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)
В мартеновской плавке различаются обычно
Разновидности мартеновского процесса. В
Более 95% мартеновской стали выплавляется
Мартеновский цех. По способу подачи шихтовых
Производительность совр. мартеновских цехов
Лит.: Грум-Гржимайло В. Е., Пламенные
А
Б
В
Г
Д
Е
Ё
Ж
З
И
Й
К
Л
М
Н
О
П
Р
С
Т
У
Ф
Х
Ц
Ч
Ш
Щ
Ъ
Ы
Ь
Э
Ю
Я
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 СО
интенсификации горения топлива часть подаваемого в печь воздуха может заменяться
кислородом; газообразный кислород подаётся также в ванну для интенсификации
окислит, процессов). FeO, Fe
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.
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.
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 SiO
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.
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.
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.
металлургия, з-дов 250- 3000 тыс. т слитков в год.
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.