钢中非金属夹杂物是影响钢材质量最重要的因素之一,因此国内外众多冶金学者针对钢中夹杂物的碰撞凝聚及上浮等去除动力学过程进行了大量的研究。炼钢过程中由于脱氧剂选择的不同,钢水中会生成大量高熔点固相夹杂物。一般情况下,固相夹杂物颗粒和钢水之间的界面张力较大,在发生多种形式的碰撞后容易凝聚形成大尺寸簇群状夹杂物(inclusion cluster)。目前大多数研究人员都将这些簇群状夹杂物简化成理想球形夹杂物,但是簇群状夹杂物的形貌结构和球形夹杂物存在很大的区别,将其简化为球形夹杂物,难以全面真实的反应其在钢水中的上浮和碰撞凝聚行为。本文以铝脱氧钢中生成的簇群状氧化铝夹杂物为研究对象,在应用分形理论建立其几何结构模型,并定量描述的基础上,对其在钢水中的上浮及碰撞凝聚过程进行了数值模拟,最后以板坯连铸结晶器为例,考虑夹杂物的形貌结构对其上浮及碰撞凝聚过程的影响,对板坯连铸结晶器内簇群状夹杂物的空间分布和运动轨迹等性质进行了讨论。具体研究内容如下：针对传统欧式(欧几里得)几何难以描述簇群状夹杂物形貌结构的问题,引入分形理论,以簇群状氧化铝夹杂物为例,分析了采用该理论研究簇群状夹杂物形貌结构的可行性。结果表明：簇群状夹杂物具有显著的分形特征,基于图像处理的盒维数法能够准确计算其分形维数：簇群状夹杂物的分形维数是定量描述其形貌结构的重要参数,分形维数越大,簇群状夹杂物的三维结构越致密；依据分形理论和簇群状夹杂物的分形结构特点,建立了其三维分形结构数学模型,从而实现了其形貌结构的定量描述。依据簇群状夹杂物的分形结构模型,可以构建不同尺寸形貌分形凝聚体来模拟实际簇群状夹杂物。为了探索钢水中簇群状夹杂物的上浮行为,引入格子Boltzmann方法,对该方法直接模拟研究钢水中分形凝聚体上浮行为的可行性进行了分析。结果表明：格子Boltzamnn方法能够准确的对分形维数等于3以及分形维小于3的分形凝聚体在钢水中的上浮行为进行直接数值模拟研究。基于簇群状夹杂物的分型结构模型,构建了不同尺寸形貌分形凝聚体来模拟实际簇群状夹杂物,使用格子Boltzmann方法对其在钢水中的上浮过程进行了直接模拟研究,结果表明：分形维数是影响钢水中簇群状夹杂物上浮速度的重要因素,簇群状夹杂物的结构疏松开放分形维数较小,其上浮速度小于等体积球形夹杂物的上浮速度。传统研究将钢水中细小夹杂物颗粒碰撞凝聚形成的分形维数较小的簇群状夹杂物处理成等体积球形夹杂物,高估了其上浮速度。分形凝聚体上浮速度数学模型可以表示为：V=N0.9468-0.9197)r2g(ρm-ρs)r2/9μm Re<2。该式可以较为准确的反映出,簇群状夹杂物在钢水中的上浮速度与其形貌结构的关系。钢水中夹杂物颗粒上浮碰撞凝聚过程的模拟研究表明：钢水中不同尺寸的固相夹杂物颗粒,由于上浮速度差,大尺寸的夹杂物颗粒会小断追赶接近小尺寸的夹杂物颗粒,进而发生碰撞形成凝聚态夹杂物一起上浮。上浮碰撞凝聚过程能显著增加小尺寸夹杂物颗粒的上浮速度。固相夹杂物碰撞凝聚后形成的凝聚体的结构变的疏松开放,分形维数降低。液相夹杂物颗粒之间的碰撞凝聚过程和固相夹杂物之间存在很大的区别,液相夹杂物颗粒碰撞凝聚后,在界面张力的作用下能快速融合成一个较大尺寸液相球形夹杂物。连铸板坯结晶器内簇群状夹杂物的空间分布、运动轨迹等模拟结果表明：碰撞凝聚形成的大尺寸夹杂物易在浸入式水口内壁,水口底部及水口出口上部区域富集,因而在这些区域较易发生水口堵塞。结晶器内钢水流动存在上下两个循环区,在涡心处碰撞凝聚形成的大尺寸复杂形貌夹杂物颗粒的数密度较高,呈富集状态。板坯结晶器内直径为10μm,40μm,70μm和100μm的簇群状(Df=1.83)氧化铝夹杂物上浮至保护渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形(Df=3)氧化铝夹杂物,分别分别降低了0.3%,0.5%,1.6%和3.3%。随着尺寸的变大,簇群状氧化铝夹杂物上浮至保护渣被吸收的去除率相比于同尺寸球形氧化铝夹杂物降低的就越多。