托馬斯轉(zhuǎn)爐煉鋼簡介

把高磷生鐵吹煉成鋼的一種轉(zhuǎn)爐煉鋼法，由發(fā)明者的姓而得名，又名堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法。是20世紀(jì)上半葉西歐（法國等）采用的主要煉鋼方法。70年代基本上已被氧氣轉(zhuǎn)爐法所淘汰。原料生鐵含磷1.8～2.2%，是煉鋼過程中主要的發(fā)熱元素。托馬斯?fàn)t用堿性爐襯(白云石配加10%瀝青)，爐中造堿性渣，能去除磷和硫。磷主要是在冶煉末期（“后吹”期）進(jìn)入渣中的。托馬斯?fàn)t渣含P2O515～20%，可作肥料使用。

19世紀(jì)初期，隨著工業(yè)革命的迅速發(fā)展，對鋼鐵的數(shù)量和質(zhì)量的需求越來越高。于是，人們開始尋求新的更加有效的煉鋼方法。1879年，英國冶金學(xué)家托馬斯提出了堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即采用白云石高溫?zé)傻氖炝?，混合焦油做成堿性的耐火磚爐襯，冶煉過程中吹入空氣并加入生石灰。這樣便使整個反應(yīng)在堿性高溫條件下進(jìn)行，被氧化的磷與石灰結(jié)合起來，殘留于渣內(nèi)而不返回鋼內(nèi)，脫磷問題因此得以解決。

轉(zhuǎn)爐煉鋼法同其他煉鋼法主要區(qū)別在于他不借助外加能源，僅靠吹入熔池的空氣或氧氣與生鐵水中各種元素的放熱氧化反應(yīng)完成脫碳和脫除雜質(zhì)的任務(wù)，并將鋼液加熱到出鋼（1600℃或更高）溫度 。

當(dāng)空氣或氧氣吹入鐵水時，生鐵中易氧化元素就開始氧化,產(chǎn)生的氧化物和加入的石灰形成爐渣。各項元素按其與氧結(jié)合能力的順序依次氧化。首先氧化的是硅、錳和少量的鐵。開始時因溫度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，組成低氧化鈣的鐵-錳-硅酸渣。隨著溫度升高，碳開始激烈地進(jìn)行氧化。隨石灰逐漸溶解，爐渣轉(zhuǎn)變?yōu)楣杷徕}渣或磷酸鈣渣,磷和硫亦被脫除,熔池鐵液中各種元素氧化的先后順序為硅、釩、錳、鉻。碳隨著溫度的提高而分別先于有關(guān)元素氧化（見自由焓）。

轉(zhuǎn)爐吹煉終了時，鋼液中存在著少量過剩的溶解氧，一般為0.01～0.08%。其含量主要取決于終點鋼水的碳。但在固體鋼中氧的溶解度很低, 僅為0.002～0.003%,因此在澆鑄后的鋼水凝固過程中，氧便以FeO形式析出,影響鋼的質(zhì)量。所以,要煉成合格的鋼,就必須脫氧。脫氧是將與氧親和力較大的元素及其合金作為脫氧劑加入鋼液中，利用脫氧產(chǎn)物不溶于鋼液而析出上浮脫離鋼液的原理,使鋼中的含氧量降到規(guī)定限度之下(見鋼的脫氧反應(yīng))。在生產(chǎn)中常用的脫氧元素錳、硅、鋁,它們的脫氧能力依次遞增。為提高脫氧效率,使脫氧產(chǎn)物易于形成大顆粒排出，脫氧劑的加入一般應(yīng)采用由弱到強的順序，即先加錳鐵，再加硅鐵，最后加鋁（或鋁鐵）。

英國軍事工程師貝塞麥于1856年在英國科學(xué)協(xié)會發(fā)表演講，題目是《不使用燃料、只吹入空氣就可以變鐵水為鋼》。他提出將熔化的生鐵放入轉(zhuǎn)爐內(nèi)，吹進(jìn)高壓空氣，使生鐵中所含的硅、錳、碳、磷燃燒掉，從而煉出鋼來。貝塞麥發(fā)明了梨形可動式轉(zhuǎn)爐，只花10分鐘就可把10噸～15噸鐵水煉成鋼。若是用攪拌法需幾天時間才能完成。所以，這是一種生產(chǎn)率高、成本低的煉鋼方法，成為冶金史上的一大創(chuàng)舉。但是，貝塞麥發(fā)明的轉(zhuǎn)爐是酸性轉(zhuǎn)爐，在酸性轉(zhuǎn)爐環(huán)境中，磷很難被氧化除掉。所以，貝塞麥轉(zhuǎn)爐在歐洲只適用于擁有大量低磷低硫鐵礦石的瑞典和奧地利等國。

用氧氣代替空氣的優(yōu)越性早被認(rèn)識，但因未能獲得大量廉價的工業(yè)純氧，長期未能實現(xiàn)。到20世紀(jì)40年代，空氣分離制氧以工業(yè)規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)之后，煉鋼大量用氧有了可能。但是,舊有轉(zhuǎn)爐改用氧氣吹煉,爐底風(fēng)眼燒損很快，甚至使吹煉無法進(jìn)行。1948年杜雷爾(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧槍垂直插入爐內(nèi)吹煉鐵水獲得成功，1952年奧地利林茨(Linz)和多納維茨 (Donawiz)鋼廠建立30噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間。后來就按這兩個地名的第一個字母稱氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法為LD煉鋼法。50年代，LD煉鋼法傳播到世界各國，逐步取代平爐煉鋼法。隨著頂吹氧轉(zhuǎn)爐的問世，也出現(xiàn)了其他類型吹氧煉鋼方法，如卡爾多轉(zhuǎn)爐(Kaldo)煉鋼法,羅托轉(zhuǎn)爐(Rotor)煉鋼法,但都未能推廣。噴石灰粉的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法,稱LD-AC法，可以吹煉含磷高的生鐵，在氧氣底吹轉(zhuǎn)爐問世前曾應(yīng)用于高磷生鐵煉鋼生產(chǎn)。

1879年，英國冶金學(xué)家托馬斯提出了堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即采用白云石高溫?zé)傻氖炝?，混合焦油做成堿性的耐火磚爐襯，冶煉過程中吹入空氣并加入生石灰。這樣便使整個反應(yīng)在堿性高溫條件下進(jìn)行，被氧化的磷與石灰結(jié)合起來，殘留于渣內(nèi)而不返回鋼內(nèi)，脫磷問題因此得以解決。托馬斯的這一方法，很快被盛產(chǎn)含磷鐵礦石的德國、法國廣泛應(yīng)用，從而進(jìn)一步促進(jìn)了煉鋼的發(fā)展。

第二次世界大戰(zhàn)后，不少國家開始實驗用純氧代替空氣煉鋼。1948年奧地利首先取得了技術(shù)突破。此法是把生鐵水與廢鋼混合，倒入轉(zhuǎn)爐中，然后吹氧，將碳與雜質(zhì)迅速燒掉。用這種方法煉出的鋼，質(zhì)量可與平爐煉出的鋼相媲美，所需時間卻只有平爐的十分之一。

我國

中國于30～40年代曾在各地用側(cè)吹酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼，總生產(chǎn)能力約10萬噸/年。50年代，唐山鋼廠試用堿性爐襯吹煉成功，并推廣到全國各地。50～60 年代側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼產(chǎn)量曾達(dá)中國鋼總產(chǎn)量的20%以上。50年代末，首先在北京建成30噸氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐車間開始生產(chǎn)。以后在各地相繼建成投產(chǎn)。1980年氧氣轉(zhuǎn)爐鋼的產(chǎn)量占全國鋼的總產(chǎn)量40.64%。2100433B

為了克服空氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼熱效率低、鋼中含氮量高的缺點，用氧氣代替空氣吹煉是惟一的出路，但一般耐火材料噴嘴承受不了吹氧煉鋼時的強烈侵蝕。1973年，中國東北工學(xué)院(冶金系、沈陽第一鋼廠、唐山鋼廠參照氧氣底吹轉(zhuǎn)爐使用油、氧噴嘴的經(jīng)驗，將側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的風(fēng)嘴改為油、氧噴嘴，解決了吹氧煉鋼的噴嘴壽命問題。于是空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法被改造成為氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法。氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼的工藝操作和空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼基本相同。只是由于不再把空氣中大量的氮吹入爐內(nèi)，熱效率提高，原料中廢鋼比可達(dá)10%～25%，鋼鐵料消耗降低30～100kg/t鋼，鐵損減少使?fàn)t齡也有了提高。油、氧噴嘴的構(gòu)造如圖4所示。它由兩根同心套管組成，外管為無縫鋼管，內(nèi)管為紫銅管。銅管內(nèi)通氧氣，外壁切削出幾條細(xì)的螺旋油槽，和外層鋼管構(gòu)成輕柴油的通路。輕柴油和氧同時吹入爐內(nèi)，輕柴油在噴嘴出口受熱氣化和裂解，吸收了很多熱量，使噴嘴受到冷卻，噴嘴出口溫度保持在200～250℃，使噴嘴能正常吹氧而保持較長的壽命。

從1974年到1976年，中國有26座空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐改造成氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐，總?cè)萘窟_(dá)150_t。在推廣應(yīng)用吹氧后，發(fā)現(xiàn)氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐容量仍然不能增大。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備大(因為需要在吹煉時傾動爐身，8t側(cè)吹轉(zhuǎn)爐和25t頂吹轉(zhuǎn)爐的除塵設(shè)備相當(dāng));氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐消耗輕柴油4～8L/t;鋼鐵料消耗比頂吹轉(zhuǎn)爐高10～20kg/t。由于存在這些缺點，到90年代初，除唐山鋼廠一個氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐車間還在繼續(xù)生產(chǎn)外，其余的氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐或改為頂吹氧氣轉(zhuǎn)爐，或者停止了生產(chǎn)。

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早在1856年英國人貝斯麥就發(fā)明了底吹酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，這種方法是近代煉鋼法的開端，它為人類生產(chǎn)了大量廉價鋼，促進(jìn)了歐洲的工業(yè)革命。但由于此法不能去除硫和磷，因而其發(fā)展受到了限制。1879 年出現(xiàn) 了托馬斯底吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，它使用帶有堿性爐襯的轉(zhuǎn)爐來處理高磷生鐵。雖然轉(zhuǎn)爐法可 以大量生產(chǎn)鋼，但它對生鐵成分有著較嚴(yán)格的要求，而且一般不能多用廢鋼 。隨著工業(yè) 的進(jìn)一步發(fā)展，廢鋼越來越多。

在酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法發(fā)明不到十年，法國人馬丁利用蓄熱原理，在1864年創(chuàng)立了平爐煉鋼法，1888年出現(xiàn)了堿性平爐。

平爐煉鋼法對原料的要求不那么嚴(yán)格，容量大，生產(chǎn)的品種多，所以不到20年它就成為世界上主要的煉鋼方法。

20世紀(jì)50年代，在世界鋼產(chǎn)量中，約85%是平爐煉出來的。1952年在奧地利 出現(xiàn)純氧頂吹轉(zhuǎn)爐，它解決了鋼中氮和其他有害雜質(zhì)的含量問題，使質(zhì)量接近平爐鋼，同時減少了隨廢氣（當(dāng)用普通空氣吹煉時，空氣含79 %無用的氮）損失的熱量，可以吹煉溫度較低的平爐生鐵，因而節(jié)省了高爐的焦炭耗量，且能使用更多的廢鋼 。由于轉(zhuǎn)爐煉鋼速度快（煉一爐鋼約10min，而平爐則需7h），負(fù)能煉鋼，節(jié)約能源，故轉(zhuǎn)爐煉鋼成為當(dāng)代煉鋼的主流。

其實130年以前貝斯麥發(fā)明底吹空氣煉鋼法時，就提出了用氧氣煉鋼的設(shè)想，但受當(dāng)時條件的限制沒能實現(xiàn)。直到20世紀(jì)50年代初奧地利的Voest Alpine公司才將氧氣煉鋼用于工業(yè)生產(chǎn)，從而誕生了氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐，亦稱LD轉(zhuǎn)爐。頂吹轉(zhuǎn)爐問世后，其發(fā)展速度非常快，到1968年出現(xiàn)氧氣底吹法時，全世界頂吹法產(chǎn)鋼能力已達(dá)2.6億噸，占絕對壟斷地位。1970年后，由于發(fā)明了用碳?xì)浠衔锉Ｗo(hù)的雙層套管式底吹氧槍而出現(xiàn)了底吹法，各種類型的底吹法轉(zhuǎn)爐（如OBM，Q-BOP，LSW等）在實際生產(chǎn)中顯示出許多優(yōu)于頂吹轉(zhuǎn)爐之處，使一直居于首位的頂吹法受到挑戰(zhàn)和沖擊。

頂吹法的特點決定了它具有渣中含鐵高，鋼水含氧高，廢氣鐵塵損失大和冶煉超低碳鋼 困難等缺點，而底吹法則在很大程度上能克服這些缺點。但由于底吹法用碳?xì)浠衔锢鋮s噴嘴，鋼水含氫量偏高，需在停吹后噴吹惰性氣體進(jìn)行清洗?；谝陨蟽煞N方法在冶金學(xué)上顯現(xiàn)出的明顯差別，故在20世紀(jì)70年代以后，國外許多國家著手研究結(jié)合兩種方法優(yōu)點的頂?shù)讖?fù)吹冶煉法。繼奧地利人Dr.Eduard等于1973年研究轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖?fù)吹煉鋼之后，世界各國普遍開展了轉(zhuǎn)爐復(fù)吹的研究工作，出現(xiàn)了各種類型的復(fù)吹轉(zhuǎn)爐，到20世紀(jì)80年代初開始正式用于生產(chǎn)。由于它 比頂吹和底吹法都更優(yōu)越，加上轉(zhuǎn)爐復(fù)吹現(xiàn)場改造 比較容易，使之幾年時間就在全世界范圍得到普遍應(yīng)用，有的國家（如日本）已基本上淘汰了單純的頂吹轉(zhuǎn)爐。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼過程是將高爐來的鐵水經(jīng)混鐵爐混勻后兌入轉(zhuǎn)爐，并按一定 比例裝入廢鋼，然后降下水冷氧槍以一定的供氧、槍位和造渣制度吹氧冶煉。當(dāng)達(dá)到吹煉終點時，提槍倒?fàn)t，測溫和取樣化驗成分，如鋼水溫度和成分達(dá)到 目標(biāo)值范圍就 出鋼。否則，降下氧槍進(jìn)行再吹。在出鋼過程中，向鋼包中加入脫氧劑和鐵合金進(jìn)行脫氧、合金化。然后，鋼水送模鑄場或連鑄車間鑄錠。

隨著用戶對鋼材性能和質(zhì)量的要求越來越高，鋼材的應(yīng)用范圍越來越廣，同時鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)也對提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，擴大品種，節(jié)約能源和降低成本越來越重視。在這種情況下，轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)工藝流程發(fā)生了很大變化。鐵水預(yù)處理、復(fù)吹轉(zhuǎn)爐、爐外精煉、連鑄技術(shù)的發(fā)展，打破了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)爐煉鋼模式。已由單純用轉(zhuǎn)爐冶煉發(fā)展為鐵水預(yù)處理——復(fù)吹轉(zhuǎn)爐吹煉——爐外精煉——連鑄這一新的工藝流程。這一流程以設(shè)備大型化、現(xiàn)代化和連續(xù)化為特點。氧氣轉(zhuǎn)爐已由原來的主導(dǎo)地位變?yōu)樾铝鞒痰囊粋€環(huán)節(jié)，主要承擔(dān)鋼水脫碳和升溫的任務(wù)了。

從轉(zhuǎn)爐爐身側(cè)面吹入空氣或氧氣以氧化去除鐵水中的雜質(zhì)元素并提供熱量而獲得鋼水的轉(zhuǎn)爐煉鋼方法。根據(jù)轉(zhuǎn)爐爐襯材料和吹入的氧化性氣體的不同，側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法有：空氣側(cè)吹酸性轉(zhuǎn)爐煉鋼法，即小型貝塞麥法，空氣側(cè)吹堿性轉(zhuǎn)爐煉鋼法和氧氣側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼法3種。