Для чего использовались мартеновские печи и конвертер и прокатный
Для чего использовались мартеновские печи и конвертер и прокатный
Мартеновская печь или мартен ― это плавильная печь, в которой изготавливают сталь. Для эффективного производства применяют тепло, оно выделяется в ходе самого металлургического процесса. А для получения стали нужного химического состава используют чугун и стальной лом. Такой процесс и сами печи назвали мартеновскими в честь их изобретателя ― французского металлурга Пьера-Эмиля Мартена.
Первую в России мартеновскую печь построил инженер Александр Износков. Ее запустили весной 1870 года на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде. Потом мартены установили Боткинский, Путиловский, Обуховский, Пермский и другие заводы.
Во время Великой Отечественной войны сталь, которую получали в мартеновских печах, использовали в производстве деталей для винтовок, снарядов и танков. Благодаря этому росло вооружение СССР. Мужчин на производстве не хватало, на заводы шли работать женщины и подростки. Сталевар Иван Черемухин вспоминал: «Пятнадцатилетним пареньком я пришел на завод в мартеновский цех из ремесленного училища. Мы заменили тех, кто ушел на фронт. Трудились у печи втроем: один сталевар и два подручных, а по норме надо десять человек. Работали по 12 часов в сутки».
Мартеновские печи не тушат после каждой плавки, они работают в непрерывном режиме, их останавливают только для проведения ремонта. Во-первых, гасить печь ежедневно невыгодно ― на подготовку к запуску нужно время, примерно равное рабочей смене. Во-вторых, при повторном нагреве разрушается оболочка из кирпича, которая находится внутри топки. Поэтому в военное время работа у печей продолжалась круглые сутки: люди трудились на скорость, старались сократить время плавки и увеличить объем производства.
Мартеновская печь или мартен ― это плавильная печь, в которой изготавливают сталь. Для эффективного производства применяют тепло, оно выделяется в ходе самого металлургического процесса. А для получения стали нужного химического состава используют чугун и стальной лом. Такой процесс и сами печи назвали мартеновскими в честь их изобретателя ― французского металлурга Пьера-Эмиля Мартена.
Первую в России мартеновскую печь построил инженер Александр Износков. Ее запустили весной 1870 года на Сормовском заводе в Нижнем Новгороде. Потом мартены установили Боткинский, Путиловский, Обуховский, Пермский и другие заводы.
Во время Великой Отечественной войны сталь, которую получали в мартеновских печах, использовали в производстве деталей для винтовок, снарядов и танков. Благодаря этому росло вооружение СССР. Мужчин на производстве не хватало, на заводы шли работать женщины и подростки. Сталевар Иван Черемухин вспоминал: «Пятнадцатилетним пареньком я пришел на завод в мартеновский цех из ремесленного училища. Мы заменили тех, кто ушел на фронт. Трудились у печи втроем: один сталевар и два подручных, а по норме надо десять человек. Работали по 12 часов в сутки».
Мартеновские печи не тушат после каждой плавки, они работают в непрерывном режиме, их останавливают только для проведения ремонта. Во-первых, гасить печь ежедневно невыгодно ― на подготовку к запуску нужно время, примерно равное рабочей смене. Во-вторых, при повторном нагреве разрушается оболочка из кирпича, которая находится внутри топки. Поэтому в военное время работа у печей продолжалась круглые сутки: люди трудились на скорость, старались сократить время плавки и увеличить объем производства.
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.
Новое в блогах
Россия осталась без мартеновских печей
Легендарный инструмент советской индустриализации ушел в прошлое
Без мартеновских печей была бы невозможна победа в ВОВ
В России окончательно прекращена работа так называемых мартеновских печей – легендарного аппарата для выплавки стали. Без мартена невозможно представить ни индустриализацию 1930-х, ни победы в Великой Отечественной, ни достижения промышленности позднего СССР. Почему же сталелитейщики в итоге отказываются от него?
На прошлой неделе в России закончила работу последняя в стране крупная мартеновская печь, которая располагалась на Выксунском заводе (входит в ОМК). «Уходит целая историческая эпоха в развитии металлургии, но вместе с этим улучшится экологическая обстановка, существенно сократятся рабочие места с вредными условиями труда», – заявил председатель совета директоров ОМК Анатолий Седых. Современные печи заменят легендарный мартен, без которого в свое время невозможна была бы даже победа в Великой Отечественной.
«Дни и ночи у мартеновских печей. Не смыкала наша Родина очей», – это всем известные строки песни «День Победы». И они вполне справедливы. Мартеновские печи – в числе одних из главных героев Великой Отечественной войны.
«Мартены 40-х дали в чистом поле броню нашим танкам Великой Отечественной. Несмотря на утерю ценнейших месторождений марганца и молибдена в начале войны, эта броня все же позволяла нашим танковым асам успешно противостоять полчищам фашистской бронетехники», – рассказывает директор группы корпоративных рейтингов АКРА Максим Худалов. Речь идет о построенном тогда в рекордные сроки Челябинском металлургическом комбинате. Он был создан специально для обеспечения обороноспособности страны и нужд фронта.
В 1941 году на нужды обороны работало 35 мартенов общей емкостью 1400 тонн, хотя почти половина емкостей была утеряна в первый период войны. «Но, несмотря на многочисленные трудности, удалось создать непрерывный рост вооружений, изобретались новые виды брони, рабочие боролись за каждую минуту, чтобы сократить время плавки, возникло понятие «сталевар-скоростник». Работа кипела день и ночь, вся страна в одном порыве боролась за победу, мартен и сталевары были одним из важнейших ее символов», – говорит первый вице-президент Российского союза инженеров Иван Андриевский.
Мартеновские печи, говоря современным языком, позволили СССР импортозаместиться и создать независимую сталелитейную промышленность.
«В сложный период, когда и технический потенциал, и экономические возможности страны находились на низком уровне, именно мартеновские печи с их неприхотливостью и терпимостью к ошибкам и недоработкам персонала позволили нам догнать и в чем-то обогнать страны Запада. Без мартенов мы бы закупали иностранные машины и оборудование, в том числе вооружение, как это делают многие современные страны Европы, Азии и Ближнего Востока», – говорит Худалов.
В 50–60-е сверхчистый металл из заводских мартенов дал возможность нашим реактивным самолетам защитить небо от вражеских бомбардировщиков и разведчиков, а потом и вывести в космос первого в истории человечества космонавта Юрия Гагарина, напоминает собеседник.
«Именно через мартеновские печи проходила сталинская индустриализация, затем борьба с фашизмом, затем восстановление промышленности и ее уверенный рост. Мартеновские печи давали железные дороги, танки, снаряды, паровозы, корабли, тракторы и так далее», – резюмирует Андриевский.
Мартеновская печь – это важнейшее изобретение XIX века, ее разработал французский металлург Пьер Мартен в 1864 году. Сегодня во всем мире мартеновская металлургия считается устаревшей. В Евросоюзе последние тысячи тонн металла были выплавлены в мартеновских печах в 2010 году, в Белоруссии и Узбекистане – в 2011 году. Однако есть страны, где эти гиганты по-прежнему работают: это Индия, Украина и до недавнего времени РФ. По данным агентства АКРА на 2014 год, Украина производила 5,6 млн тонн сырого металла с помощью мартеновских печей, а Россия – около 2 млн тонн (Индия в этом году произвела всего 35 тыс. тонн). В 2016 году на мартеновское производство пришлось уже всего 600 тыс. тонн стали или 1% от общего производства в России в 70 млн тонн.
На самом деле, о закрытии неэкологичных мартеновских печей в России заговорили еще в начале 2000-х. В 2013 году Минпромторг прямо заявил о необходимости вывести грязное производство до конца 2015 года.
Однако мартены живучи. Почему? Оказывается, даже несмотря на новейшие технологии, мартеновские печи по ряду показателей выигрывают у своих современных конкурентов. Преимущество мартеновской печи в ее абсолютной неприхотливости к качеству сырья. «Для выплавки качественного проката на электродуговой печи производитель сегодня должен иметь абсолютно четкое понимание качества используемого сырья. Это должен быть отсортированный лом, проверенный на отсутствие вредных включений, например, остатков медного провода. Тогда как мартеновская печь позволяет проигнорировать эти недостатки сырья, поскольку в процессе многочасовой плавки технолог может убрать шлаки и выдать в конце плавки чистый металл», – объясняет Худалов.
Этим мартеновская печь очень удобна для машиностроителей. Им не надо ставить доменное производство для выпуска жидкого чугуна, и они могут использовать любой тип сырья (в том числе железный лом) и получить на выходе продукт высокого качества. Учитывая конкуренцию за стальной лом в России, это важное преимущество. К тому же машиностроение потеряло в 90-х годах кооперацию с производителями сырья, и мартен позволял им быть несколько независимыми от металлургов.
«Классические металлургические комбинаты в основном избавились от мартенов уже к 2010 году, но для машиностроителей иметь собственный литейный цех очень удобно. Экологический вред мартена преувеличивается, поскольку работает он не постоянно, а только для выполнения сложных, ответственных заказов. При этом собственный литейный цех позволяет давать заготовки нетрадиционных размеров и с корректной химией, которые классическая сталелитейная промышленность не может обеспечить, а если и может, то потребуется значительное время и дополнительные затраты», – объясняет Худалов.
Однако мартен все же уходит в прошлое. Технологии мартена беспощадно устарели и их не делают уже почти 50 лет. Эти печи проигрывают современным видам плавки как в плане производительности, так и в плане безопасности, экологичности и временных затрат. По словам экспертов, у мартеновской печи очень длинный цикл плавки – 6–15 часов против 30–50 минут у кислородных конвертеров и электродуговых печей. Кроме того, через мартен нельзя получить высоколегированные и специальные стали. Наконец, выбросы от мартеновских печей опасны для экологии и здоровья, ведь в ней могут использовать и руду, и низкокачественные виды топлива, начиная от газа и кокса и заканчивая автомобильными покрышками. На Выксунском заводе считают, что благодаря закрытию последнего мартена удастся на 90% снизить количество вредных выбросов в атмосферу.
В ряде случаев мартен дает достаточно качественные результаты. Поэтому вопрос их замены скорее в экологии и улучшении условий труда, считает Андриевский. Учитывая, что Россия не сильно озабочена вопросами экологии, она так долго оставалась в числе тех немногих стран, кто по-прежнему использует мартеновские печи. Сказывается и нехватка инвестиций на модернизацию в нашей промышленности. «Если старая технология работает, эко-стандарты не давят, то желания менять ее может и не возникнуть», – считает Андриевский.
Отказ от мартенов в России связан скорее с плохой экономикой. «За счет меньшей эффективности мартеновских печей и существенно более долгого процесса плавки себестоимость металла на них превышает себестоимость аналогичной продукции, полученной на современном сталеплавильном производстве», – говорит Худалов.