不锈钢冶炼新技术的开发一直是不锈钢冶金工作者关注的研究课题。单嘴精炼炉,简称“单嘴炉”,是我国原创的一种钢液真空炉外精炼装置,长期的工业性批量试验已经证明了该炉型在电工钢、轴承钢等品种冶炼方面具有精炼效率高、生产成本低及设备简单等技术优势。将单嘴炉技术优势应用于不锈钢的冶炼是一种全新的研究探索。开展这方面的研究对我国不锈钢冶炼新技术的开发具有重要的理论意义和实际应用价值。本文以单嘴精炼炉冶炼不锈钢为研究背景,围绕冶炼过程的关键冶金机理及工艺开展深入研究。通过物理和数值模拟明确了气泡长距离上浮的演变行为,解析了单嘴炉内部全钢液区域的流场结构;提出了炉型结构的最优化控制原则;证实了浸渍管偏移和双透气砖搅拌能有效提高浸渍管外围钢液的流动性,提出了偏心距和双透气砖布置的最佳控制方法。建立了真空室“钢-渣”冷态模拟装置,阐明了顶渣的流动特征及循环机理,并进一步结合25吨工业单嘴炉进行了流场和炉型设计,完成了冶炼304不锈钢的工业性试验及冶炼效果评估。建立了单嘴炉冶炼不锈钢的工艺数学模型,提出了不锈钢冶炼工艺的控制关键点。主要研究结果如下:(1)钢包底部吹入的气体气泡在钢液中长距离上浮过程中会不断的长大,进入真空室后发生了加速膨胀,气泡溢出真空液面时的直径达到初始直径的12.5倍,上浮速度也相应增加至初始速度的3.5倍,有效地扩大了真空室内的气液表面活性区;长距离气泡搅拌作用下,全钢液区域的流场由8个特征区域组成,通过流场解析确认了钢包底部钢液的流动主要靠下降流冲击驱动,而浸渍管外围钢液的流动则依靠上升流的外溢流股驱动。(2)炉型参数(浸渍管内径、吹气位置及插入深度)变化会改变单嘴炉环流效率和浸渍管内外钢液的流动均匀性;以保障环流量和提高流动均匀性为钢液流场的优化目标,提出了 3个炉型参数的最优化控制方法,在25～130吨容量范围内,总结得出了炉型参数无量纲值的最佳控制范围:内径(D1/D0)为0.41～0.48,吹气位置(r/R)为0.5,插入深度(h/H)为0.135～0.17。(3)相比传统中心对称位置,将单嘴炉浸渍管正偏后可达到提高外围钢液流动强度、缩短熔池混匀时间的有益效果,并得出了浸渍管无量纲偏心距(△E/D1)的最佳控制范围0.2～0.3;在偏心单嘴炉中采用双透气砖吹氩搅拌,可大幅提高外围钢液的流动强度,相比单透气砖搅拌,浸渍管外围钢液的平均流速提高了 40%,浸渍管内外钢液的流速差百分比由54%缩小至10%以内;将双透气砖夹角控制到180°、吹氩比控制到1/7～1/5范围,可实现最佳的搅拌效果。(4)真空室“渣钢”水模型实验研究表明:真空室强烈的气泡活性区可将顶渣层撕碎成大量细小的渣滴,并将其卷入到钢液中,有效增加了钢渣接触面积;在循环钢液的作用下,大部分渣滴可在钢包与浸渍管之间循环流动,与钢液形成了长时间的浸润接触;钢渣之间这种“大面积+长时间”的流动接触特性提升了钢渣之间的反应效率。(5)以实际25吨钢包为背景对工业单嘴炉的关键结构参数进行了设计,并开展了冶炼不锈钢的工业性试验。18炉304不锈钢冶炼结果表明:依据模型设计完成的25吨偏心单嘴炉在冶炼中体现出良好的应用效果,最低可将钢中碳含量脱至110ppm,还原期Cr的平均收得率为97%;破空前后钢液成分波动幅度小,主要元素的含量波动均小于5%,冶炼过程没有出现钢包渣结壳和真空喷溅现象。(6)基于建立的单嘴炉冶炼不锈钢工艺数学模型,可对冶炼过程中的钢液成分和温度进行预测计算。模型研究表明:吹氧期钢液内部脱碳速率最大,平均可达到113.5ppm/min,占总速率50%以上;VCD阶段初期真空液面的表面脱碳速率占比达到70%,而后期钢液的脱碳主要依靠还原氧化铬;采用“动态真空+动态供氧”的吹氧工艺能有效提高钢液脱碳速率并减少贵金属Cr的烧损。