托马斯转炉炼钢原理

转炉炼钢法同其他炼钢法主要区别在于他不借助外加能源，仅靠吹入熔池的空气或氧气与生铁水中各种元素的放热氧化反应完成脱碳和脱除杂质的任务，并将钢液加热到出钢（1600℃或更高）温度 。

当空气或氧气吹入铁水时，生铁中易氧化元素就开始氧化,产生的氧化物和加入的石灰形成炉渣。各项元素按其与氧结合能力的顺序依次氧化。首先氧化的是硅、锰和少量的铁。开始时因温度低(1200～1300℃)，而且石灰溶解很慢，组成低氧化钙的铁-锰-硅酸渣。随着温度升高，碳开始激烈地进行氧化。随石灰逐渐溶解，炉渣转变为硅酸钙渣或磷酸钙渣,磷和硫亦被脱除,熔池铁液中各种元素氧化的先后顺序为硅、钒、锰、铬。碳随着温度的提高而分别先于有关元素氧化（见自由焓）。

转炉吹炼终了时，钢液中存在着少量过剩的溶解氧，一般为0.01～0.08%。其含量主要取决于终点钢水的碳。但在固体钢中氧的溶解度很低, 仅为0.002～0.003%,因此在浇铸后的钢水凝固过程中，氧便以FeO形式析出,影响钢的质量。所以,要炼成合格的钢,就必须脱氧。脱氧是将与氧亲和力较大的元素及其合金作为脱氧剂加入钢液中，利用脱氧产物不溶于钢液而析出上浮脱离钢液的原理,使钢中的含氧量降到规定限度之下(见钢的脱氧反应)。在生产中常用的脱氧元素锰、硅、铝,它们的脱氧能力依次递增。为提高脱氧效率,使脱氧产物易于形成大颗粒排出，脱氧剂的加入一般应采用由弱到强的顺序，即先加锰铁，再加硅铁，最后加铝（或铝铁）。

把高磷生铁吹炼成钢的一种转炉炼钢法，由发明者的姓而得名，又名碱性转炉炼钢法。是20世纪上半叶西欧（法国等）采用的主要炼钢方法。70年代基本上已被氧气转炉法所淘汰。原料生铁含磷1.8～2.2%，是炼钢过程中主要的发热元素。托马斯炉用碱性炉衬(白云石配加10%沥青)，炉中造碱性渣，能去除磷和硫。磷主要是在冶炼末期（“后吹”期）进入渣中的。托马斯炉渣含P2O515～20%，可作肥料使用。

19世纪初期，随着工业革命的迅速发展，对钢铁的数量和质量的需求越来越高。于是，人们开始寻求新的更加有效的炼钢方法。1879年，英国冶金学家托马斯提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。

英国军事工程师贝塞麦于1856年在英国科学协会发表演讲，题目是《不使用燃料、只吹入空气就可以变铁水为钢》。他提出将熔化的生铁放入转炉内，吹进高压空气，使生铁中所含的硅、锰、碳、磷燃烧掉，从而炼出钢来。贝塞麦发明了梨形可动式转炉，只花10分钟就可把10吨～15吨铁水炼成钢。若是用搅拌法需几天时间才能完成。所以，这是一种生产率高、成本低的炼钢方法，成为冶金史上的一大创举。但是，贝塞麦发明的转炉是酸性转炉，在酸性转炉环境中，磷很难被氧化除掉。所以，贝塞麦转炉在欧洲只适用于拥有大量低磷低硫铁矿石的瑞典和奥地利等国。

用氧气代替空气的优越性早被认识，但因未能获得大量廉价的工业纯氧，长期未能实现。到20世纪40年代，空气分离制氧以工业规模进行生产之后，炼钢大量用氧有了可能。但是,旧有转炉改用氧气吹炼,炉底风眼烧损很快，甚至使吹炼无法进行。1948年杜雷尔(R.Durrer)在瑞士采用水冷氧枪垂直插入炉内吹炼铁水获得成功，1952年奥地利林茨(Linz)和多纳维茨 (Donawiz)钢厂建立30吨氧气顶吹转炉车间。后来就按这两个地名的第一个字母称氧气顶吹转炉炼钢法为LD炼钢法。50年代，LD炼钢法传播到世界各国，逐步取代平炉炼钢法。随着顶吹氧转炉的问世，也出现了其他类型吹氧炼钢方法，如卡尔多转炉(Kaldo)炼钢法,罗托转炉(Rotor)炼钢法,但都未能推广。喷石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法,称LD-AC法，可以吹炼含磷高的生铁，在氧气底吹转炉问世前曾应用于高磷生铁炼钢生产。

1879年，英国冶金学家托马斯提出了碱性转炉炼钢法，即采用白云石高温烧成的熟料，混合焦油做成碱性的耐火砖炉衬，冶炼过程中吹入空气并加入生石灰。这样便使整个反应在碱性高温条件下进行，被氧化的磷与石灰结合起来，残留于渣内而不返回钢内，脱磷问题因此得以解决。托马斯的这一方法，很快被盛产含磷铁矿石的德国、法国广泛应用，从而进一步促进了炼钢的发展。

第二次世界大战后，不少国家开始实验用纯氧代替空气炼钢。1948年奥地利首先取得了技术突破。此法是把生铁水与废钢混合，倒入转炉中，然后吹氧，将碳与杂质迅速烧掉。用这种方法炼出的钢，质量可与平炉炼出的钢相媲美，所需时间却只有平炉的十分之一。

我国

中国于30～40年代曾在各地用侧吹酸性转炉炼钢，总生产能力约10万吨/年。50年代，唐山钢厂试用碱性炉衬吹炼成功，并推广到全国各地。50～60 年代侧吹转炉钢产量曾达中国钢总产量的20%以上。50年代末，首先在北京建成30吨氧气顶吹转炉车间开始生产。以后在各地相继建成投产。1980年氧气转炉钢的产量占全国钢的总产量40.64%。2100433B

为了克服空气侧吹转炉炼钢热效率低、钢中含氮量高的缺点，用氧气代替空气吹炼是惟一的出路，但一般耐火材料喷嘴承受不了吹氧炼钢时的强烈侵蚀。1973年，中国东北工学院(冶金系、沈阳第一钢厂、唐山钢厂参照氧气底吹转炉使用油、氧喷嘴的经验，将侧吹转炉的风嘴改为油、氧喷嘴，解决了吹氧炼钢的喷嘴寿命问题。于是空气侧吹碱性转炉炼钢法被改造成为氧气侧吹转炉炼钢法。氧气侧吹转炉炼钢的工艺操作和空气侧吹碱性转炉炼钢基本相同。只是由于不再把空气中大量的氮吹入炉内，热效率提高，原料中废钢比可达10%～25%，钢铁料消耗降低30～100kg/t钢，铁损减少使炉龄也有了提高。油、氧喷嘴的构造如图4所示。它由两根同心套管组成，外管为无缝钢管，内管为紫铜管。铜管内通氧气，外壁切削出几条细的螺旋油槽，和外层钢管构成轻柴油的通路。轻柴油和氧同时吹入炉内，轻柴油在喷嘴出口受热气化和裂解，吸收了很多热量，使喷嘴受到冷却，喷嘴出口温度保持在200～250℃，使喷嘴能正常吹氧而保持较长的寿命。

从1974年到1976年，中国有26座空气侧吹碱性转炉改造成氧气侧吹转炉，总容量达150_t。在推广应用吹氧后，发现氧气侧吹转炉容量仍然不能增大。侧吹转炉的除尘设备大(因为需要在吹炼时倾动炉身，8t侧吹转炉和25t顶吹转炉的除尘设备相当);氧气侧吹转炉消耗轻柴油4～8L/t;钢铁料消耗比顶吹转炉高10～20kg/t。由于存在这些缺点，到90年代初，除唐山钢厂一个氧气侧吹转炉车间还在继续生产外，其余的氧气侧吹转炉或改为顶吹氧气转炉，或者停止了生产。

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早在1856年英国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代炼钢法的开端，它为人类生产了大量廉价钢，促进了欧洲的工业革命。但由于此法不能去除硫和磷，因而其发展受到了限制。1879 年出现 了托马斯底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。虽然转炉法可 以大量生产钢，但它对生铁成分有着较严格的要求，而且一般不能多用废钢 。随着工业 的进一步发展，废钢越来越多。

在酸性转炉炼钢法发明不到十年，法国人马丁利用蓄热原理，在1864年创立了平炉炼钢法，1888年出现了碱性平炉。

平炉炼钢法对原料的要求不那么严格，容量大，生产的品种多，所以不到20年它就成为世界上主要的炼钢方法。

20世纪50年代，在世界钢产量中，约85%是平炉炼出来的。1952年在奥地利 出现纯氧顶吹转炉，它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，使质量接近平炉钢，同时减少了随废气（当用普通空气吹炼时，空气含79 %无用的氮）损失的热量，可以吹炼温度较低的平炉生铁，因而节省了高炉的焦炭耗量，且能使用更多的废钢 。由于转炉炼钢速度快（炼一炉钢约10min，而平炉则需7h），负能炼钢，节约能源，故转炉炼钢成为当代炼钢的主流。

其实130年以前贝斯麦发明底吹空气炼钢法时，就提出了用氧气炼钢的设想，但受当时条件的限制没能实现。直到20世纪50年代初奥地利的Voest Alpine公司才将氧气炼钢用于工业生产，从而诞生了氧气顶吹转炉，亦称LD转炉。顶吹转炉问世后，其发展速度非常快，到1968年出现氧气底吹法时，全世界顶吹法产钢能力已达2.6亿吨，占绝对垄断地位。1970年后，由于发明了用碳氢化合物保护的双层套管式底吹氧枪而出现了底吹法，各种类型的底吹法转炉（如OBM，Q-BOP，LSW等）在实际生产中显示出许多优于顶吹转炉之处，使一直居于首位的顶吹法受到挑战和冲击。

顶吹法的特点决定了它具有渣中含铁高，钢水含氧高，废气铁尘损失大和冶炼超低碳钢 困难等缺点，而底吹法则在很大程度上能克服这些缺点。但由于底吹法用碳氢化合物冷却喷嘴，钢水含氢量偏高，需在停吹后喷吹惰性气体进行清洗。基于以上两种方法在冶金学上显现出的明显差别，故在20世纪70年代以后，国外许多国家着手研究结合两种方法优点的顶底复吹冶炼法。继奥地利人Dr.Eduard等于1973年研究转炉顶底复吹炼钢之后，世界各国普遍开展了转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复吹转炉，到20世纪80年代初开始正式用于生产。由于它 比顶吹和底吹法都更优越，加上转炉复吹现场改造 比较容易，使之几年时间就在全世界范围得到普遍应用，有的国家（如日本）已基本上淘汰了单纯的顶吹转炉。

传统的转炉炼钢过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉，并按一定 比例装入废钢，然后降下水冷氧枪以一定的供氧、枪位和造渣制度吹氧冶炼。当达到吹炼终点时，提枪倒炉，测温和取样化验成分，如钢水温度和成分达到 目标值范围就 出钢。否则，降下氧枪进行再吹。在出钢过程中，向钢包中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧、合金化。然后，钢水送模铸场或连铸车间铸锭。

随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量，扩大品种，节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升温的任务了。

从转炉炉身侧面吹入空气或氧气以氧化去除铁水中的杂质元素并提供热量而获得钢水的转炉炼钢方法。根据转炉炉衬材料和吹入的氧化性气体的不同，侧吹转炉炼钢法有：空气侧吹酸性转炉炼钢法，即小型贝塞麦法，空气侧吹碱性转炉炼钢法和氧气侧吹转炉炼钢法3种。