一、研究的背景与问题

真空电弧重熔（VAR）及电渣重熔（ESR）是高品质特殊钢及特种合金的重要熔炼工艺，也是宝武特冶高端产品的重要熔炼方法。

特种熔炼工艺过程复杂，过程控制困难，质量稳定控制是一直关注的焦点。特种熔炼过程目前是基于设定值的反馈控制，底层的PID调节解决的是设定参数的控制精度问题，本质上不能解决工艺参数的优化问题。受制于熔炼过程的复杂性，长期以来工艺参数研究依赖于试错法试验研究，需要多次剖锭，费用高昂，周期长，且难以推广。

随着数值模拟技术发展以及计算机计算能力的不断提高，现在已经可以进行各种复杂物理场及耦合场条件下的冶炼过程模拟计算。通过与数值仿真结合，将显著减少剖锭次数（一次剖锭甚至不剖锭），原则上只要经过有限次实验验证以获得某几个特征参数值后，这种模型就可以模拟各种条件下系统变化行为及特征的详细信息，从而为过程设计及优化提供了可靠途径，进而降低研发费用，提升研发效率。VAR及ESR仿真涉及特殊的工艺、边界条件建模及耦合求解，通用的仿真软件难以满足需求，而专用仿真软件一直为国外所垄断，售价高昂，且难以拓展。目前商业化的特种熔炼专用模拟仿真软件数量很少，并长期为国外所垄断，租售价格昂贵，技术封锁，难以进行拓展，使用受到很大限制。

宝钢研究院智能所于2013年及2016年先后开展了ESR及VAR熔炼仿真模型软件自主开发和应用研究。结合特钢冶炼设备和工艺，聚焦高温合金和钛合金特定品种的熔炼计算应用,成功研制了一款工艺参数优化的仿真软件，为特钢新产品研发和工艺改进提供了可自主的技术支持。

二、解决问题的思路与技术方案

本技术研究的难点及要点在于如下几个方面：

1、多物理场的耦合计算

本软件模型集多个物理过程计算于一体，各物理过程间相互影响、互为因果，因此需要耦合计算来实现，这无疑对模型处理及算法提出了很高的要求。本软件的核心算法及代码均为自主独立开发。

2、理论与工艺过程紧密结合

模型合理与否除了与计算本身（基本物理过程表述与求解）的正确性直接相关外，还与基于特定过程（现象）认识的模型处理密切相关。哪些因素是过程的关键因素，这些因素因何而发生变化，又如何对过程产生影响。对此类过程（现象）科学合理地描述及模型化，是本研究所面临的重要而繁重的任务。面向工程应用的开发，将会面对众多而烦琐的技术问题，需要一一考虑。而且，本技术开发不是一蹴而就的，是不断发展完善的。

3、模型计算的有效性及经济性的兼顾

模型建立过程需要进行合理而科学的假设，这包括模型本身的处理、边界处理、坐标的选取、求解算法等。如何科学合理地假设及处理，使得模型既不失其作为机理模型的过程仿真及优化设计功能，同时又能有效地实施，这是本研究的一个关键。

4、可移植性、可扩充性

采用“预处理—运算—后处理”模式设计软件系统，遵循模块化思想，构建软件框架，将单一物理过程模块化，采用相近的算法求解物理方程；模块之间建立公共通讯渠道；初始和边界条件建立单独模块，与用户交互。以上措施，使本软件具有很好的可移植性、可扩充性。下图给出了本研究的技术研发的基本思路。

图1.特种熔炼真空电弧重熔及电渣重熔过程数值模拟仿真软件技术路线

三、主要创新性成果

开发了具备完全自主知识产权的特种熔炼的真空电弧重熔（VAR）及电渣重熔（ESR）通用数值模拟功能的模型及仿真软件。

模型计算涵盖了电磁场、流动、传热、传质、熔化/凝固、宏观偏析等物理过程，系统考虑了过程熔炼特点及特有的现象，致力于与过程变化的一致性；模型兼顾了有效性及经济性，面向于工程应用进行了合理简化；结合对象特点，进行了耦合场算法研究，以实现快速高效计算；采用了模块化的建模及软件框架设计，以利于模型的拓展和应用。

模型实现了多参数（几何尺寸参数、物性参数、熔炼参数）输入及其变化条件下的模拟计算，给出了工艺密切关注的温度分布、熔池及糊状区形状尺寸，以及凝固质量关联的局部凝固时间、枝晶间距、黑斑判定参数、铸锭元素含量等分布，为过程分析、诊断和优化提供了有效依据。

针对应用，设计了丰富的计算结果输出。与后处理软件实现无缝连接，可以实时展示计算的结果和进程。软件画面友好、简洁，操作方便，提供了多种熔炼参数的输入模式，方便了用户使用。画面提供了便捷的参数输入、导入、修改、保存、显示（曲线图等）功能，同时满足了动态模拟时过程参数数据量很大的特点。

图2. 计算流程示意图

图3.模型计算的某试验条件下ESR全程的流场、温度及液相体积分数分布变化

四、应用情况与效果

本模型得到现场及实验数据的检验，具备有效的趋势性的预测能力。模型在设计上使得其能够与实验进行高效的结合。通过有限的实验结果进行特征参数调整，使得该模型可以具备过程预测及仿真的能力。

本软件计算速度快，精度高，普通锭1~3小时即可获得满意的结果。对计算机配置要求不高，常规计算机（包括笔记本）即可。

本软件已有多套安装使用，其使用性能和计算的有效性得到用户的认可和好评，实现了其辅助过程分析和优化，以及新产品工艺开发的技术支撑作用。