在铁水进入炼钢炉冶炼前，除去其中的某些有害成分或提取其中某些有益成分的工艺过程。可分为普通铁水预处理和特殊铁水预处理。前者有铁水预脱硫，铁水预脱硅，铁水预脱磷；后者有铁水提钒，铁水提铌，铁水脱铬等。实行铁水预处理可有效地提高铁水质量，减轻炼钢负担，为优化炼钢工艺和提高钢材质量创造良好条件；对特殊铁水，通过铁水预处理可有效地回收利用有益元素，实现综合利用。

简史         

铁水预处理工艺始于铁水炉外脱硫，1877年伊顿(A．E．Eaton)等人用以处理不合格生铁。铁水预脱硅、预脱磷则始于1897年，英国人赛尔(Thiel)等用一座平炉进行预处理铁水，脱硅、脱磷后在另一座平炉中炼钢，比两座平炉同时炼钢效率成倍提高。到20世纪初人们主要致力于炼钢工艺的开拓和改进。铁水预处理技术发展曾一度迟缓。直至60年代，随着炼钢工艺的不断完善和材料工业对钢铁品种质量的严格要求，铁水预处理得到了迅速发展，逐步形成为钢铁冶金的必要环节。与此同时不断发展了铁水预处理过程中提钒、提铌、提钨、脱铬等技术，使铁水预处理成为钢铁冶金中综合利用的一个手段。

原理       

铁水预处理是在原则上不外加热源的情况下，利用处理剂中活性物质和铁水中待脱除(或富集)元素进行快速反应，形成稳定的渣相而和铁水分离的过程。

热力学   

铁水预处理的热力学过程属钢铁精炼反应过程。铁水预处理脱硫反应为

[S]+M=(MS)      (1)

或[S]+MO=(MS)+[O]          (2)

[S]+MC=(MS)+[C]              (3)

式中M指金属脱硫剂中金属元素(如Mg，Ca，CaSi)；MO为金属氧化物脱硫剂(如CaO)；MC为金属碳化物脱硫剂(如CaC₂ )。铁水预处理脱硅，脱磷反应为

[Si]+2[O]=(SiO₂)          (4)

4／5[P]+2[O]=(2／5P₂O₅)      (5)

铁水预处理提取有价元素反应为

4／3[V]+2[O]=(2／3V₂O₃ )     (6)

4／3[Cr]+2[O]=(2／3Cr₂O₃ )     (7)

[Nb]+2[O]=1／2(Nb₂O₄ )      (8)

[W]+3[O]=(WO₃)         (9)

概括起来铁水预处理过程受温度、气氛(即氧势)、被脱除(或提取)元素在渣铁相间分配率及在铁相中的活度的影响。可用以下通式表示：

           (10)

式中L_M 为被脱除(或提取)元素在渣铁相间分配率，在物理化学中L_M =(%M) / a_(M) ，此值越大预处理剂的脱除(或提取)能力越强；C_M为渣相对元素的容量，此值由渣成分决定，是提高预处理剂效能的重要因素；a _[O] 是氧在铁相中的活度，即铁相的氧势，它在脱硫与脱硅、脱磷及有价元素提取中要求不同，脱硫时取负指数关系，其他预处理取正指数关系；n为元素和氧之间的摩尔比；f _[M] 为元素在铁相中的活度系数。

经铁水预处理后，元素在铁相中的最终含量最佳值[Mt]可用下式求得：[Mf]=[M₀ ]／(1+L_MVV_s )×10³               (11)

式中[M_o]，[M _f  ]为预处理前后元素在铁水中的含量，％；W_s 为渣、铁比值，L_M 为渣、铁间元素含量分配比。

根据不同预处理剂脱除元素反应热力学可计算出脱硫自由能变量ΔG^。和平衡含硫量与温度的关系(图1)及元素氧化自由能变量(ΔG^。)(见图2)。

 

 

 

动力学   

铁水预处理属瞬时快速反应过程，反应动力学尤须重视。元素的脱除速度为

     (12)

式中d[%M] / dτ 为瞬时元素变化率(即脱除速度)．[％M]为某瞬时的元素含量；k为表观速度常数。

另外，渣剂与铁液的相间接触方式对元素由铁相向渣相的转化影响极大、不同的渣、铁接触方式反应转移率不同：

(1)持续相接触方式及其反应转移率。持续接触方式中渣、铁相处于静态接触状态，反应效率低。如图3所示。元素由铁相向渣相转移的速率为

                                                                                

 

三种渣、铁相接触方式比较，持续接触方式的冶金反应效率最低。人们可根据实际条件选择适宜的铁水预处理方式，以便获得最佳反应转移率。

工艺         

铁水预处理工艺方法有：铁水沟连续处理法，铁水罐喷吹法，机械搅拌法，专用炉法，摇包法，转鼓法，钟罩法以及喷雾法等。

铁水沟连续处理法           

一种最简易的铁水预处理方法。它又分上置法和喷吹法两种。前者只需将预处理剂(铁水脱硫剂、脱硅剂或脱磷剂)铺撤在铁水沟适当位置，预处理即随铁流而下，靠铁流的搅动和冲击使预处理剂和铁液发生反应而脱除有关杂质元素；后者则需在铁水沟上设置喷吹搅拌枪或喷粉枪，使预处理剂经喷吹搅拌强化与铁水的接触。

                                                                                                

                                             

铁水罐喷吹法        

将预处理剂用喷枪喷入铁水罐内的铁水中，使其与铁水充分反应，达到净化铁水、脱除(或提取)有关元素的目的。铁水罐有鱼雷罐和敞口罐之分。喷枪除喷粉枪外，有时设喷氧或空气的副枪。

机械搅拌法    

将置于铁水表面的预处理剂通过搅拌桨的搅动使其与铁水有效接触的一种高效方法，这种方法多用于深度脱硫。

专用炉法     

专用炉亦称H炉，是一种容量宽松易于控制的铁水预处理专用设备。亦有将备用炼钢转炉作专用炉的。

摇包法       

将预处理剂和铁水分别加入偏心旋转的摇包中，通过摇包的偏心摇动使铁水和预处理剂充分接触。此法最早用于铁水脱硫，后发展到提取钒等有价元素的铁水预处理方面。

回转炉法   

也称转鼓法将预处理剂和铁水分别加入旋转的转鼓，通过转鼓旋转使预处理剂和铁水密切接触。此法用于早期铁水脱硫，已逐步被淘汰。

钟罩法       

将活性大、易气化的预处理剂置入带孔钟罩，随钟罩沉入铁水罐底部。随着预处理剂的不断气化，在铁水中上升而实现高效预处理目的。此法主要用于金属镁脱硫。

喷雾法       

在铁水流经喷嘴处用空气喷射法将铁水雾化，使铁水中的元素(主要是稀有有价元素V，W，Nb等)氧化而进入渣相的处理方法。

预处理剂      

针对不同的铁水预处理目的，选择资源充足、廉价，高效的预处理剂。

脱硫剂     

常用的有活泼金属脱硫剂(如金属镁)，碳化物脱硫剂(如电石CaC₂ )，碳酸盐脱硫剂(如苏打Na₂CO₃ )，氧化物脱硫剂(如石灰CaO)及复合脱硫剂(两种以上脱硫剂，或脱硫和助熔剂按一定比例配制而成)。

脱硅、脱磷剂     

脱硅、脱磷皆以氧化剂为主、辅之以熔剂及活化剂。氧化剂有固体氧化剂，主要是铁氧化物(如轧钢的氧化铁皮、精矿粉、烧结矿粉、氧化铁烟尘等)，或锰矿粉；有气体氧化剂，主要是氧气。熔剂主要用石灰，也有用苏打的，它们起着固化硅、磷等氧化物作用，形成稳定的硅酸盐或磷酸盐，同时降低渣熔点。活化剂是用来激化脱硅、脱磷反应的物质(如CaF₂，CaCl₂等)，也起助熔作用。

脱硅剂和脱磷剂类型相同，只是品质和数量要求不同，需根据具体要求配制。

应用及发展       

几种铁水预处理的应用实例介绍如下：(1)铁水预脱硫应用较广泛，脱硫剂及脱硫方法方案较多(见表1)；(2)铁水预脱硅、预脱磷及同时脱磷、脱硫(即三脱处理)是提高钢材材质，少渣炼钢的重要措施(见表2)。

 

 

为了进一步改进和简化炼钢工艺，提高钢材质量，并逐步实现共生铁矿综合提取和利用，铁水预处理将逐步实现全脱预处理和深处理，即将铁水预处理纳入钢铁冶金工序，实现全量铁水预处理，形成配套技术，并加强自动化控制。图6是20世纪80年代形成的最佳钢铁冶金工艺流程。