气泡精炼技术具有成本低、对设备改动小、夹杂物去除效果好等优点,是炼钢流程中不可或缺的精炼手段。溶气气浮技术是一种新型气泡精炼技术,该技术基本原理为,在吹氩站或LF精炼中将氮气或氢气等可溶性气体通入钢液中,提升钢液中可溶性气体元素含量,在此过程中,钢液可处于常压或高压气氛中;之后在VD或RH精炼中对钢液进行真空处理,使气泡在夹杂物表面异相形核,析出微小气泡;气泡在上浮过程中能够不断粘附夹杂物,并最终携带夹杂物上浮至渣中去除,有效提升钢液洁净度。本文通过建立气泡形核热力学、气泡生长与上浮动力学模型、结合水模型冷态实验、实验室热态实验以及工业试验等手段对溶气气浮技术进行研究,深入探究溶气气浮技术的机理及应用效果。主要研究内容及结果如下所示。(1)基于经典凝固形核理论,建立了钢液/(N2、H2)饱和体系析气过程中气泡在凸球形夹杂物表面形核的热力学模型,得到气泡凸球面形核临界形核半径计算关系式。基于热力学模型分析气泡凸球面形核与平面形核的差异,分析了不同因素对气泡球凸面形核的影响。结果表明,气泡凸球面形核难度比平面形核难度大。随着夹杂物尺寸增加,气泡凸球面形核所需吉布斯自由能变化减小,并接近于平面形核。钢液深度增加,气泡平面形核与凸球面形核难度差异增加,气泡临界形核半径增加,形核可能性降低。气泡更容易在尺寸较大、润湿角较大的夹杂物表面形核。夹杂物尺寸、夹杂物润湿角、真空处理压力对气泡临界形核深度影响很小,增加溶气压力可以显著扩大气泡在钢液中的形核范围,降低气泡形核难度。(2)建立了钢液/(N2、H2)饱和体系析气过程中气泡生长与上浮动力学模型,并推广到水/CO2体系中,通过水模型实验验证了动力学模型。分析结果表明,采用溶气气浮技术时,钢中气泡在90%的滞留时间内直径为0.2-10 mm,且分布弥散,对夹杂物粘附概率高。溶气压力升高或气泡临界形核深度减小,气泡生长与上浮速度加快、上浮时间缩短。夹杂物尺寸及真空处理压力对气泡生长与上浮的影响较小。相较于氮气泡,氢气泡生长与上浮速度更快、上浮时间更短,能够有效提升夹杂物去除效率。(3)采用10 kg真空感应炉开展实验室热态实验,研究了溶气气浮技术对硅锰脱氧钢中夹杂物的去除效果,并设置五组溶氮压力,研究溶氮压力对夹杂物去除效果的影响。结果表明,该技术对硅锰脱氧钢中夹杂物及T[O]去除效果显著,终点T[O]、T[N]均控制在10×10-6以下,夹杂物去除率均达到40%以上;溶氮压力升高,夹杂物及T[O]去除率均增加。溶氮压力的提高可以降低气泡形核难度,增加气泡形核率、气泡数量及气泡密度,能够有效增加气泡粘附夹杂物的概率和数量,提高夹杂物去除效果及去除效率。(4)开展工业试验,研究了常压溶气气浮技术在实际生产条件下对钢中夹杂物的去除效果。试验结果表明,该技术能够在实际生产中有效去除钢中夹杂物,铸坯中夹杂物数量及平均氧含量在传统底吹氩气精炼方法的基础上分别下降了 52.9%、34.38%。同时,钢中3μm以下的夹杂物去除效果显著,大于10 μm的夹杂物全部被去除。实际生产中,采用常压溶气气浮技术时气泡形核深度范围较小,配合底吹氩气后,钢液深处的夹杂物可以运动至钢液上部,气泡能够在其表面形核并上浮,实现夹杂物的深度去除。(5)搭建RH水模型设备,研究了溶气气浮技术在RH水模型中的应用效果及机理。结果表明,RH水模型中的气泡能够在上升管吹气孔附近低压区域中形核生成,大量弥散的微小气泡由RH水模型下降管进入钢包内,气泡随流体冲击钢包底部后可以运动至钢包各区域内,小于200 μm的气泡占80%以上。溶气气浮技术能够有效改善RH水模型的混匀情况,粒子去除率达到67.1%-86.18%。分析发现在RH原型中,微小气泡能够在上升管、下降管及真空室内的钢液中形核生成。RH水模型与原型中气泡的运动轨迹相似,但是RH水模型生成的微小气泡能够运动至钢包底部,并随水流反弹后上浮至钢液表面;而RH原型生成的微小气泡无法运动至钢包底部,随钢液运动由下降管进入钢包后,一部分气泡可以上浮至钢液表面溢出,另一部分气泡则到达熔池一定深度后溶解至钢液中。