节能减排已经成为国民经济和社会可持续发展的战略目标,钢铁冶金是高能耗高污染的传统行业,节能减排是解决钢铁工业能源短缺及温室气体排放问题的迫切需要。本文以炼钢过程高效化、节能降耗为目标开展研究工作,充分利用资源和能源,使工艺最佳化和环境生态化,对于转炉高效化冶炼以及资源的有效利用具有重要的理论意义和应用价值,对促进钢铁企业的节能降耗、环境友好和低碳经济可持续发展有着十分深远的意义。本文系统开展了多股超音速射流特性、复吹转炉耦合强化冶炼过程、CO2溅渣护炉过程质能转换,炉渣与镁碳砖耐火材料的润湿机理等与炼钢过程密切相关的关键问题的研究,进行了转炉强化冶炼的应用研究,获得了显著的经济效益,促进了企业的节能降耗,并取得了以下创新性成果。　　 ⑴基于湍流射流理论,对超音速多股射流的流动特性进行了模拟研究,并设计了两种新参数四孔氧枪喷头对其进行了冷态测试。结果表明:射流中心线上的速度,随离出口距离的增大而减小,在30De前速度衰减很快；随着滞止压力的增大而增大。实验结果与计算结果吻合良好。同一喷枪,超音速射流动量传递系数Kj=-15.133Pos2+35.763Pos=-10.26,射流中心偏移程度随着滞止压力增加而减小,净偏移量变化曲线与实验值相符合。将射流理论和数学模型计算密切联系炼钢过程,为氧枪和喷头的设计与改进提供重要参数,并为生产操作提供必要的理论依据。　　 ⑵采用冷态物理模拟方法,分别进行了顶吹射流供氧、底吹供气模式以及复吹耦合强化模拟研究,获得了转炉冶炼过程顶吹高效供氧与底吹供气耦合强化的优化工艺条件。结果表明:顶吹实验中随顶吹流量的增加及枪位的降低,混匀时间不是单调降低的,而是先减少后增加,冲击深度的计算值与实验值吻合；底吹喷嘴数目增加对熔池混匀有减小的趋势,但是当喷嘴数目增加到5、6支时减小的趋势不再明显。通过单因素和正交实验分析了影响熔池性质的显著因素,得出最优工艺参数。确定影响熔池搅拌效果的因素主次关系为:底吹气体流量>底吹喷嘴布置>顶吹气体流量>顶吹枪位最优模拟工艺条件为:顶吹枪位80 mm,顶吹气体流量44 m3/h,底吹气体流量0.66 m3/h,底吹喷嘴为4支0.5D偏心布置,这为复吹转炉的优化提供相应的理论依据,推动了冶炼的高效化。　　 ⑶提出转炉炼钢利用熔渣余热采用CO2溅渣护炉和转炉煤气C02循环利用的新思路和方法,有望为钢铁企业实现转炉煤气中CO2循环利用及节能提供一条新途径。采用HSC热力学软件计算了不同配碳比的CO2平衡转化率,并进行了CO2溅渣护炉的实验室热态实验。两者结果均显示:在溅渣温度下配碳量约为3.5％时,能保证炉渣流动性良好并顺利溅渣。　　 ⑷采用静滴法研究了溅渣层与炉衬耐火材料的润湿性及界面反应,阐明了溅渣的粘附机理及护炉原理。结果表明:转炉渣与镁碳砖耐火材料为反应性润湿,动态接触角随温度升高而单调减小,铺展面积随时间成线性增加。铺展后可以观察到三层,即炉渣层、渗透层(黄色)和MgO-C层(即耐火材料)。液态熔渣沿镁碳砖表面的气孔和裂纹向基体内扩散、渗透,渣中铁氧化物与镁碳砖机体内的MgO反应生成含高熔点相的黄色渗透层,起到保护炉衬的作用,从而解释了炉渣与耐火材料的粘附机理,为优化溅渣护炉工艺,合理调整炉渣成分和选择耐火材料等工艺操作提供理论依据。　　 ⑸前期确定的工艺条件下,进行的转炉耦合强化冶炼应用试验。结果证明:可以用转炉冶炼出合格P110级等高级石油套管钢。应用后冶炼效果明显改善,取得显著的经济效益。缩短供氧时间2 min/heat,节约氧气4.4 Nm3/t-steol,年均增效12560.21万元。