随着对钢产品质量要求的日益提高,许多高性能钢种的纯净度要求也越来越高。提高钢产品质量、生产纯净钢的关键在于控制夹杂物。采用炉外精炼和中间包控流技术等方法能够比较容易地去除钢液中大于50μm的夹杂物;小于1～3μm的超细且弥散分布的夹杂物可以成为晶内铁素体的形核核心,细化晶粒,改善钢材质量和性能。因此,去除钢中3～50μm的小夹杂物,特别是去除小于20μm的夹杂物是炼钢过程中必须且急需解决的重要问题之一。在中间包冶金工艺中,利用大包注流带入的强湍流钢液将长水口吹入的气体剪切成小气泡,去除钢液中小夹杂物技术的关键在于如何获得均匀弥散分布的小气泡以及如何保证钢液与气泡之间的混合条件。因此,深入研究小气泡的形成和分布特征以及小气泡与钢液的混合行为就显得尤为重要。本文将采用数值模拟的研究方法,研究强湍流条件下中间包内小气泡的形成和分布特征,研究小气泡对中间包内钢液流动行为产生的影响,在此基础上,找到一种新的方法,控制中间包内钢液的流动模式,为小气泡和钢液的充分混合创造良好的条件。主要研究内容包括以下几个方面:建立中间包内气液两相流的三维数学模型,系统地研究小气泡对中间包内钢液流动行为、温度分布和夹杂物去除效果的影响规律。与不吹气进行对比,吹气后中间包内流体射流角由3°增加到17°;包内最大湍动能由0.81694 m~2/s~2增加到1.07746 m~2/s~2;液面波动由2.3 mm增加到3.1 mm;中间包内平均停留时间由511.3 s延长到534.2 s、死区体积分数由21.2%减少到16.8%、活塞流与死区体积分数之比由0.73增大到1.06。采用正交试验的方法研究长水口吹气孔径、吹气孔数和吹起孔分布参数对中间包内钢液的平均停留时间、流动模式、温度分布和夹杂物去除效果等的影响规律。以正交试验直观分析法对吹气方式进行一次优化后选出二次优化吹气方式。得到的二次较优吹气方式为吹气孔分布为2排、吹气孔径为1.0 mm、吹气个数为6个;二次次优为吹气孔分布为1排、吹气孔径为1.0 mm、吹气个数为12个。然后对比二次优化方案,选出最优吹气方式。最后在此基础上,采用单因素分析的方法,研究长水口吹气孔径、吹气孔数、吹气孔分布和吹气量吹气因素对中间包内小气泡形成和分布的影响规律。随着吹气孔径的增大、吹气孔数增多,形成的小气泡在中间包内的分布更弥散;吹气量越小,形成的小气泡在中间包内分布更弥散。为使小气泡在中间包内稳定弥散分布,促进小气泡和钢液的充分混合,设计三种新型控流装置。研究新型控流装置对中间包内小气泡分布以及小气泡和钢液的气液两相流动行为的影响规律,获得较优的新型控流装置结构。与不使用新型控流装置相比,一号新型控流装置对流动模式改善效果更佳,中间包内平均停留时间延长了32.4 s,死区体积分数减少了7.2%;10μm夹杂物去除率增加了20.9%;20μm夹杂物去除率增加了20.3%。