托馬斯法是將空氣由鹼性爐襯的轉爐爐底吹入鐵水並以石灰為熔劑造渣去除鐵水中的磷而將高磷生鐵煉成鋼的轉爐煉鋼方法。又稱為鹼性底吹轉爐煉鋼法或鹼性貝塞麥法。
基本介紹
- 中文名：托馬斯法
- 外文名：tuomasifaThomas process
- 發明人：托馬斯
- 領域：鋼鐵冶煉
- 別稱：鹼性貝塞麥法
- 學科：冶金工程
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簡史
貝塞麥法只能以低磷鐵礦石煉出的低硫低磷生鐵為原料，但西歐大陸的阿爾薩斯、洛林地區儲有大量的高磷鐵礦，煉出的生鐵含磷量約為2%，不可能用貝塞麥法煉鋼，因此迫使人們尋找能脫磷的新煉鋼方法。1878年英國人托馬斯(S.G.Thomas)和吉爾克里斯特(P.C.Gilchrist)經長期試驗終於認識了鐵水中的磷只有在鹼性爐渣下才能被氧化去除的規律，所以在吹煉時加入石灰造渣以吸收磷的氧化物，轉爐則須用鹼性耐火材料作爐襯。最初爐襯也用石灰，後來才改用白雲石。
托馬斯的發明開始未受到保守的冶金界的重視，只是由於迫切需要解決用高磷生鐵煉鋼的難題，到1885年此法才得以推廣。20世紀上半葉，托馬斯法曾是西歐諸國(法、德、比、盧)的主要煉鋼法。但由於此法也不能利用廢鋼，而且托馬斯鋼的含氮量高，品質差，在氧氣煉鋼法問世後，逐步被氧氣轉爐煉鋼法所取代。到20世紀70年代，隨著最後的托馬斯轉爐改建為氧氣底吹轉爐，托馬斯法退出了歷史舞台。但是托馬斯法首先解決了用鹼性爐渣以脫磷和脫硫的問題。這種鹼性造渣法隨後又被套用於平爐和氧氣轉爐，鹼性煉鋼法已成為煉鋼的最基本的方式。托馬斯煉鋼法是利用高磷生鐵(1.5%～2.2%P)煉鋼的最有效方法，在它的基礎上將底吹的空氣改為氧氣而形成的氧氣底吹轉爐煉鋼法，仍然是用高磷生鐵煉鋼的有效方法。
冶煉工藝
生鐵中的磷是托馬斯法的主要發熱元素;同時為了保證最後爐渣中含有12%～16%的P2O5以作磷肥，故生鐵含磷量應>1.5%。生鐵中矽含量應低，如矽太高，生成的SiO2將劇烈侵蝕鹼性爐襯。同時渣量增大、易產生噴濺，延長吹煉時間，也沖淡了渣中P2O5含量，降低了爐渣作為農肥的價值。生鐵中的錳有利於脫硫，並能在後吹時保護鐵不致過分氧化;但含錳太高也易噴濺，且使煉成的鋼含氮高。托馬斯法可少量去硫，與貝塞麥法相比，允許生鐵中含硫量稍高些。托馬斯法所用鐵水成分為：C2.90%～3.50%，Si0.20%～0.60%，Mn0.85%～1.50%，P1.50%～2.20%，S0.04%～0.08%;鐵水溫度1200～1250℃。
操作分為矽錳氧化期、碳氧化期和後吹期3個時期。鐵水和必需的石灰加入空氣底吹轉爐即開始吹煉，與貝塞麥法相似，第1期為矽和錳氧化期，矽、錳很快氧化為SiO2與MnO，並向熔池供熱。SiO2與石灰生成矽酸鈣，與MnO形成矽酸錳。由於是鹼性渣，矽去除很快而錳則較慢(到吹煉終了仍存有殘餘的錳)，此時火焰透明;由於鐵水溫度與含矽量均低，還加入了大量冷石灰，故爐溫上升比貝塞麥法慢。隨後進入第2期即碳氧化期，由於溫度較貝塞麥法低，火焰略帶黃色。此期噴濺較多，熔池溫度不上升甚至下降。當碳降至很低火焰開始下落時，轉入第3期，稱為“後吹期”。在後吹期磷激烈氧化，爐溫顯著提高。生成的P2O5與石灰結合成為磷酸鈣進入渣中。同時，有一些金屬中的硫以CaS的形式溶於渣中而去除。因為底吹氣體的強攪拌作用，脫磷可以高速進行，而鐵不致大量氧化。但磷脫到相當低時，鐵的燒損也隨之增加，在爐口出現褐色煙霧。為避免鐵的過多損失，後吹時間不能太長。因不能從爐口火焰判斷磷是否已去除到合格水平，吹煉終點只能憑經驗調節。吹煉過程中金屬成分和熔池溫度的變化見圖。吹煉結束進行脫氧，必要時，根據鋼的含碳量要求加入增碳劑。為防止回磷，脫氧時需將爐渣出盡。或實行擋渣出鋼，在鋼包內脫氧和增碳的操作。托馬斯法的金屬損失比貝塞麥法的大，約為裝入量的12%～17%。爐襯壽命約為200～400爐;爐底壽命則為40爐左右。
產品質量
托馬斯鋼的氮、氧、磷和非金屬夾雜含量均稍高於貝塞麥鋼，但鋼的性能基本相似，兩者用途相同，在重要用途上均受到限制。為降低托馬斯鋼的含氮量，曾試驗過許多改進措施：如鐵水分兩次裝入以提前脫磷，加鐵礦石或軋鋼屑降低熔池溫度，高壓鼓風或斜吹以縮短空氣和金屬的接觸時間，用富氧鼓風、蒸汽加氧或CO2加氧鼓風等;但是都沒有能夠根本改變托馬斯法的缺點。
托馬斯介紹
英國著名的冶金專家和發明家。1875年和表弟吉爾克里斯特發明了在底吹式轉爐中用鹼性爐襯和爐渣煉鋼的方法，稱為“托馬斯法”。此法利於大量脫磷，在生產高磷生鐵的西歐各國得到廣泛採用。
托馬斯發明的鹼性轉爐的煉鋼方法。貝塞麥的酸性轉爐不適於冶煉歐洲大部分地區所產的鐵礦石。因此，解決含磷鐵礦石的煉鋼問題成了19世紀中葉以後冶金技術的一大難題。1878年，英國年僅二十九歲的托馬斯(Sidney Gilchrist Thomas，1850—1885)發明的鹼性轉爐煉鋼法，使這一難題得到解決。
托馬斯在法院擔任職員時接受了夜校教育。從夜校化學課上得知貝塞麥法存在的問題之後，他便利用業餘時間鑽研有關理論並進行實驗。他首先用白雲石在高溫下燒成的熟料，混合焦油製成鹼性耐火磚，代替原來用粘土燒成的酸性矽酸質耐火磚，改造了爐襯。同時，在冶煉鼓風過程中添加石灰石，使整個反應在鹼性條件下進行，使高溫中被氧化的磷與石灰結合起來，殘留在渣內，解決了脫磷問題。1878年8月，他向英國鋼鐵協會正式作了報告，其鹼性轉爐煉鋼法被稱之為托馬斯法。這種方法的創造，為轉爐的大量推廣排除了障礙，使鋼產量有了較大的提高。
