钢铁已广泛应用于汽车工业、建筑业和船舶工业等。提高钢材的强度、韧性和塑性对相关工程部件的使用性能和寿命周期有显著的好处。提高钢材力学性能可以通过形变诱导相变以及热处理来实现,但由于其操作的复杂性,向钢液外加纳米级氧化物能够简单高效的提高钢材的力学性能。外加纳米粒子能够在钢液内成为形核核心,订扎在奥氏体晶界上以阻碍位错运动,起到细化晶粒的作用,进而提高钢材的力学性能。因此,本文以提高钢材力学性能的实际需求为背景,通过理论分析,熔炼实验与数值模拟相结合的方式,对外加纳米ZrO2粒子在钢液中的运动行为和分散性进行研究,旨在探索出外加纳米ZrO2粒子在钢液中均匀分散的方法。取得的主要研究成果如下:通过对纳米ZrO2粒子的表面特性进行分析,测量其与钢液的润湿角为130°,制备一种铁包覆二氧化锆的预分散纳米粒子以解决外加纳米粒子在钢液中润湿性差的问题,利用扫描电子显微镜（SEM）对其进行表征,结果表明:改性性后的纳米ZrO2粒子被铁包裹在中间,防止其在添加前发生团聚,起到了预分散、超扩散的作用,改性后的纳米ZrO2粒子与钢液的润湿角降低至50°,润湿性更好。分别向钢液中添加纳米ZrO2粒子和改性纳米ZrO2粒子,对两种试样的显微结构进行观察,对其硬度和抗拉强度进行测试,实验结果表明:外加纳米ZrO2粒子可以对钢材起到细化晶粒作用,晶粒尺寸分别由72.05μm降至66.25μm和31.68μm,改性纳米ZrO2粒子细化晶粒效果最明显,晶粒细化程度提高了127.43%,钢材硬度提高了47.76%,抗拉强度提高了42.1Mpa,延伸率提高了10.26%。利用高温激光共聚焦显微镜建立物理熔炼模型,通过对钢液凝固过程进行分析,观察铁素体的形核及生长变化过程,得到了相的转变规律以及相变温度,计算出纳米ZrO2粒子影响针状铁素体形核的临界尺寸为2.2μm,明确了外加纳米ZrO2粒子作为形核核心,订扎在奥氏体晶界减小组织晶粒尺寸,对外加纳米ZrO2粒子诱导铁素体形核进行动力学计算和热力学分析。分别对比了纳米ZrO2粒子和改性纳米ZrO2粒子在钢液中的分散均匀性,计算其在钢液中的收得率分别为16.23%和55.25%;利用Moricia分散指数对其进行定量表征,改性纳米ZrO2粒子的I值为0.93,说明其在钢液中低的分散较为均匀;根据Stocks公式分析了纳米ZrO2粒子在钢液中的运动行为,得出纳米ZrO2粒子在钢液中的停留时间越长收得率越高;分别从上、中、下部添加纳米ZrO2粒子,比较不同添加位置纳米ZrO2粒子在钢液中的收得率,结果表明:底部添加法粒子的收得率最高为62.14%。时的收得率为63.5%;比较从不同部位喷吹纳米ZrO2粒子的收得率和分散均匀性,结果表明:上部喷吹法的收得率为17.2%,中部喷吹法的收得率为55.6%,底部喷吹法的收得率最高;提出一种底部螺旋喷吹的添加方法,能够显著提高纳米ZrO2粒子在钢液中的分散均匀性,收得率更高为87.6%。最终确定对纳米ZrO2粒子进行表面改性处理配合底部螺旋喷吹的添加方式,可以最大程度提高纳米ZrO2粒子在钢液中的收得率以及分散均匀性。