bélyegkép|350px|Siemens–Martin-kemence hosszmetszete egy 1895-ös kiadványból A Siemens–Martin-acélgyártási eljárást Pierre-Émile Martin francia mérnök szabadalmaztatta 1864-ben. Az eljárás nevében a Siemens nevet a Carl Wilhelm Siemens által szabadalmaztatott és itt felhasznált váltakozó lángjárású regeneratív tüzelési rendszer magyarázza. A szakirodalom néha megkülönbözteti az eljárást és a kemencét, előbbit „Martin-acélgyártásnak”, utóbbit „Siemens–Martin-kemencének” nevezik. Az eljárás lehetővé tette, hogy kiinduló anyagként folyékony nyersvasat és ócskavasat is felhasználhassanak. Az SM-kemence betétje ennek megfelelően lehetett csak folyékony, csak szilárd, vagy a kettő együttesen. A módszerrel igen változatos ötvözöttségű acélokat lehetett előállítani, de az erősen ötvözött acélok gyártását más módszerekkel valósították meg. A Martin-acélgyártás mintegy száz évig vezető módszere volt az acélmetallurgiának, csak az oxigénes konverteres eljárás(ok) előretörése nyomán csökkent a jelentősége, oly mértékben, hogy napjainkra gyakorlatilag megszűnt.
A Siemens–Martin-kemence a fejlődése során több változáson ment át. A legszembetűnőbbek ezek közül az első és a hátsó fal kiképzésében és a tűzfejek megoldásában mutatkoznak meg. Az első és a hátsó fal kezdetben függőleges helyzetű volt, majd – a falazatok javításának egyszerűbbé tétele miatt – kifelé döntötték (a hátsó falat jobban). A fejlődés végén a tendencia megfordult: a legkorszerűbb SM-kemencék falait befelé döntötték (März–Boelens-kemence). Az egymást követő tűzfej megoldásokkal a levegő és a fűtő közeg mind hatékonyabb keveredését, a jobb lángparaméterek megvalósítását tűzték ki célul. A gáztüzelés helyett több helyen bevezették az olajtüzelést, majd külön oxigénáram bejuttatását a kemencébe (oxigénes intenzifikálás). A kemencék készülhettek (főleg eleinte) savas és bázikus falazattal, és mindkettőhöz más gyártási technológia, kemencevezetés tartozott.
A gyártási folyamat öt lépcsőből áll: a berakásból, a beolvadásból, a frissítésből, a dezoxidációból és ötvözésből (kikészítés), illetve a csapolásból. Ezek közül a metallurgiai szempontból legfontosabb folyamatok a frissítő és a kikészítő szakaszban játszódnak le. Az SM-acélgyártás frissítő szakasza hosszabb, mint a szélfrissítéses (konverteres) eljárásoké, ezért az adagidő is hosszabb.Az adagidő a kemencében egy adag elkészülésének az ideje – csapolástól csapolásig. Az ötvözést a kikészítő szakaszban végezték el.
A magyarországi Martin-acélgyártás 1876-ban kezdődött Resicán (illetve a mai Magyarországon 1879-ben, a Diósgyőri Vasgyárban), és 1992 végén a Dunai Vasműben ért véget.
A találmány
Pierre-Émile Martin eljárása különbözött minden korábbi acélgyártási módszertől. Martin a kavaró acélgyártást akarta továbbfejleszteni, hogy folytacélt tudjon előállítani. Elképzelése az volt, hogy egy lapos, teknő alakú kemencében olvasztja meg a nyersvasbetétet, és a nyersvasfürdő fölött gázlángot vezet el, amivel a fürdő folyamatosan megújuló felületi rétegéből ki tudja égetni a nyersvas fölösleges kísérő elemeit, a karbont, a szilíciumot és a mangánt. A megfelelő hőmérséklet biztosítása céljából megvásárolta az 1847-ben felfedezett Siemens-féle, váltakozó lángjárású, regeneratív tüzelési módszer szabadalmát. Első, a módszerével gyártott 1,5 tonnányi acélt 1864. április 8-án csapolta le Sireuilben. Ez a kemence még csak egy regeneratív tüzelésű hengerművi izzítókemencéből célszerűen átalakított, 1,2×1,6 méteres kísérleti kemence volt. Az első SM-acélművet 1868-ban állították fel Angliában, 3 tonnás kemencével, majd ezt követően gyorsan elterjedt a világon, és mintegy száz éven át uralta a világ acélgyártását.
A Siemens–Martin-kemence tüzelési rendszere a Siemens-féle regeneratív tüzelési módszeren alapul. A fűtőgázt és a levegőt a már felfűtött, meleg regenerátorokba juttatják be, ahol azok felmelegednek, és így jutnak el a tűzfejbe, úgy, hogy a levegő mindig felül áramlik be. Az elégő tüzelőanyag elvégzi hőtechnikai és metallurgiai feladatát, majd mint füstgáz távozik a szemközti oldali tűzfejen. A füstgáz innen a regenerátorokon áthaladva felhevíti azokat, majd elvezetik. Amikor ezek a regenerátorok annyira lehűltek, hogy már nem tudják a kívánt mértékben felmelegíteni a levegőt és a fűtőgázt, megfordítják a tüzelés irányát: a hideg levegőt és a gázt a másik regenerátorokba vezetik be, minthogy ekkorra azok már kellő mértékben felmelegedtek, és a tüzelés iránya megfordul. A füstgázok az előző fázisbeli fűtőoldalon távoznak és felmelegítik a regenerátorokat. A folyamat ezután így folyik váltakozva, ezért hívják a módszert váltakozó lángjárásúnak.
A Siemens–Martin-kemence A Siemens–Martin-kemence meglehetősen bonyolult szerkezet, amely alapvetően két fő részre osztható: a felépítményre (ehhez tartozik a kemence munkatere, a boltozata, a tűzfejek és a függőleges gáz- és levegőcsatornák, a tartószerkezetek, a hűtő szerelvények) és az alépítményre (részei: az alapozás, a gáz- és levegőkamrák, a salakkamrák, a gáz- és levegőcsatornák, a váltószelepek, a kémény alsó csatornái, a füstgázkamra és az exhausztor).
A martinkemencék munkaszintjét többnyire a talajszinttől 6–8 méterrel magasabban helyezték el, így az alsó részt nem kellett a föld alá süllyeszteni, amivel az alépítmények javítása és a salakeltávolítás egyszerűbbé vált.
A kemence munkatere A Siemens–Martin-kemence munkaterét jellemző paraméterek az 1980-as évek elejének hazai kemencéi alapján:
Paraméterek Befogadó képesség, t 50 85 125 185A fürdő felülete, m²30–3540–4545–5565–75A fürdő hosszúsága, m8,5–9,510,5–11,512,5–13,514–16A fürdő szélessége, m3,0–3,43,7–4,04,2–4,54,8–5,2Hossz/szélesség viszonyszám2,6–3,02,6–3,02,8–3,22,8–3,2A fürdő mélysége, mm550–650650–750750–850850–950A boltozat magassága, m1,9–2,12,1–2,32,3–2,52,7–3,0Szabad térfogat/betét tömege viszonyszám, m³/t1,1–1,31,0–1,20,9–1,10,8–1,0
Falazatok bélyegkép|400px|Az SM-kemencék falazatának fejlődése. Bal oldal: álló első és hátsó fal, középen: kifelé döntött hátsó fal, jobb oldal: befelé döntött első és hátsó fal (März–Boelens-típus). Jelmagyarázat: 1 – első fal, 2 – hátsó fal, 3 –boltozat,4 – fenék, 5 – csapoló nyílás, 6 – fürdő Az SM-kemencék profilját a kemencefenék, a boltozat, az első és a hátsó fal alakítja ki. A munkatér első és hátsó fala az első időkben még függőleges volt, csak az 1930-as évektől kezdték kifelé dönteni a hátsó falat. Ez a megoldás indokolt volt ugyan a fal javítása miatt, mégis bizonyos üzemeltetési problémák forrása volt. Ezért alakult ki az úgynevezett März–Boelens-kemence, aminél az első és a hátsó falat is megtörve, befelé dőlve építették (Magyarországon a Dunai Vasműben működtek ilyen kemencék). Ez a megoldás a falazat mechanikai és hőterhelése, valamint az áramlástan szempontjából is kedvezőbb volt.
A kemencefenék bázikus kemencék esetén zsugorított magnezitből és magnezittéglából készült (ami felfut a mellső és a hátsó falra is), ez alatt samott-tégla és szigetelőanyag van. Összes vastagsága 1 méternél is több. A jól kivitelezett fenéknél a páncél hőmérséklete nem emelkedik 160–170 °C fölé. A kemencefenék tartalmazza a csapolónyílást is. A hátsó falazat a kemencekonstrukció-fejlődés különböző szakaszaiban változó kialakítású volt. A korszerű kemencék hátsó fala erősen döntött (47–49°) volt. Vastagsága közel 600 mm, anyaga – a fenékfelfutástól eltekintve – krómmagnezit-, savas falazatnál szilikatégla. Az első falazat álló vagy szintén döntött volt, de nem oly mértékben, mint a hátsó. Ez a falazat tartalmazza a kemence munkaajtóit (75 tonna fölött általában öt ajtó volt). Az ajtók és a kereteik vízhűtéssel voltak ellátva, anyaguk azonos a hátsó fal anyagával. Mozgatásuk mechanikus, elektromechanikus vagy hidraulikus módon történt. Az ajtók között helyezkednek el a pillérek. A kemenceboltozat íves, függesztett kivitelű, anyaga bázikus kemencéknél krómmagnezit-, savas kemencéknél szilikatégla. A függesztést tartó vállgerendák többnyire vízhűtésűek, gyakran elpárologtató rendszerűek, így gőzfejlesztésre is felhasználhatták.
Tűzfejek bélyegkép|balra|Siemens-tűzfej bélyegkép|März-tűzfej A tűzfejek kialakítása, hatékonysága, alapvető fontosságú a kemence működése szempontjából. A tűzfejek feladata az előmelegített levegő és fűtőgáz megfelelő keverése és a láng irányítása, valamint a keletkezett égéstermékek elvezetése. A két közeg a kemence munkaterében lép reakcióba egymással, az égés intenzitása pedig ezek keveredésétől függ. A tűzfejek szerkezetének fejlődése lényegében egyben a Siemens–Martin-kemencék fejlődését is jelenti. A tűzfejek kialakítása alapvetően a tüzelés módjától függ; a gáztüzelésű kemencék tűzfejei bonyolultabb szerkezetűek, az olajtüzelésűeké lényegesen egyszerűbb.
A tűzfej kettős feladata (égetés, füstgázelvezetés) egymással ellentétes követelményeket jelent: egyrészt biztosítani kell az optimális égést és lángméretet, amihez az szükséges, hogy a beömlő gáznak kellően nagy sebessége legyen, ami viszont akkor biztosított, ha mennél kisebb a beömlő nyílás keresztmetszete; másrészt az égéstermékek elvezetése akkor hatékony, ha mennél nagyobb a csatornák keresztmetszete.
E követelmények mindegyikét természetesen lehetetlen egyetlen megoldásban kielégíteni, az egyes égőkonstrukciók viszont egyre optimálisabbá igyekeztek tenni a feladatokat. Az egyes konstrukciók a levegő és a fűtőgáz bevezetési irányában, egymáshoz viszonyított szögükben, illetve a boltozatkiképzés módjában különböznek egymástól.
Az első tűzfejkonstrukció tulajdonképpen maga a Siemens-féle tűzfej volt. Ezeknél a kamrákból két gáz- és két levegőfelszálló akna vezet fel, és a kemencébe mélyen benyúló beömlőcsatorna alsó részén van a két gáz-, felső részén pedig a két levegőbeömlő csatorna. Ennek a tűzfejnek volt olyan változata is, amelynél a felső két levegőbeömlőt egyesítették, így a levegőáram mintegy ráfeküdt a két gázáramra, amivel jobb keveredést biztosított. A hibája azonban az volt, hogy a láng hamar elvált a fürdő felszínétől, ezért távozása előtt erősebben vette igénybe a boltozatot. A März-tűzfejek az előbbi hibáit igyekeznek kiküszöbölni azzal, hogy a gázbeömlő csatornák változatlanul hagyása mellett levegőbeömlő csatornája tulajdonképpen nincs, a levegő két oldalt, egymással szemben elhelyezkedő aknán, majdnem a fürdő szintjében ömlik be. Ezzel a megoldással jobb keveredést értek el, mivel a két oldalról érkező légáram jobb keveredést biztosít a gázzal. A Venturi-tűzfejnél a gázáramot középen vezetik be, a légaknákat pedig a gázcsatorna két oldalán helyezik el, és a levegőt a boltozat és az oldalfalak behúzásával, a Venturi-elvnek megfelelő beömlőn nagy sebességgel vezetik be. A levegő ily módon két oldalt és felül is körülveszi a gázáramot.Az ismertetetteken kívül egyéb tűzfejtípusok is voltak használatban.
Más a tűzfej kialakítása akkor, ha nem gázzal, hanem folyékony tüzelőanyaggal (olajjal, pakurával) tüzelnek. Ilyenkor ugyanis csak a levegőt kell előmelegíteni, a tüzelőanyagot nem. Az előmelegített levegő változatlanul egy függőleges felszállón érkezik a keverő térbe, az olaj számára külön égőt biztosítanak. Az olajégő olyan kivitelű, hogy lehetővé tegye a maximális lángimpulzus elérését, illetve a tüzelőanyag, a levegő, valamint a porlasztó közeg megválasztásával a láng paramétereinek a szabályozását. Az olaj porlasztását vízgőzzel, sűrített levegővel, vagy földgázzal végzik.