托馬斯法

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%，不可能用貝塞麥法鍊鋼，因此迫使人們尋找能脱磷的新鍊鋼方法。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鍊鋼的難題，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)的主要鍊鋼法。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，在氧氣鍊鋼法問世後，逐步被氧氣轉爐鍊鋼法所取代。到20世紀70年代，隨着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脱磷和脱硫的問題。這種鹼性造渣法隨後又被應用於平爐和氧氣轉爐，鹼性鍊鋼法已成為鍊鋼的最基本的方式。托馬斯鍊鋼法是利用高磷生鐵(1.5%～2.2%P)鍊鋼的最有效方法，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鍊鋼法，仍然是用高磷生鐵鍊鋼的有效方法。 ^[2] 

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%。生鐵中硅含量應低，如硅太高，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。生鐵中的錳有利於脱硫，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%;鐵水温度1200～1250℃。

操作分為硅錳氧化期、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期為硅和錳氧化期，硅、錳很快氧化為SiO₂與MnO，並向熔池供熱。SiO₂與石灰生成硅酸鈣，與MnO形成硅酸錳。由於是鹼性渣，硅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;由於鐵水温度與含硅量均低，還加入了大量冷石灰，故爐温上升比貝塞麥法慢。隨後進入第2期即碳氧化期，由於温度較貝塞麥法低，火焰略帶黃色。此期噴濺較多，熔池温度不上升甚至下降。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，爐温顯著提高。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，脱磷可以高速進行，而鐵不致大量氧化。但磷脱到相當低時，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温度的變化見圖。吹煉結束進行脱氧，必要時，根據鋼的含碳量要求加入增碳劑。為防止回磷，脱氧時需將爐渣出盡。或實行擋渣出鋼，在鋼包內脱氧和增碳的操作。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。 ^[2] 

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脱磷，加鐵礦石或軋鋼屑降低熔池温度，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。

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鍊鋼的方法，稱為“托馬斯法”。此法利於大量脱磷，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鍊鋼方法。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，解決含磷鐵礦石的鍊鋼問題成了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)發明的鹼性轉爐鍊鋼法，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温下燒成的熟料，混合焦油製成鹼性耐火磚，代替原來用粘土燒成的酸性硅酸質耐火磚，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，使高温中被氧化的磷與石灰結合起來，殘留在渣內，解決了脱磷問題。1878年8月，他向英國鋼鐵協會正式作了報告，其鹼性轉爐鍊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。