Томасовский процесс¶

Томасовский процесс — это способ передела жидкого чугуна в сталь путём продувки его воздухом или кислородом в конвертере с основной футеровкой, разработанный в конце XIX века и применявшийся до середины XX века. В отличие от бессемеровского процесса, томасовский процесс позволял перерабатывать чугуны с высоким содержанием фосфора (до 2 % и более), что было особенно важно для регионов с фосфористыми рудами, такими как Лотарингия и Урал. Процесс назван по имени английского изобретателя Сидни Гилкриста Томаса (1850–1885), который в 1877–1879 годах совместно с кузеном Перси Гилкристом разработал технологию удаления фосфора из чугуна в конвертере.

¶История

¶Предпосылки создания

В середине XIX века бессемеровский процесс, изобретённый Генри Бессемером в 1856 году, позволял получать сталь из чугуна с низким содержанием фосфора (менее 0,1 %). Однако многие месторождения железных руд в Европе, особенно в Лотарингии, Люксембурге, Бельгии и на Урале, содержали значительное количество фосфора (0,5–2,5 %). При бессемеровании фосфор не удалялся, а переходил в сталь, делая её хрупкой и непригодной для ответственных конструкций. Проблема переработки фосфористых чугунов стала серьёзным ограничением для металлургической промышленности.

¶Разработка технологии

Сидни Гилкрист Томас, работавший клерком в лондонском суде, заинтересовался металлургией и начал самостоятельно изучать химию. В 1877 году он предложил использовать в конвертере основную футеровку (из доломита или магнезита) вместо кислой (кремнезёмистой), применявшейся в бессемеровском процессе. Основная футеровка позволяла связывать фосфор в шлак, который затем удалялся. Томас также разработал способ добавки извести (CaO) в конвертер для образования фосфата кальция — основного компонента томасовского шлака.

В 1879 году Томас и Гилкрист провели успешные опыты на заводе в Блайнавоне (Уэльс), а затем технология была внедрена на металлургических заводах в Лотарингии и Германии. К 1880-м годам томасовский процесс стал основным способом производства стали в Европе, особенно в Германии, Франции, Бельгии и Люксембурге.

¶Распространение и упадок

В конце XIX — начале XX века томасовский процесс обеспечивал до 70 % мирового производства стали. В России он применялся на Урале (например, на Верх-Исетском заводе) и в Донбассе. Однако с развитием мартеновского процесса (1864) и особенно кислородно-конвертерного способа (1950-е годы) томасовский процесс постепенно утратил значение. К 1970-м годам он был практически полностью вытеснен более эффективными технологиями, позволяющими перерабатывать чугуны любого состава с меньшими потерями металла и лучшим качеством стали.

¶Химические основы

¶Удаление фосфора

Основная сложность при переработке фосфористого чугуна заключается в том, что фосфор (P) окисляется до P₂O₅, который в кислой среде (бессемеровский процесс) остаётся в металле. В томасовском процессе благодаря основной футеровке и добавке извести образуется фосфат кальция:

\[ 4P + 5O_2 + 6CaO \rightarrow 2Ca_3(PO_4)_2 + \text{тепло} \]

Фосфат кальция переходит в шлак, который всплывает на поверхность и удаляется. Шлак содержит до 15–20 % P₂O₅ и используется как удобрение (томасшлак).

¶Особенности продувки

В томасовском конвертере продувка воздухом (или кислородом) ведётся через донные фурмы. В отличие от бессемеровского процесса, где температура поддерживается за счёт окисления кремния и марганца, в томасовском процессе окисление фосфора даёт меньше тепла, поэтому требуется предварительный подогрев чугуна или использование высокоуглеродистых добавок. Процесс длится 15–25 минут, после чего сталь раскисляется ферромарганцем или ферросилицием.

¶Устройство конвертера

¶Конструкция

Томасовский конвертер — это грушевидный стальной сосуд ёмкостью от 10 до 50 тонн, футерованный изнутри основными огнеупорными материалами (доломит, магнезит). В дне конвертера расположены 10–20 фурм для подачи воздуха. В отличие от бессемеровского конвертера, томасовский имеет более толстую футеровку (до 500 мм) для защиты от агрессивного основного шлака.

¶Футеровка

Основная футеровка изготавливается из обожжённого доломита (CaMg(CO₃)₂) или магнезита (MgCO₃). Эти материалы устойчивы к воздействию основных оксидов (CaO, MgO) и не взаимодействуют с фосфатным шлаком. Срок службы футеровки составлял 100–200 плавок, после чего требовалась замена.

¶Технологический процесс

¶Подготовка шихты

В томасовский конвертер заливают жидкий чугун с содержанием фосфора 1,5–2,5 %, кремния — 0,3–0,8 %, марганца — 0,5–1,5 %. Для связывания фосфора добавляют известь (3–5 % от массы чугуна). В некоторых случаях добавляют железную руду или окалину для регулирования температуры.

¶Продувка

Процесс начинается с продувки воздухом под давлением 2–3 атмосферы. В первые минуты окисляются кремний и марганец, затем начинается окисление углерода (выделяется CO, который горит над конвертером). После выгорания углерода (через 10–15 минут) начинается окисление фосфора. Температура в конвертере достигает 1600–1650 °C.

¶Раскисление и выпуск

После завершения продувки сталь выпускают в ковш, добавляя раскислители (ферромарганец, ферросилиций, алюминий). Шлак, содержащий фосфат кальция, сливают отдельно и используют как удобрение. Сталь, полученная томасовским процессом, содержит 0,05–0,15 % углерода и 0,02–0,05 % фосфора.

¶Продукция и качество

¶Сталь

Томасовская сталь отличается повышенным содержанием азота (до 0,02–0,03 %), что делает её более хрупкой и склонной к старению. Она применялась для изготовления рельсов, балок, арматуры, труб и других массовых изделий, не требующих высокой прочности. Для ответственных конструкций (мосты, котлы) томасовская сталь считалась менее пригодной, чем мартеновская.

¶Томасшлак

Побочный продукт — томасовский шлак — содержит 12–20 % P₂O₅ и используется как фосфорное удобрение. В Германии и Франции в начале XX века томасшлак был основным источником фосфора для сельского хозяйства. Его размалывали в порошок и вносили в почву.

¶Преимущества и недостатки

¶Преимущества

• Возможность переработки фосфористых чугунов, непригодных для бессемерования.
• Высокая производительность (до 50 тонн за 20–30 минут).
• Получение ценного побочного продукта — томасшлака.
• Относительно низкая стоимость (не требовалось дорогих раскислителей).

¶Недостатки

• Высокое содержание азота в стали (до 0,03 %), ухудшающее её механические свойства.
• Большие потери металла с угаром (до 10–15 %).
• Необходимость частой замены футеровки.
• Ограниченный сортамент (только мягкие низкоуглеродистые стали).
• Загрязнение окружающей среды (выбросы CO, пыли, шлака).

¶Значение и наследие

¶Экономическое влияние

Томасовский процесс позволил использовать огромные запасы фосфористых железных руд Лотарингии, Люксембурга и Урала, что дало мощный импульс развитию металлургии в этих регионах. К 1900 году Германия стала крупнейшим производителем стали в Европе, во многом благодаря томасовскому процессу.

¶Научное значение

Разработка Томаса и Гилкриста стала важным шагом в понимании физико-химических процессов сталеварения. Она показала, что выбор футеровки и шлака может радикально изменить ход реакции. Принципы основной футеровки и удаления фосфора были впоследствии использованы в кислородно-конвертерном процессе.

¶Современное состояние

К концу XX века томасовский процесс полностью вытеснен кислородно-конвертерным и электродуговым способами. Однако томасшлак до сих пор производится в небольших количествах на некоторых заводах (например, в Индии) как удобрение. Исторические томасовские конвертеры сохранились в музеях металлургии (например, в Фёльклингене, Германия).

¶Интересные факты

• Сидни Гилкрист Томас не имел инженерного образования и работал клерком, но самостоятельно изучил химию и металлургию.
• Томасовский шлак в Германии называли «томасфосфат» и активно использовали в сельском хозяйстве до 1960-х годов.
• В России томасовский процесс применялся на Урале с 1880-х годов, но не получил широкого распространения из-за дефицита доломита и магнезита.