电渣重熔(Electroslag Remelting,ESR)是一种自耗电极重熔的二次精炼技术,一般用于高品质、高附加价值材料的生产。溶质元素的宏观偏析与夹杂物的数量和分布是决定其铸锭质量的关键因素,本文采用数值模拟的方法对电渣重熔中的溶质传输过程和夹杂物的行为进行了研究,揭示了宏观偏析的形成原理以及夹杂物的去除机理和分布规律。基于有限体积法,本文发展了非稳态多物理场全耦合数学模型:通过求解电渣重熔系统的磁场输运方程而得到电磁力和焦耳热功率密度;通过基于体积分数的界面捕捉法(Volume of Fluid,VOF)追踪渣-金界面;采用Blake-Kozeny方程定义糊状区的渗透率,进而模拟凝固过程中金属液的动量衰减;采用Lever算法描述凝固前沿的溶质再分配行为,同时考虑熔滴的剪切应力、热浮力和溶质浮力对溶质迁移的影响;使用网格动态生成技术追踪电渣重熔中铸锭持续生长的过程。本文采用实验尺度的电渣炉熔炼中碳钢电极,通过对渣层温度、金属熔池形状以及铸锭中溶质质量分数的比较来验证模型。计算结果表明:铸锭中心呈正偏析,铸锭外围及表层呈负偏析,铸锭底部和顶部的溶质分布较为均匀。熔滴滴落所引起的强制对流与溶质对流和热对流共同作用于凝固过程中的溶质传输。液滴的滴落大大地增强了凝固前沿的金属液向熔池底部的流动,使凝固过程中被排出到金属液中的溶质元素迁移到熔池底部,造成了铸锭外围的负偏析。由于熔池中存在着较大的温度梯度,热对流与剪切应力流一同抑制熔池底部碳溶质的浮升,进而使溶质在熔池底部富集,导致铸锭中心产生了正偏析。而随着熔炼过程中传热条件的改变以及溶质元素在熔池底部的富集,金属熔池逐渐加深,又造成溶质元素在熔池底部的进一步富集,从而加重铸锭中心处的正偏析程度。断电之后,由于熔化过程的结束以及轴向的温度梯度降低,在熔池底部富集的溶质元素开始上浮而使铸锭顶部中的溶质分布趋于均匀。基于Euler-Lagrange法,本文发展了能够描述电渣重熔过程中熔体里夹杂物运动的非稳态数学模型。模型将熔渣和金属液看作连续的流体,而将夹杂物看作离散的粒子,考虑其在熔体中所受到的曳力、表面张力、压力梯度力、升力以及电磁压力,采用离散粒子模型(Discrete Particle Model,DPM)追踪其运动。通过VOF-DPM的耦合,研究揭示了夹杂物粒子的去除过程,并通过将原生夹杂物去除率的计算结果与前人的实验测量结果相比较验证了模型。模型还通过定义粒子在糊状区内被捕获的条件,给出了夹杂物在铸锭中的分布。原生夹杂物的去除过程主要受到熔渣流动的控制。进入渣层的夹杂物几乎不再进入熔滴中而污染金属液,进入金属熔池中的夹杂物也难以上浮进入渣层中。原生夹杂物粒子的分布主要由熔池形状所控制。铸锭表层夹杂物的数量较少,在铸锭底部,夹杂物位于铸锭的1/4半径到3/4半径的区域内;当熔池加深时,夹杂物更易于堆积在熔池的底部,因而在铸锭中部及顶部夹杂物的位置更靠近铸锭中心;而且由于凝固前沿对夹杂物的捕捉率有限,铸锭底部的夹杂物数量较少而铸锭顶部的最多。内生夹杂物的分布由凝固前沿的流动强度所决定。内生夹杂物在铸锭底部均匀分布,但随着金属熔池的加深以及凝固前沿流动的加强,熔池外围的夹杂物逐渐开始被卷入钢液中,转而向中心以及顶部偏聚。在使用电渣重熔熔炼大型铸锭时,由于大型电极的制备难度较大,国内一般采用同时熔炼多根小电极的方法,但目前对于多电极系统的研究和了解则更为有限。因此本文还发展了适用于多电极电渣重熔过程稳定状态的非稳态数学模型,对工业尺度电渣炉内的温度场、流场和金属熔池形状进行了预测。研究表明:由于熔体中的热源以及动量源分散,多电极系统内熔体温度分布更为均匀、金属熔池更为浅平,并且加大的极间距可以得到更好的效果。但电极周围热源和温度分布的不对称会造成电极形状的改变,从而对熔炼过程产生不利影响。