Как устроена мартеновская печь? инфографика

Содержание

Мартеновское и немартеновское производство стали
Упоминания в популярной культуре
Плюсы и минусы
История
Особенности выплавки стали в Мартеновской печи
Производство стали в мартеновских печах – Справочник металлиста
Принцип работы мартеновской печи
Производство стали в мартеновских печах — Справочник металлиста
Технология

Мартеновское и немартеновское производство стали

Человек для обеспечения своих потребностей использует самые различные материалы. И к их числу, несомненно, принадлежат металлы. Ведь сейчас практически невозможно найти такую область жизнедеятельности человека, в которой они отсутствовали. А делятся металлы на несколько основных групп: цветные, благородные и черные.

Группа черных металлов включает в себя хром, марганец и, конечно же, железо с его многочисленными сплавами. И именно сплавы железа являются основой современной техники. И хотя сейчас появляются новые керамические и полимерные материалы, им еще не скоро удастся заменить старую добрую сталь и чугун.

Сталью называют сплав железа с углеродом, и содержание углерода в этом сплаве не должно превышать 2,14%. Если его содержание выше этой цифры, то этот сплав уже является чугуном. Получают сталь из чугуна или из металлолома в различных сталеплавильных печах на предприятиях металлургии. И одним из самых старых и уже устаревших процессов является производство стали в мартеновских печах. Его принцип состоит в том, что чугун и металлический лом перерабатывают в отражательной печи. Чтобы расплавить твердые шихтовые материалы и нагреть сталь до необходимой температуры, а также компенсировать значительные тепловые потери, требуется дополнительное тепло. Его получают путем сжигания топлива в струе очень сильно нагретого воздуха.

Чтобы процесс сгорания топлива давал максимальный эффект и на производство стали затрачивалось меньше энергии, нужно, чтобы это топливо сгорало именно в рабочем пространстве. Для этого воздух в печь подается в большем, чем необходимо, количестве. Это соответственно создает в ее атмосфере переизбыток кислорода. Также в этой атмосфере присутствует кислород, который образовался в результате разложения воды и углекислого газа при высоких температурах. Таким образом, в рабочем пространстве печи образуется переизбыток кислорода, который способствует окислению железа и других элементов шихты. В результате этого окисления образуется много оксидов различных металлов. Они вместе с примесями и частицами разрушающейся футеровки образуют шлак. Этот шлак легче стали, и он покрывает ее во время плавки. Поэтому производство стали мартеновским способом постепенно заменяется новыми технологиями.

В особенности это касается тех марок сталей, которые содержат много компонентов. Их процентное содержание нужно выдерживать очень строго. К таким сталям относится и всем известная нержавейка. И производство нержавеющей стали — это достаточно сложная задача, решить которую мартеновским методом очень трудно. При этом углерода в нержавейке содержится очень мало, и это еще более усложняет задачу. И для выплавки нержавейки и других подобных марок часто используют электродуговые печи. Они могут иметь различную мощность и емкость. Источником тепла в такой печи служит электрическая дуга. Она возникает между электродами и шихтой или жидким металлом, после того как на них подается ток необходимой силы.

Дуга эта является потоком электронов, паров металла, шлака и ионизированных газов. Ее температура превышает отметку в 3000 градусов. Она может возникать как от приложения постоянного, так и переменного тока. Но в электродуговых печах используется только переменный ток. Поначалу, пока металл в печи хорошо не прогрелся, дуга в ней при смене полярности на электродах гаснет. Но потом, когда шихта полностью расплавится и ванна покроется ровным слоем шлака, дуга эта стабилизируется и начинает гореть ровно. Далее производство стали в такой печи протекает без осложнений.

Для плавки металлов используют также и индукционные печи. Принцип их действия такой: переменное магнитное поле возбуждает в металле электрический ток, при этом выделяется тепло, которое используется для переплавки этого металла. А источником магнитного поля в такой печи является индуктор. Поизводство стали в индукционной печи имеет несколько преимуществ по сравнению с электродуговой печью. Во-первых, в ней есть возможность для более точной регулировки температуры плавки, и она дает более высокий КПД. А во-вторых, отсутствие электрических дуг и электродов в такой печи дает возможность получать в ней низкоуглеродистые стали

Плавка в индукционной печи дает такжне и низкий угар легирующих элементов, что очень важно при выплавке сложной легированной стали

Упоминания в популярной культуре

Дни и ночи у мартеновских печей Не смыкала наша Родина очей

Работе сталеваров-мартеновцев посвящён роман В. Ф. Попова «Сталь и шлак» (1948), посвящённый трудовому и патриотическому подвигу донецких металлургов в годы Великой Отечественной войны, получивший Сталинскую премию второй степени (1949), а также роман-продолжение «Закипела сталь» (1955).
В одном из самых популярных кинофильмов 1950-х годов в кинопрокате СССР «Весна на Заречной улице» один из главных героев фильма — сталевар-мартеновец, ударник труда Александр Савченко (артист Николай Рыбников). В кадрах фильма показана работа мартеновского цеха и мартеновские печи. А в ставшей всенародно любимой популярной песне из фильма есть такие строки:

Когда на улице Заречной В домах погашены огни, Горят мартеновские печи, И день и ночь горят они.

Фрагмент песни «Рабочий Квартал» (музыка и слова Юрия Шевчука):

В рабочем квартале жгут светлые дали В мартеновских лютых печах. Как небо титаны державу держали И носят её на плечах.

Стихотворение Владимира Маяковского «Рассказ Хренова о Кузнецкстрое и о людях Кузнецка»:

Здесь встанут стройки стенами. Гудками, пар, сипи. Мы в сотню солнц мартенами Воспламеним Сибирь.

Фрагмент песни «Уткина Заводь (песня)» (музыка и слова Бориса Гребенщикова)

Ты проходила мимо цеха, там взорвался мартен, Таких штучек не может даже сам Бин Ладен.

Плюсы и минусы

Основными достоинствами печей мартеновского типа являются:

Хорошее качество продукции.
Возможность осуществлять контроль качества выплавляемого металла в процессе работы установки.
Простота управления и обслуживания.
Низкие требования к качеству исходного сырья.
Способность переплавлять металлолом.
Возможность применения присадок и добавок, улучшающих качество стали.

Но отрицательных моментов у мартеновских печей больше, они следующие:

Низкая экономичность;
Высокое количество отходов металла;
Сложность и дороговизна ремонтных работ;
Невозможность получить сталь высокого качества;
Долгое время плавки металла;
Большой расход футеровочных материалов при строительстве и ремонте;
Недопустимо высокое количество вредных веществ, выбрасываемых в атмосферу;
Вредные и опасные условия труда у рабочих;
Малая производительность труда.

История

Регенератор

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. Первая плавка была осуществлена Мартеном на одном из французских заводов 8 апреля 1864 года. Мартеновский способ стал широко применяться в металлургии в последней четверти XIX века, а в начале XX века в мартеновских печах выплавляли половину общего мирового производства стали.

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.

Музей Обуховского завода. 1938 год. Слиток отлит из основной мартеновской стали

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 практически вытеснен гораздо более эффективным (около 63 % мирового производства), а также электроплавкой (более 30 %). По результатам 2008 года на мартеновский способ производства приходится не более 2,2 % мировой выплавки стали. Наибольший удельный вес выплавки стали мартеновским способом в мире по результатам 2008 года наблюдался на Украине.

В 2018 году была закрыта последняя крупная мартеновская печь в России. После этого данный способ производства стали сохранился только на Украине.

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 подины, 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[источник не указан 835 дней].

Особенности выплавки стали в Мартеновской печи

Процесс получения стали из чугуна, металлолома и различных добавок выполняется в четыре этапа:

периода плавления, начинающегося сразу же после загрузки в печь необходимого сырья. На этой стадии температура нагрева металла должна быть максимальной, что позволяет избежать растворения в сплаве газов и лишнего окисления;
периода кипения, характеризующегося окислением углерода благодаря наличию в сплаве оксида железа. Процесс продолжается до 2–3 часов. И останавливается, когда показатель содержания углерода в стали не достигнет требуемого значения;
периода раскисления, в течение которого в рабочую зону загружаются раскислители для снижения концентрации кислорода;
разливки готовой стали в ковши.

Использование кислорода в процессе плавления стали позволяет повысить эффективность процесса на 20–25%. Кроме того, чем больше размер печи, тем выше её КПД.

Производство стали в мартеновских печах – Справочник металлиста

По конструкции мартеновские печи делятся на:

стационарные;
качающиеся.

Стационарные печи получили наибольшее распространение.

Качающиеся печи преимущественно распространены в литейных цехах машиностроительных заводов, когда необходимо выпускать металл отдельными порциями или скачивать большое количество шлака.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна (55 – 75%), скрапа и железной руды. Процесс применяют на металлургических заводах, имеющих доменные печи;
скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома и чушкового передельного чугуна (25 – 45%). Процесс применяют на заводах, где нет доменных печей, но расположенных в промышленных центрах, где много металлолома.

Что такое мартеновская печь?

Печь мартеновского типа – это особая металлургическая установка, в которой из лома железа и чугуна получается сталь.

С помощью конвективных потоков раскаленной газовоздушной смеси происходит сам процесс нагревания, а также дальнейшего плавления материала.

Ниже представлено фото мартеновской печи и сталевара, обслуживающего ее, а также контролирующего процесс выплавки металла:

Фото 1

Фото 2

Фото 3

История появления

Изобрел мартеновскую печь французский металлургический инженер Пьер Эмиль Мартен в 1864 году. С того времени – это официальная дата изобретения мартеновской печи.

Во второй половине XIX века мартеновские установки стали настоящим прорывом в сталелитейном производстве.

В России первые мартены появились в 1870 году на Сормовском заводе под Нижним Новгородом. В их создании принимал активное участие инженер А. Износков.

Благодаря интенсивному развитию промышленности в СССР, в 30-ые годы XX века, к началу Великой Отечественной войны этот комбинат стабильно обеспечивал советскую армию запасными деталями, частями корпусов из стали и чугуна для военной техники.

Устройство

Основными элементами, представляющими устройство мартеновской печи, являются:

Корпус, состоящий из передней и задней стенок, а также ее свода.
Головки, оснащенные каналами, расположенными вертикально. Через них происходит газовый обмен рабочей камеры с внешней средой, а также подается топливо.
Шлаковики воздушного и газового типа, в них происходит сбор и накопление крупнофракционной плавильной пыли.
Регенераторы, которые обеспечивают стабильную температуру подаваемого газа и воздуха, за счет тепловой энергии, выходящей из рабочей камеры.
Труба для отвода дыма и газов.
Котел-утилизатор.
Реверсивно-регулирующие клапаны, их функция состоит в выведении продуктов сгорания, а также в правильной подаче газового топлива и воздуха в камеру.

Ниже приведены типовые схемы мартеновских печей:

Принцип работы

Мартеновская печь – это пламенный отражающий механизм, который действует по принципу регенерации металла. В рабочем пространстве происходит сжигание природного газа или мазута.

Температура в мартеновской печи может достигать 18000 градусов Цельсия. Такой высокий уровень температуры поддерживается с помощью регенерации тепловой энергии печных газов.

Описание принципа работы:

Подогретый до 1200 – 1250 градусов газ, попадает в рабочую камеру, где происходит процесс его смешивания с топливом. Возникающий факел направляется на закладку шихты и происходит выплавление металла из нее.
В свою очередь, отработанные газы, в смеси с шихтовой пылью, удаляются через дымоход в атмосферу, подвергаясь фильтрации в регенераторе. По завершении цикла, с помощью клапанов происходит переключение регенераторов и вертикальных головок. Процесс повторяется в зеркальном отображении, благодаря симметричной конструкции мартена.
Процесс получения стали в такой установке длится несколько часов. Во время работы сталевар осуществляет контрольную выемку расплава специальным приспособлением, после чего направляет ее в цеховую лабораторию для определения процентного соотношения металла и примесей, таких как марганец, фосфор, сера и прочих.
По результатам такого анализа, в рабочую камеру добавляются специальные присадки, улучшающие качество стали. В конце процесса производится процедура удаления кислорода из расплава с помощью раскислителей, ими являются ферромарганец, алюминий и ферросилиций.

Принцип работы мартеновской печи

Принцип работы мартеновской печи основан на любопытном свойстве сплавов, называемых эвтектическими или просто эвтектиками.

Иногда эвтектики называют твердыми растворами, но это неверно. В растворе вещества смешиваются на молекулярном или субмолекулярном (кластерном) уровне, а микроструктура эвтектик хорошо видна под обычным оптическим микроскопом.

Эвтектики широко используются в промышленности и в быту: латунь, бронза, свинцово-оловянные припои это эвтектические сплавы 2-х и более металлов.

Чугун и простая конструкционная сталь представляют собой эвтектики железа и углерода, а легированная сталь – сложную эвтектику их же с легирующими присадками.

В зависимости от состава шихты, используемой при плавке, различают разновидности мартеновского процесса:

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 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.

Мартеновские печи бывают двух типов — стационарные и качающиеся.

Большинство печей стационарные.

Качающиеся обычно применяются для переработки фосфористых чугунов, так как при этом требуется несколько раз«скачивать» богатый фосфором шлак, что легче осуществлять на качающихся печах. Они могут отапливаться жидким (мазутом) или газообразным (природный, смешанный, генераторный газ) топливом.

Смешанный газ(коксовый и доменный) и генераторный газ, обладающие недостаточной теплотой сгорания, перед поступлением в рабочее пространство подогреваются в регенераторах примерно до 1150 градусов.

Природный газ и мазут используются без подогрева.

Кислород, служащий для интенсификации горения топлива, вводится через фурмы, помещенные в головках печи, а подаваемый для продувки ванны — через фурмы, опускаемые в отверстия в своде.

Некоторое количество топлива может поступать вместе с кислородом в рабочее пространство печи с помощью топливо-кислородных горелок, также опускаемых через свод.

Печи, отапливаемые низкокалорийными видами газообразного топлива, имеют две пары шлаковиков и две пары регенераторов (для подогрева газа и подогрева воздуха), располагаемых попарно соответственно под каждой головкой печи; отапливаемые мазутом или природным газом имеют под каждой головкой по одному шлаковику и одному регенератору — только для подогрева воздуха.

Несмотря на наличие регенераторов, отходящие газы перед дымовой трубой имеют температуру 400-800 градусов.

Для утилизации этого тепла за печью устанавливают котлы-утилизаторы. Печи оборудованы контрольно-измерительной аппаратурой, позволяющей не только контролировать их работу, но и автоматически поддерживать заданный тепловой режим в различные периоды плавки.