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钢包精炼炉(Ladle Furnace,简称LF)是洁净钢精炼的重要手段之一,在国内外钢铁企业得到了广泛应用。随着洁净钢冶炼技术的发展,LF精炼过程升温速率低导致精炼时间长,以及容易使钢水增碳、增氮而不利于低碳、低氮钢精炼等缺点暴露越来越突出。这使得LF向高效率化(快速、高质量、高洁净度)方向发展的要求越来越迫切。近年来,通过优化LF供电和吹氩等操作制度,采用预熔渣、泡沫渣的造渣技术等对此起到了一定的改进作用。但是,到目前为止,LF的这些缺点仍没有得到较好解决。本文在广泛查阅国内外文献的基础上,对LF利用中空电极喷吹气体过程中的冶金行为进行了系统研究。应用等离子体局部平衡热力学和冶金热力学理论,建立了氩氢等离子体粒子数密度计算模型,分析计算了氩氢体系中的粒子数密度；研究了LF中空电极喷吹Ar-H2、Ar-CH4体系的脱碳、脱氮机理。在此基础上,在实验室100kg LF和某厂14tLF上开展了中空电极喷吹气体精炼试验,研究了喷吹Ar-H2、Ar-CH4、Ar-CO2、Ar-液化气和Ar-天然气对熔池内w[C]、w[N]和w[H]以及熔池温度、电极消耗的影响。并建立了基于BP人工神经网络的钢水温度预报模型和中空电极吹气过程的电极消耗模型。通过上述研究,得到的主要结论如下：(1)在LF中空电极喷吹Ar-H2或Ar-CH4构成的等离子体体系温度范围内,电弧等离子体中氢原子粒子数密度最大,氢原子与碳、氮反应生成物的分压远远大于氢分子反应生成物的分压。氢原子是脱碳、脱氮的主要反应物,CH4和NH3是氢原子脱碳、脱氮的主要反应产物。(2)LF中空电极喷吹Ar-H2、Ar-CH4或Ar-CO2混合气体均能降低钢液增碳量。直流供电时,喷吹Ar-H2、Ar-CH4、Ar-CO2混合气体时的最大增碳速率为实心石墨电极精炼时的66.7%、31.48%和74.2%。(3)LF中空电极喷吹Ar-H2、Ar-CH4、Ar-液化气混合气体均对钢液有脱氮作用,其最低脱氮速率分别为0.30×10-6/min、0.233×10-6/min和0.18×10-6/min。(4)LF中空石墨电极喷吹Ar-H2、Ar-CH4、Ar-CO2和Ar-液化气等气体时,熔池的最大升温速率均明显加快。直流供电时,它们的最大升温速率分别是实心电极精炼时最大升温速率的6.92倍、5.35倍、3.05倍和12.17倍。(5)建立了基于BP神经网络的中空电极喷吹气体的LF温度预报模型。预报结果表明,有30.8%的炉次误差绝对值在10K以内,有76.9%的炉次误差绝对值在20 K以内。误差绝对值的平均值为16.9 K,最小误差绝对值为3 K。(6)直流供电时,喷吹Ar-H2、Ar-CH4和Ar-CO2混合气体时电极消耗速率均小于实心电极精炼时的电极消耗速率,前者比后者至少分别减少2.1%、32.4%和34.7%。(7)中空电极喷吹混合气体过程的石墨电极消耗模型计算值与实验测定的实际值误差较小,有39.3%的数据误差绝对值小于0.05kg,误差绝对值的平均值为0.101 kg。(8)工业试验结果表明,LF采用中空电极喷吹Ar-天然气时,各炉次均出现了明显的脱碳过程,脱碳速率最高达到4×10-6/min,最高脱碳率达到13.25%。平均脱氮速率为1.12×10-6/min,平均脱氮率为18.57%。与实心电极精炼相比,平均升温速率提高26.18%。