Мартеновская печь, ее история и современная реальность
Мартеновские печи – это настоящий символ подъема промышленности в России (СССР) середины XX века. Недаром им посвящены песни, про рабочих-металлургов и сталеваров сняты художественные фильмы. В этой статье будет представлена история создания таких устройств, их прошлое и настоящее.
Что такое мартеновская печь?
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:
История появления
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:
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:
Виды и разновидности мартеновских плавок
Производство стали в мартеновских печах можно разделить на два основных способа – скрап-рудный процесс и скрап-процесс.
Существует основная и кислая футеровка:
Отличие от доменной печи
Отличие доменной печи и мартеновской печи состоит в способе закладке шихты, а также в методах отвода и подачи газов в рабочее пространство установок.
Доменные агрегаты могут быть электрическими, в то время как мартены работают только на газу или жидком топливе. Печь мартеновского типа состоит из нескольких рабочих камер, а домна – это один большой резервуар шахтного типа.
Доменная печь, мартеновская печь – отличия их состоят и в атмосфере внутри камер. Домны способны работать с нейтральными или восстановительными атмосферами при различных режимах давления.
Это повышает производительность, а также количество выплавляемого металла на единицу объема шихты. Так, в отходах доменного производства содержится в 10 раз меньше остаточного железа, чем в шихте, оставшейся после мартенов.
Плюсы и минусы
Основными достоинствами печей мартеновского типа являются:
Но отрицательных моментов у мартеновских печей больше, они следующие:
Используются ли эти печи сейчас?
Сейчас подобные агрегаты практически не применяются. Несколько заводов, использующих производство стали в печах, по типу мартеновских, еще функционируют в Китае, Украине, Индии и странах «третьего мира».
По степени загрязнения окружающего воздуха промышленными выбросами и аэрозолями, эти печки занимают одно из первых мест. Именно поэтому, с начала XXI почти все мировые производители металла отказались от подобных устройств в пользу современных сталеплавильных агрегатов.
Что сейчас используют вместо мартеновских печей?
Шестидесятые года XX века ознаменовались изобретением новых прогрессивных методов получения качественной стали, таких как электрическая выплавка и кислородно-конвертерный способ.
Получение стали в мартеновских печах постепенно прекращалось. Перестали строиться новые установки, последняя печь данного вида была построена в 1970 году.
Физический износ мартеновских установок постепенно сводит подобное производство металла к нулю, во всем мире на сегодняшний день таким способом выплавляется всего 2% от общего объема изготавливаемой стали. На смену мартенам пришли:
Вывод
Прошло уже более 150 лет с того момента, в каком году была создана мартеновская печь. Технологии плавления металла сильно шагнули вперед, были разработаны новые экономичные и экологически безопасные виды плавки стали. Однако, именно изобретение мартенов дало мощный толчок к росту промышленности.
Благодаря таким печкам, увеличение промышленного производства в XX веке достигло небывалых темпов. Сейчас выплавка стали в мартеновских печах в мире практически прекращена, но этот агрегат навсегда останется символом стремительного развития машиностроения и металлургии в умах многих поколений.
Принцип и технология плавления в мартеновской печи
Представляю вашему вниманию статью о мартеновской печи и принципе её работы. Каждый стремится узнать что-то новое и полезное, то что интересно, познавательно и может расширить наш кругозор. Поэтому рассмотрим процесс и технологию производства стали в мартеновской печи более детально.
Устройство мартеновской печи
Мартеновская печь по устройству и принципу работы является пламенной отражательной регенеративной печью. В плавильном пространстве сжигается газообразное топливо или мазут. Высокая температура для получения стали в расплавленном состоянии обеспечивается регенерацией тепла печных газов.
Современная мартеновская печь представляет собой вытянутую в горизонтальном направлении камеру, сложенную из огнеупорного кирпича.
Рабочее плавильное пространство ограничено снизу подиной, сверху сводом, а с боков передней и задней стенками. Подина имеет форму ванны с откосами по направлению к стенкам печи. В передней стенке имеются загрузочные окна для подачи шихты и флюса, а в задней – отверстие для выпуска готовой стали.
Для подогрева воздуха и газа при работе на низкокалорийном газе печь имеет два регенератора.
Регенератор – камера, в которой размещена насадка – огнеупорный кирпич, выложенный в клетку, предназначен для нагрева воздуха и газов.
В конструкции печи выделяют две основные части:
Мартеновский способ выплавки стали в свое время позволил из доступного сырья получать конструкционную и спецсталь как на больших, так и на малых металлургических предприятиях.
Мартеновская печь относится к типу отражательных печей.
Ванна, где идет плавка, выложена огнеупорным кирпичом. Над ванной — сферический свод. Продукты горения топлива, а вместе с ними и тепло отражаются от свода и направляются в ванну, где и расплавляют металл. Такая конструкция обеспечивает равномерное распределение тепла по всей площади ванны.
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:
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.
Технология плавления в мартеновской печи
Периоды процесса получения стали в мартеновской печи длятся от пяти до восьми часов (при скоростном сталеварении — до 4,5—5,5 часа) и состоят из этапов:
Плавление начинается ещё до окончания загрузки печи. Плавление стараются проводить при максимальной температуре, чтобы препятствовать растворению в металле газов и не допустить излишнего окисления. В этот период интенсивно окисляются кремний, марганец, железо, фосфор, образуется большое количество закиси железа.
Во время плавления в результате реакций окисления примесей формируется шлак. К моменту полного расплавления всей шихты отбирается проба металла на химический анализ.
После спуска первичного шлака и наводки нового с помощью извести в металле достигается нужное содержание фосфора. Если его содержание превышает допустимое, то операция спуска и наводки нового шлака повторяется несколько раз.
Кипение и окисление.
Период кипения предназначен для доведения состава металла (главным образом по содержанию углерода) до требуемого и нагрева металла до температур, обеспечивающих дальнейшую разливку.
Главной реакцией этого периода является реакция окисления углерода. Образующаяся окись углерода в виде газовых пузырей всплывает через толщу металла, проходит шлак и удаляется в атмосферу печи.
Процесс выделения пузырей углерода создает впечатление кипения.
Этот процесс позволяет перемещать всю толщу металла, приводит к выравниванию химического состава металла, а также ускоряет процесс нагрева металла по всей высоте ванны и очищает металл от находящихся в нем газов и неметаллических включений. В этот же период происходит реакция удаления серы из металла.
Кислород для окисления углерода может попадать в металл тремя способами:
Если к окончанию плавки в стали растворено большое количество закиси железа, это придаёт стали хрупкость в горячем состоянии — красноломкость.
Для удаления кислорода сталь раскисляют ферросилицием, ферромарганцем или алюминием. Иногда для проверки раскалённый кусок стали подвергают ковке — при плохой раскисленности образуются трещины.
При необходимости, после раскисления вводят легирующие элементы: ферротитан, феррохром, высококремнистый ферросилиций, чистый никель и другие. После окончания плавки сталь выпускают в ковш.
Для ускорения процесса и повышения производительности на 15—25 % используют кислород. Его вводят при плавке двумя способами:
Работа мартеновских печей в значительное степени автоматизированa.
В целом мартеновский процесс делят на периоды:
Доводка плавки (окончательная рафинировка металла и перегрев расплава по отношению к температуре плавления на 55-60 °С).
Период обычно состоит из двух этапов:полировка или рудное кипение, т.е. кипение при добавках железной руды и чистое кипение, т.е. кипение без добавок;
Для экономии топлива в мартеновских печах и улучшения их экологических характеристик можно рекомендовать следующее:
Здравствуйте, дорогие читатели! Меня зовут Виталий Иванович, и я занимаюсь строительством печей, каминов и установкой отопительного оборудования.
Вот уже более 40 лет, начиная в далеком 1977 году помощником печника я изучаю это дело и совершенствую свои навыки. С выходом на пенсию стало больше свободного времени и я решил поделиться своим опытом с вами. Читайте на здоровье и задавайте вопросы в комментариях!
Мартеновская печь
Мартеновская печь – пламенная регенеративная печь для выплавки стали из чугуна и стального лома.
Схемы мартеновских печей, отапливаемых высококалорийным топливом (природным газом или мазутом) и низкокалорийным топливом (коксо-доменная смесь), приведены, соответственно, на рис. 3.2 и рис. 3.3. На рис. 3.2 более детально показана кладка рабочего пространства печи и регенераторов, а на рис. 3.3 – схема боровов и перекидных устройств.
В конструкции печи выделяют две основные части:
Принцип работы мартеновской печи поясним по схеме, приведенной на рис. 3.3, как более общей. 
В предварительно разогретую печь заваливается шихта, состоящая из железной руды, известняка, скрапа, металлического лома (для справки: скрап – это зашлакованные отходы черных металлов, образующиеся при выпуске, транспортировании и разливке чугуна и стали. Иногда под структурной составляющей скрапа подразумевают и металлолом). Печь отапливается с помощью горелки – при работе на высококалорийном газе (рис. 3.2) или с помощью форсунки – при работе на мазуте. При работе на низкокалорийном газе (рис. 3.3) топливо так же как и воздух, необходимый для горения топлива, поступает из регенератора в головку печи и далее в рабочее пространство печи. На рис. 3.3 показан случай, когда топливо и воздух поступают справа. Обычно применяются одноканальные головки печи, имеющие один канал для подвода воздуха от регенератора (рис. 3.2) и трехканальные головки, включающие один газовый и 2 воздушных вертикальных канала, расположенных по бокам газового канала. Трехканальные головки используются в том случае, когда в регенераторах подогреваются топливо и воздух.
При сгорании топлива образуется факел с температурой 1800-1900 °С. Факел топливосжигающего устройства организуют так, чтобы он стелился по поверхности шихты. Продукты горения проходят над шихтой, нагревают ее и удаляются через противоположную (левую, см. рис. 3.3) головку, попадая через шлаковики в регенераторы с температурой 1500-1550 °С. В шлаковиках оседает основное количество плавильной пыли. После регенератора дым с температурой 500-700 °С уходит к дымовой трубе по системе боровов.
Пока через регенератор проходит дым, он (регенератор) постепенно нагревается. Через 5-10 минут следует, так называемая перекидка клапанов. Система клапанов (поз. 8 на рис. 3.3) перенаправляет потоки газа, воздуха и дыма в противоположную сторону. В левые нагретые регенераторы (рис. 3.3) поступают холодный воздух и холодный газ, нагреваются в нем и через головку печи поступают на горение. Продукты горения уходят через правые регенераторы, нагревая его. Затем цикл повторяется.
После прогрева шихты до средней температуры около 1250 °С на нее заливается жидкий чугун или заваливается твердый чугун. Далее нагрев ванны продолжается. При достижении поверхности шихты, контактирующей с факелом температуры 1450-1500 °С наступает момент ее расплавления, после чего весь металл постепенно переходит в жидкое состояние. На поверхности зеркала металла постоянно образуется шлак, который легче металла. Шлак является своего рода экраном между металлом и факелом. Кроме того, в шлаке накапливаются нежелательные примеси (фосфор и др.), которые при определенных условиях могут перейти в металл. Поэтому шлак периодически скачивают. В процессе плавления проводятся и другие необходимые технологические операции, связанные с удалением примесей и получением стали нужного состава. Затем разделывается сталевыпускное отверстие и через него выпускается плавка.
Если характеризовать сам мартеновский процесс, то он заключается в расплавлении шихты, снижении в ней до определённого уровня содержания углерода, кремния, марганца, удалении нежелательных примесей (серы и фосфора) и введении легирующих элементов. Температура в печи должна обеспечивать пребывание металла в жидком состоянии; к концу плавки она составляет около 1650 °С. Для получения такой температуры калориметрическая температура горения топлива должна быть не ниже 2350-2500 °С, что обеспечивается высокотемпературным подогревом воздуха, а возможно и топлива, – в регенераторах. Температура плавления стали в зависимости от химсостава колеблется в пределах 1400-1530 °С, а перед выпуском составляет обычно 1550-1650 °С. В соответствии с диаграммой для сплава Fe-С меньшие значения относятся к высокоуглеродистым сталям, а большие – к низкоуглеродистым.
Мартеновские печи могут работать как на твёрдой, так и на жидкой завалке. Для заливки жидкого чугуна может быть предусмотрено специальное отверстие. Доля твёрдой (лом, чугун в чушках) и жидкой (чугун) завалки может изменяться от 0 % до 100 %. В зависимости от состава шихты различают скрап-процесс (55-75 % стального скрапа и 25-45 % чугуна в чушках), скрап-рудный процесс (25-45 % железной руды и стального скрапа и 55-75 % жидкого чугуна), скрап-угольный или карбюраторный (стальной лом и карбюратор: антрацит, кокс, графит. Может быть немного чугуна – 10-15 %) и рудный процесс (100 % жидкого чугуна + железная руда, как носитель кислорода). Есть и другие разновидности этих процессов: скрап-кислородный, топливо-кислород-скрап-процесс, отличающиеся не составом шихты, а технологическими условиями их реализации. На практике фактически используются скрап-процесс и скрап-рудный процесс. Иногда скрап-процесс называют переплавочным, а скрап-рудный процесс – рафинировочным. Скрап-рудный процесс может использоваться на тех заводах, которые имеют в своем составе доменное производство.
В зависимости от состава шлака и материала футеровки (подины) мартеновский процесс может быть кислым или основным. Наиболее распространен основной процесс из-за возможности переработки шихты, загрязненной серой и фосфором. Ванну основных печей выкладывают магнезитовым кирпичом, а подину наваривают магнезитом или смесью магнезита с доломитом. Ванну кислых печей выкладывают динасовым кирпичом, а подину наваривают кварцевым песком.
В целом мартеновский процесс делят на периоды:
Экономичность работы мартеновской печи по расходу топлива зависит от длительности плавки. Чем короче плавка, тем меньше тепловая мощность холостого хода и, соответственно, ниже удельный расход топлива. Длительность каждого из периодов зависит от типа процесса (скрап-процесс, скрап-рудный процесс и др.), условий сжигания топлива (направление факела, степень черноты факела, калориметрическая температура топлива и др.) и, главное, от способа подачи окислителя (кислорода, воздуха) в жидкую ванну в периоды плавления и доводки.
Кислород необходим для окисления избыточного углерода, содержащегося в жидкой ванне. При вводе кислорода образуется большое количество газа СО, активное выделение которого создает иллюзию кипения ванны. Эта реакция окисления углерода расплава является основной реакцией мартеновского процесса. Более того, без этой реакции и “кипения” ванны мартеновский процесс невозможен. Активное окисление углерода начинается при температуре ванны свыше 1400 °С. Надо отметить, что при подаче кислорода сначала окисляется кремний, затем марганец и только после этого – углерод, что объясняется различным химическим сродством элементов к кислороду. Так, при t = 1400 °С сродство к кислороду выражается рядом: Cu, Ni, P, Fe, Cr, C, Mn, Si, V, Ti, Al, Mg, Ca. В первую очередь окисляются Са и Mg и в последнюю – Cu и Ni.
При кипении выравнивается температура и химсостав ванны, удаляются растворенные в металле газы (азот, водород), присоединяются к шлаку неметаллические включения, интенсивно переводятся в шлак обычно нежелательные для металла фосфор и сера за счет увеличения площади контакта металла со шлаком.
Кислород для окисления углерода может попадать в металл тремя способами:
Основной недостаток продувки жидкой ванны кислородом связан со значительным пылеобразованием, которое в 7-20 раз выше, чем в печах без продувки.
Если не использовать продувку ванны кислородом, то длительность мартеновской плавки составляет 7-12 часов, где меньшая цифра относится к случаю использования воздуха горения, обогащенного кислородом. При использовании кислорода для продувки чугуна общее время плавки может быть уменьшено до 3,5-4 часов, а при параллельном использовании газокислородных горелок на стадиях завалки и прогрева возможно сократить время плавки до 2,5-3 часов. В результате мартеновская плавка по своей эффективности приближается к конвертерной, длительность которой всего 35-50 минут. Такого показателя нельзя достичь в мартеновской печи по условию вспучивания ванны и возможности выброса металла и шлака через рабочие окна на рабочую площадку при бурном выделении СО. Поэтому максимально допустимая скорость окисления углерода в мартеновской печи всего 2 %/час, тогда как в конвертере – 25 %/час, т.е. на порядок больше.
Примерная температурно-тепловая диаграмма мартеновской плавки изображена на рис. 3.4. Как видно из рис. 3.4, основные контролируемые параметры – это температура свода, температура ванны, тепловая мощность. 
Подача топлива по ходу плавки меняется. Максимальный расход его – в период завалки и прогрева шихты. Подаваемое в это время количество теплоты называют максимальной тепловой нагрузкой (тепловой мощностью). По мере прогрева шихты тепловая мощность падает – она ограничена стойкостью свода, т.е. мощность снижается при достижении сводом
максимально возможных температур.
В данном примере удельный расход топлива составляет 3894/29,308 = 133 кг у.т./т стали. В целом, удельный расход топлива в мартеновских печах зависит от их ёмкости, типа процесса и времени плавки. По мере увеличения садки печи снижаются удельные потери теплоты холостого хода (потери через кладку, потери с охлаждающей водой и т.п.). В печах без применения кислорода расход топлива составляет 70-280 кг у.т./т стали. Меньшие цифры относятся к крупным печам (
900 тонн) на скрап-рудном процессе, а большие – к мелким печам на скрап-процессе.
Оценить влияние кислорода можно на показателях 200-тонной печи: без применения кислорода время плавки составляет 9,5-10 часов и удельный расход условного топлива
130-160 кг у.т./т; при обогащении дутья кислородом время плавки
7,5-8 часов и расход топлива
100-140 кг у.т./т; при продувке кислородом время плавки
5-5,5 часа и расход топлива 60-90 кг у.т./т; при использовании газокислородных горелок в “твердый” период (завалка, прогрев и заливка чугуна) и продувке ванны в “жидкий” период кислородом время плавки составляет
2,5-3,5 часа и расход топлива 30-60 кг у.т./т. В общем случае длительность плавки при скрап-процессе по сравнению со скрап-рудным процессом выше за счет времени расплавления твердого чугуна. Поэтому расход топлива в скрап-процессе выше примерно на 30 %.
Если считать топливом примеси, содержащиеся в завалке (Si, C, Mn, P), что вполне логично в связи с выгоранием последних с выделением большого количества теплоты, то удельный расход топлива мартеновской плавки надо увеличивать на 30-40 кг у.т./т стали.
Если К чуг = 0, то шихта полностью состоит из скрапа, а если К чуг = 100 %, то шихта включает в себя только чугун. На этом рисунке линия 1 справа от пересечения с горизонтом ΔI = 0 соответствует ведению конвертерного процесса, из чего видно, что максимальное количество скрапа составляет 23 %. Линия 2 соответствует наиболее широко используемому варианту скрап-рудного процесса, когда в шихту вводится 12 % железной руды, что позволяет окислять 40 % примесей рудой; остальное окисляется свободным кислородом. Линия 3 соответствует скрап-процессу с окислением примесей свободным кислородом. Линия 4 отвечает предельному случаю скрап-рудного процесса, когда весь жидкий чугун окисляется кислородом руды.
Для экономии топлива в мартеновских печах и улучшения их экологических характеристик можно рекомендовать следующее:
Технико-экономические показатели работы мартеновских печей
Часовая производительность достигает 60—80 т/ч на 900-т печах при широком использовании кислорода для интенсификации процесса, а годовая производительность возрастает с увеличением емкости печи:
Приведенные данные по производительности относятся к печам, работающим скрап-рудным процессом с использованием кислорода для интенсификации сжигания топлива и для продувки. В случае работы печей скрап-процессом их производительность уменьшается на 30—45%.
Важным технико-экономическим показателем работы мартеновских печей является расход топлива на 1 т выплавленной стали. Поскольку в мартеновских печах используется различное топливо, то его расход приводят к условному топливу, теплота сгорания которого принимается равной 29400 кДж/кг (7000 ккал/кг). Расход топлива составляет 120—130 кг/т на 200-т печах и 90— 105 кг/т на 400—600-т печах,
Себестоимость стали в мартеновских цехах зависит от многих факторов, в том числе и вида процесса, марки стали, масштаба и организации производства и т. д. Увеличение объема производства, повышение емкости печей, улучшение организации производства снижают себестоимость стали.