钢包底喷粉精炼(L-BPI)是由东北大学研究开发的一种全新的炉外精炼工艺,其应用将会对洁净钢生产流程的变革产生重要影响。本文运用实验研究、数值模拟与现场实验相结合的研究方法,对涉及此新精炼工艺的底喷粉元件开展深入研究,揭示了钢包底喷粉元件内钢液渗透机理和粉气流输送规律,提出了底喷粉元件的设计理论,研制了抗磨损和耐高温侵蚀的喷粉元件,为解决钢包底喷粉的钢液渗透(安全性)、粉气流喷吹(稳定性)、喷吹元件使用寿命(可靠性)等难点奠定了重要的理论与应用基础。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)钢包底喷粉元件抗钢液渗透性能研究。针对钢包底喷粉精炼新工艺钢液渗透的问题,从理论上建立了描述不同熔池深度下缝隙安全宽度的模型(综合考虑缝隙形状、界面接触、耐火材料表面粗糙度及表面宏观形貌等因素的影响)和描述钢液向喷粉元件缝隙渗透过程的数学模型,获得了钢液渗透速度与渗透深度随时间的变化规律;提出了通过测量缝隙间电信号来检测渗透过程的方法,并研制了相应的实验装置,验证了提出的渗透模型。研究结果表明:本文提出的渗透模型能准确预测不同熔池深度下的缝隙安全宽度;渗透发生时,钢液迅速渗入喷粉元件缝隙,之后渗透深度几乎不再发生变化;耐火材料成分、透气砖表面、缝隙宽度等不均匀性会诱发不稳定渗透,严格控制耐火材料成分、透气砖表面形貌、缝隙尺寸可以有效的防止渗透发生。(2)钢包底喷粉元件内粉气流行为研究。在粉粒运动特性研究的基础上,采用欧拉模型研究了喷粉元件气固两相流行为,综合考察了相间作用力及壁面模型对两相流行为的影响,合理确定了模型参数,解决了 CFD模型预测喷粉元件内气固两相流行为的难题。研究结果表明:粉粒运动轨迹并不是一条沿气流运动方向的直线,粉粒在垂直气流运动方向上会产生位移,粉粒直径、密度及初速度都影响其运动行为,选取粒径、密度小的粉粒,增大粉粒的初速度,均有利于提高粉粒喷吹的稳定性;喷吹过程中,蓄气室内主流股两侧形成明显的速度回旋区,且回旋区中心粉剂浓度较低;喷粉元件内两相流呈现明显瞬变性、不对称性和不规则性;蓄气室锥角、载气量及体积载率对两相流行为有着显著影响,蓄气室锥角过低或过高易导致缝隙内偏流流动现象发生;而过高载气量不能有效提高缝隙内粉剂浓度,反而易导致蓄气室底部粉剂堆积;过高体积载率易造成喷吹堵塞,入口体积载率应控制在15%以下。(3)缝隙内粉粒-粗糙壁面碰撞过程研究。针对壁面碰撞主导的两相流模拟过程中粉粒相附壁面运动的难题,采用均匀分布粉粒检验的方法,构造了壁面粗糙角概率分布函数,同时根据粉粒实际反弹角细化了粉粒-粗糙壁面的碰撞过程,建立了描述粉粒-粗糙壁面碰撞过程的粉粒历史影响模型,结合坐标旋转法给出了相应的算法,并根据实验数据确定了模型参数。研究结果表明:该模型准确预测了粗糙壁面上粉粒反弹角的概率分布,壁面粗糙度对两相流输送行为的影响随入射角增大而逐渐减小;粗糙壁面增加了粉粒壁面碰撞的频率,导致粉粒输送动能降低,脉动速度增加,促使粉剂颗粒在底喷粉元件缝隙内均匀分布。(4)钢包底喷粉元件及配套弯管磨损行为研究。首次考虑了磨损形貌对气固两相流行为和壁面磨损行为的影响,通过引入特征角和波动项等概念,建立了描述粉粒-磨损壁面碰撞过程的壁面磨损包影响模型;结合壁面磨损模型,建立了 CFD-WPEM耦合模型,采用弯管磨损数据对模型进行了验证,发现该模型准确的预测了磨损位置和磨损深度。研究结果表明:喷粉元件近入口位置缝隙壁面上存在典型的磨损带,沿流动方向磨损带变宽且向点状磨损发展,下游壁面以点状磨损为主;增大载气流速度、粉剂质量载率将导致缝隙磨损程度增加,喷粉元件寿命缩短;宽的缝隙能明显降低缝隙磨损程度,但缝隙宽度过大会导致钢液渗透。(5)钢包底喷粉元件的实验研究。喷粉元件配合自主设计的底喷粉系统进行了冷喷实验,喷吹效果良好,全程无粉剂堵塞现象发生,且气量易于调节,喷粉量连续可控;在1.5t感应炉上进行了高温实验,连续稳定将4.5kg精炼粉剂喷入感应炉,取得较好的精炼效果;对服役后喷粉元件分析发现,实验过程中喷粉元件无钢液渗透、无粉剂堵塞现象发生,喷粉元件材质抗渣、钢侵蚀性能良好,能满足钢包底喷粉精炼的实际要求。