随着人们对高品质钢需求的提高,使得转炉炼钢技术及冶炼设备均得到长足的发展。现代转炉炼钢过程已由传统转炉冶炼功能逐步向单一化发展,即仅执行单一功能,此工艺的核心是利用两个转炉(脱磷转炉与脱碳转炉)对预脱硫铁水分别执行脱磷和脱碳操作,这有利于缩短冶炼周期、提高钢水质量、降低金属料消耗及能耗。脱碳转炉的主要任务为:对脱磷转炉所生产的半钢铁水进行脱碳和升温,因此,其熔池升温速度快、碳氧反应剧烈、炉衬侵蚀速度较快,最终导致随炉龄的增长,脱碳转炉炉型变化较大、底吹元件供气能力不稳定。基于此,本文结合实际测厚数据,对不同炉役阶段熔池流动特性变化展开研究,并提出非均匀底吹供气模式;与此同时,目前在超音速氧气射流的研究过程中,未考虑炉气及其成分对超音速射流特性的影响,因此,本文针对高温变气氛环境条件下,对超音速射流特性展开研究。本文基于数值模拟及冷态物理模拟研究方式,分别对超音速射流特性、不同炉役阶段熔池流动特性变化规律、非均匀底吹供气模式对熔池动力学条件的影响进行系统性研究。建立可压缩、非等温及三维全尺寸氧气射流流动的数学模型,研究高温变气氛环境条件下,超音速氧气射流的流动特性,分析射流径向及轴向的动力学参数分布特征,结果表明:氧气射流经过高温炉气作用于熔池液面的过程中,氧气将与炉气中的可燃气体发生燃烧反应,随着反应的发生,超音速射流的速度分布、密度分布、动压分布等均发生改变,并且射流动力学参数的径向分布符合“高斯分布”。随着炉气中一氧化碳体积分数的增加,射流边界在径向的扩展速率增大、射流边界层处涡量增大、高速区面积增大。在300t转炉的纯底吹熔池流动特性研究过程中,建立相似比例为1/7的冷态物理实验平台;建立三维全尺寸、两相流数学模型。在纯底吹物理模拟实验过程中,对底吹元件个数、底吹元件位置、底吹布置模式,展开系统性研究,结果表明:对于300t纯底吹转炉,熔池混匀时间与单管底吹流量之间存在指数关系t=49.74+99.06×exp/(-q底/0.30),并且四个布置在0.45D位置的底吹元件对熔池的搅拌能力最强。在纯底吹数值模拟研究过程中,对熔池内速度分布、钢液流动特征等进行分析,结果表明:熔池的流动特征及速度分布,不仅与底吹元件位置有关,而且与底吹流股所具有的能量存在联系;炉衬侵蚀严重的位置主要集中在炉底的底吹元件周围以及钢液面附近;在非均匀底吹供气模式研究过程中,发现当一个底吹元件供气能力减弱时,熔池流动性变差,通过调整其相邻及对角线位置处的底吹元件供气能力,熔池的动力学条件可得到一定程度的改善。建立底吹流股与钢液之间的能量传递模型,其关系式为:Wi=(1-α)iW0+1-(1-α)/α·F·h在300t转炉的复吹熔池流动特性研究过程中,建立相似比例为1/7的冷态物理实验平台;建立三维全尺寸、“气-渣-金”三相流数学模型。研究不同复吹方案及不同复吹工艺条件下,气体流股与熔池交互过程中呈现的特征现象,探究熔池流动特性变化。结果表明:当复吹流量增大时,炉内金属熔体泡沫化程度提高、冲击深度及冲击面积增大及炉衬侵蚀程度加剧,其中底吹元件附近、渣线位置以及飞溅泡沫渣作用的炉衬位置处侵蚀较为严重;随着炉龄的增长,钢液动力学条件逐渐变差、炉衬侵蚀程度逐渐加剧,并且炉衬侵蚀的数值模拟结果与实际生产测厚结果吻合良好。基于以上理论分析及实验室研究,开展300t脱碳转炉工业试验。结果表明:实际转炉炼钢过程中,吹炼平稳、返干期缩短、“喷溅”次数大幅度降低,冶炼周期与吹炼时间分别缩短6.92%与7.64%;冶炼终点控制水平提高,具体为:全炉役平均碳氧浓度积为0.00198%、终渣全铁含量为17.41%;当补炉工艺规律地应用于实际生产时,炉底残厚与炉龄之间存在明显的线性关系:y=1195.88-0.5274x(300≤x<500)及 y=1055.92-0.1545x(500 ≤ x<4000)。