一、研究的背景與問題

真空電弧重熔（VAR）及電渣重熔（ESR）是高品質(zhì)特殊鋼及特種合金的重要熔煉工藝，也是寶武特冶高端產(chǎn)品的重要熔煉方法。

特種熔煉工藝過程復(fù)雜，過程控制困難，質(zhì)量穩(wěn)定控制是一直關(guān)注的焦點(diǎn)。特種熔煉過程目前是基于設(shè)定值的反饋控制，底層的PID調(diào)節(jié)解決的是設(shè)定參數(shù)的控制精度問題，本質(zhì)上不能解決工藝參數(shù)的優(yōu)化問題。受制于熔煉過程的復(fù)雜性，長期以來工藝參數(shù)研究依賴于試錯(cuò)法試驗(yàn)研究，需要多次剖錠，費(fèi)用高昂，周期長，且難以推廣。

隨著數(shù)值模擬技術(shù)發(fā)展以及計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)可以進(jìn)行各種復(fù)雜物理場及耦合場條件下的冶煉過程模擬計(jì)算。通過與數(shù)值仿真結(jié)合，將顯著減少剖錠次數(shù)（一次剖錠甚至不剖錠），原則上只要經(jīng)過有限次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證以獲得某幾個(gè)特征參數(shù)值后，這種模型就可以模擬各種條件下系統(tǒng)變化行為及特征的詳細(xì)信息，從而為過程設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了可靠途徑，進(jìn)而降低研發(fā)費(fèi)用，提升研發(fā)效率。VAR及ESR仿真涉及特殊的工藝、邊界條件建模及耦合求解，通用的仿真軟件難以滿足需求，而專用仿真軟件一直為國外所壟斷，售價(jià)高昂，且難以拓展。目前商業(yè)化的特種熔煉專用模擬仿真軟件數(shù)量很少，并長期為國外所壟斷，租售價(jià)格昂貴，技術(shù)封鎖，難以進(jìn)行拓展，使用受到很大限制。

寶鋼研究院智能所于2013年及2016年先后開展了ESR及VAR熔煉仿真模型軟件自主開發(fā)和應(yīng)用研究。結(jié)合特鋼冶煉設(shè)備和工藝，聚焦高溫合金和鈦合金特定品種的熔煉計(jì)算應(yīng)用,成功研制了一款工藝參數(shù)優(yōu)化的仿真軟件，為特鋼新產(chǎn)品研發(fā)和工藝改進(jìn)提供了可自主的技術(shù)支持。

二、解決問題的思路與技術(shù)方案

本技術(shù)研究的難點(diǎn)及要點(diǎn)在于如下幾個(gè)方面：

1、多物理場的耦合計(jì)算

本軟件模型集多個(gè)物理過程計(jì)算于一體，各物理過程間相互影響、互為因果，因此需要耦合計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，這無疑對(duì)模型處理及算法提出了很高的要求。本軟件的核心算法及代碼均為自主獨(dú)立開發(fā)。

2、理論與工藝過程緊密結(jié)合

模型合理與否除了與計(jì)算本身（基本物理過程表述與求解）的正確性直接相關(guān)外，還與基于特定過程（現(xiàn)象）認(rèn)識(shí)的模型處理密切相關(guān)。哪些因素是過程的關(guān)鍵因素，這些因素因何而發(fā)生變化，又如何對(duì)過程產(chǎn)生影響。對(duì)此類過程（現(xiàn)象）科學(xué)合理地描述及模型化，是本研究所面臨的重要而繁重的任務(wù)。面向工程應(yīng)用的開發(fā)，將會(huì)面對(duì)眾多而煩瑣的技術(shù)問題，需要一一考慮。而且，本技術(shù)開發(fā)不是一蹴而就的，是不斷發(fā)展完善的。

3、模型計(jì)算的有效性及經(jīng)濟(jì)性的兼顧

模型建立過程需要進(jìn)行合理而科學(xué)的假設(shè)，這包括模型本身的處理、邊界處理、坐標(biāo)的選取、求解算法等。如何科學(xué)合理地假設(shè)及處理，使得模型既不失其作為機(jī)理模型的過程仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，同時(shí)又能有效地實(shí)施，這是本研究的一個(gè)關(guān)鍵。

4、可移植性、可擴(kuò)充性

采用“預(yù)處理—運(yùn)算—后處理”模式設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)，遵循模塊化思想，構(gòu)建軟件框架，將單一物理過程模塊化，采用相近的算法求解物理方程；模塊之間建立公共通訊渠道；初始和邊界條件建立單獨(dú)模塊，與用戶交互。以上措施，使本軟件具有很好的可移植性、可擴(kuò)充性。下圖給出了本研究的技術(shù)研發(fā)的基本思路。

圖1.特種熔煉真空電弧重熔及電渣重熔過程數(shù)值模擬仿真軟件技術(shù)路線

三、主要?jiǎng)?chuàng)新性成果

開發(fā)了具備完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的特種熔煉的真空電弧重熔（VAR）及電渣重熔（ESR）通用數(shù)值模擬功能的模型及仿真軟件。

模型計(jì)算涵蓋了電磁場、流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、熔化/凝固、宏觀偏析等物理過程，系統(tǒng)考慮了過程熔煉特點(diǎn)及特有的現(xiàn)象，致力于與過程變化的一致性；模型兼顧了有效性及經(jīng)濟(jì)性，面向于工程應(yīng)用進(jìn)行了合理簡化；結(jié)合對(duì)象特點(diǎn)，進(jìn)行了耦合場算法研究，以實(shí)現(xiàn)快速高效計(jì)算；采用了模塊化的建模及軟件框架設(shè)計(jì)，以利于模型的拓展和應(yīng)用。

模型實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)（幾何尺寸參數(shù)、物性參數(shù)、熔煉參數(shù)）輸入及其變化條件下的模擬計(jì)算，給出了工藝密切關(guān)注的溫度分布、熔池及糊狀區(qū)形狀尺寸，以及凝固質(zhì)量關(guān)聯(lián)的局部凝固時(shí)間、枝晶間距、黑斑判定參數(shù)、鑄錠元素含量等分布，為過程分析、診斷和優(yōu)化提供了有效依據(jù)。

針對(duì)應(yīng)用，設(shè)計(jì)了豐富的計(jì)算結(jié)果輸出。與后處理軟件實(shí)現(xiàn)無縫連接，可以實(shí)時(shí)展示計(jì)算的結(jié)果和進(jìn)程。軟件畫面友好、簡潔，操作方便，提供了多種熔煉參數(shù)的輸入模式，方便了用戶使用。畫面提供了便捷的參數(shù)輸入、導(dǎo)入、修改、保存、顯示（曲線圖等）功能，同時(shí)滿足了動(dòng)態(tài)模擬時(shí)過程參數(shù)數(shù)據(jù)量很大的特點(diǎn)。

圖2. 計(jì)算流程示意圖

圖3.模型計(jì)算的某試驗(yàn)條件下ESR全程的流場、溫度及液相體積分?jǐn)?shù)分布變化

四、應(yīng)用情況與效果

本模型得到現(xiàn)場及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)，具備有效的趨勢性的預(yù)測能力。模型在設(shè)計(jì)上使得其能夠與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行高效的結(jié)合。通過有限的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行特征參數(shù)調(diào)整，使得該模型可以具備過程預(yù)測及仿真的能力。

本軟件計(jì)算速度快，精度高，普通錠1~3小時(shí)即可獲得滿意的結(jié)果。對(duì)計(jì)算機(jī)配置要求不高，常規(guī)計(jì)算機(jī)（包括筆記本）即可。

本軟件已有多套安裝使用，其使用性能和計(jì)算的有效性得到用戶的認(rèn)可和好評(píng)，實(shí)現(xiàn)了其輔助過程分析和優(yōu)化，以及新產(chǎn)品工藝開發(fā)的技術(shù)支撐作用。