非金属夹杂物是影响轴承钢等高品质特殊钢性能如疲劳寿命的重要原因,钢中非金属夹杂物的数量、尺寸和分布是衡量轴承钢重要的质量指标。在现有高品质特殊钢的生产工艺流程中,对非金属夹杂物的控制大多通过LF、RH或者VD环节精炼处理,而LF、RH和VD等精炼环节在去除非金属夹杂物时需要很长的时间。这些精炼工艺虽然能生产出高品质特殊钢,但是生产的效率比较低。如何提高钢水去除夹杂物的效率成为优化轴承钢等高品质特殊钢生产工艺的难点和关键,本文研究内容为“十二五”攻关国家科技支撑计划课题的研究任务之一,重点研究钢水中固态微小夹杂物的高效快速去除技术,为开发高品质特殊钢的快速去除夹杂物的生产工艺装备提供实验室数据和理论基础。本文分析研究了单一气泡上升过程中通过粘附或尾流捕捉夹杂物上浮而去除的机理、特点等,比较全面地重点研究了气泡尾流带动夹杂物上浮而被去除的过程、规律和影响因素。深入研究了常规底吹氩去除夹杂物熔池中大气泡气液两相流和弥散微小气泡气液两相流去除夹杂物规律、影响因素以及机理。在此基础上研究了扩大熔池中微小气泡区域去除夹杂物的效果,分析了大区域弥散微小气泡和覆盖渣去除夹杂物的机理,设计出了实际钢包熔池内弥散微小气泡过滤快速去除夹杂物的技术。研究结果表明：(1)对于单气泡而言,细小气泡有利于夹杂物通过粘附被去除,大气泡有利于夹杂物通过尾流卷吸带引上浮被去除。气泡直径、夹杂物直径和夹杂物浓度对气泡的粘附速度和俘获速度影响较大。(2)研究表明在相同流量下弥散微小气泡气液两相流内气泡数量多,分散度和比表面积大,去除夹杂物效率显著高于大气泡气液两相流。底吹流量超过一定临界值时,弥散式透气砖产生的弥散微小气泡发生碰撞聚合长大,气泡群去除夹杂物的效果变弱。常规底吹氩去除夹杂物不足之处是产生的弥散小气泡群区域有限。(3)实验发现增加微小气泡两相流在熔池中分布的比例,可大幅度提高夹杂物去除效率。在相同流量情况下,采用全熔池弥散微小气泡方式的夹杂物去除效率是普通狭缝式单底吹的1.7倍,处理4 min即可达到97%的去除率。(4)在钢包底吹氩过程中夹杂物主要通过气泡粘附、液流带引上浮到钢渣界面后被覆盖渣吸收而去除。底吹流量相同时,弥散小气泡群的排渣面直径小,对钢渣界面的搅动程度也小,夹杂物去除效率高。上浮夹杂物与渣层接触频率最高的区域为排渣口处的渣钢界面。随着底吹砖个数的增加,渣钢界面处的气泡作用区域扩大,湍流强度减小,有利于渣层去除夹杂物。(5)结合生产过程中钢包结构和运行特点,提出了在实际钢包熔池内实现大区域分布弥散微小气泡过滤快速去除夹杂物的技术方案。在相同流量情况下,考虑综合因素下的大区域弥散微小气泡区域分布优化方式的夹杂物去除率是普通狭缝式单底吹的1.6倍,在底氩9 min时去除率即可达到95.2%。(6)本文对大区域弥散微小气泡去除夹杂物的规律进行了因次分析,通过大量数据统计建立了大区域弥散微小气泡方式去除夹杂物效率与影响因素之间的经验关系式,为今后进一步研究和工程设计提供了理论基础。