 7 - разливочный пролёт; 8 - мостовой разливочный кран; 9 - сталеразливочный ковш; 10 - разливочная площадка; 11 - изложницы на железнодорожных тележках; 12 - шлаковые ковши.

Производительность совр. мартеновских цехов металлургия, з-дов 250- 3000 тыс. т слитков в год.

Лит.: Грум-Гржимайло В. Е., Пламенные печи, 2 изд., ч. 1 - 5, Л. - М., 1932; его же, Производство стали, 3 изд., М.- Л., 1933; Павлов М. А., Определение размеров доменных и мартеновских печей, 2 изд., М.-Л., 1932; Карнаухов М. М., Металлургия стали, 2 изд., ч. 2 - 3, Л. - М. - Свердловск, 1934; Бюэлл В., Мартеновская печь. Проектирование, сооружение, эксплуатация, пер. с англ., 2 изд., М., 1945; Производство стали в основной мартеновской печи, пер. с англ., 2 изд., М., 1959; М о р о з о в А. Н., Современный мартеновский процесс, Свердловск, 1961; Металлургия стали. Мартеновский процесс. Конструкции и оборудование мартеновских печей и цехов, М., 1961; Я в о й с к и й В. И., Теория процессов производства стали, 2 изд., М., 1967; Т р у б и н К. Г., Ой к с Г. Н., Металлургия стали. Мартеновский процесс, 4 изд., М., 1970; Веселков Н. Г., Модернизация мартеновских печей, М., 1970; Металлургия стали, под ред. В. И. Явойского и Г. Н. Ойкса, М., 1973. И. Б. Поляк.