随着现代连铸过程对钢水的洁净度的要求的逐渐提高,中间包作为一种传统的钢水分配装置,其冶金性能日益得到人们的重视。采用常规的控流装置的组合(如挡墙,挡坝,湍流控制器等)可以通过优化中间包流场促进大颗粒夹杂物(大于50μm)上浮去除。而小颗粒夹杂物(小于50μm)的浮力不足,单纯优化流场并不能有效去除钢液中的小颗粒夹杂物。中间包吹气技术是向中间包内钢液中吹入惰性气泡,通过气泡的表面吸附和尾流捕捉效应,夹带小颗粒夹杂物上浮,并最终被顶渣层吸附去除。本文以洁净钢生产为目的,围绕中间包顶吹微气泡工艺展开研究,通过水模实验结合数值模拟,对微气泡条件下中间包内的传输现象进行了深入探索。研究主要分为以下几个部分:(1)四流全尺寸中间包模型顶部吹气的水模实验。气体由长水口上部的微孔通入。利用长水口内流体的剪切作用和湍流对气泡的破碎作用,以达到减小气泡尺寸的目的。水模实验主要考察了气量,吹气位置及吹气端口数量三个因素对生成气泡的平均尺寸的影响。采用一种特殊的方法对气泡尺寸进行了准确的测量,避免了因气泡与镜头距离的不同引起的测量误差。实验结果表明,在合适的吹气条件下,生成气泡的平均尺寸可低至0.675mm,达到微气泡级别。相较于普通气泡(3mm左右),微气泡的停留时间更长,表面积体积比更大,更有利于小颗粒夹杂物的去除。(2)对应水模实验建立中间包顶吹气的三维数学模型,研究不同尺寸的气泡在中间包内的运动行为。结果显示,相比于普通尺寸的气泡,微气泡的扩散性更好,易跟随流体迹线运动,导致其分布范围更广,有利于去除钢中的夹杂物。通过与不吹气条件下中间包流场的对比可以发现,顶吹产生的微气泡对注流区的流场几乎没有影响。这是由于微气泡所受浮力较小,对周围钢液驱动作用有限;且由顶吹产生的微气泡多位于中间包注流区内,此处流体流速快、湍动能高,不易受到气泡上浮的影响。此外微气泡的分布较为分散,无法通过大量气泡的集中上浮带动周围钢液形成上升流。(3)在全尺寸中间包水模实验中,用直径为20-100μm的空心硼硅酸盐玻璃球模拟夹杂物,研究在吹气中间包内的去除情况。对一种特殊的粒子监测系统进行改造和校准并应用在本实验中。粒子探头基于库尔特计数器原理设计,可在不同的吹气条件下,对出口处夹杂物数量及尺寸分布进行在线监测。实验结果表明,微气泡可以有效去除小尺寸的夹杂物。夹杂物的去除效果与吹气参数相关。最优化的吹气方案是,在最靠近滑动水口的位置采用四个气孔同时通气,总气量为0.2L/min。在此条件下,出口处夹杂物数量浓度仅为7.85个/ml,总体去除率高达79.56%。(4)在水模实验中采用线性低密度聚乙烯粒子模拟渣层,通过变化吹气条件,研究不同的微气泡条件下,中间包内渣-金界面的运动行为。实验结果表明,相比于常规尺寸的气泡,微气泡吹气更易维持渣层的稳定性。在吹气过程中,减小气量和增加气孔数量能够有效地抑制渣眼的生成。通过研究不同吹气参数下中间包渣层的运动行为,获得了渣眼形成的临界条件。相应的多相流数值模拟通过耦合DPM模型和VOF模型考虑了渣-金-气三相之间的相互作用。数值模拟所得的渣眼与水模实验所得的渣眼形状相似,面积相近,其中渣眼面积的相对误差仅为17.6%,印证了数值模拟的有效性。本论文基于对气泡动力学的深入研究,设计了全新的钢包长水口,利用长水口内高速流体的剪切作用和滑动水口的湍流对气泡进行破碎,大大减小了气泡的尺寸,达到了微气泡吹气的目的。在微气泡的作用下,钢液中夹杂物的去除率大大提高,渣层更加稳定,为洁净刚生产打下了良好的基础。