大型铸锻件是制造领域重大装备的核心部件,而铸锭是大型锻件的母坯,其质量直接影响后续加工工序选择以及产品的质量和服役寿命。由于合金凝固的本征特性,大型铸锭凝固后将不可避免地出现成分偏析、缩松、缩孔、夹杂物等不同类型和尺度的缺陷。在计算机技术快速发展、算力及存储能力倍增的背景下,构建铸锭凝固过程中多组分、多相演化模型,从而模拟大型铸锭的凝固过程是该领域的重要手段。目前已发表的模型大都只能针对单一缺陷如宏观偏析的预测,对夹杂物流动、凝固收缩等的忽略影响了模型预测的精度。此外,尚缺乏对不同种类夹杂物在凝固期间的析出生长等微观行为及流动等宏观行为与产生宏观偏析的相互作用机制的阐明。针对上述不足本文基于多相流和体平均法,在课题组凝固偏析模型的基础上,先后建立了以Mn S夹杂物和Al2O3夹杂物为目标夹杂物的宏观偏析与夹杂物耦合凝固模型。借此揭示宏观偏析等缺陷形成机理以及各缺陷的相互作用机制,为大型铸锭制备工艺窗口设计提供理论基础支撑以及绿色、低成本、高效的研究方法及工具。针对Mn S夹杂物,建立了Fe-C-Mn三元、多相凝固模型。模型考虑了凝固过程中传热、传质、组分传输和流动等宏观现象和晶粒形核、长大等微观现象,同时也耦合了Mn S夹杂物在凝固中后期形核及长大行为。为适应不同凝固条件下Mn S夹杂物的形成,针对柱状晶凝固及柱状晶-等轴晶混合凝固进行分别建模。其中柱状晶凝固包含液相、柱状晶相和夹杂物三相（此处定义的相为流体力学相,下同）,并借助模型发现Mn S的析出主要通过改变流场和消耗溶质而影响C和Mn溶质宏观偏析。针对柱状晶-等轴晶混合凝固,建模包含了液相、等轴晶、柱状晶相和夹杂物四相,并且还考虑了等轴晶形核、沉降、树枝状形貌、与柱状晶的竞争生长等现象。通过夹杂物粒径、体积分数、临界析出温度、数密度等方面与实验数据进行对比验证,证实模型可靠性。研究了影响Mn S夹杂物析出的主要因素,以及不同S初始成分下Mn S析出的临界条件。模型应用于2.45吨钢锭中,有效预测了宏观偏析、Mn S夹杂物分布以及CET转变等。针对Al2O3夹杂,构建拉格-朗日框架对其流动行为进行跟踪模拟,并使用分形理论描述其团簇状形貌。模型考虑了液相、柱状晶、等轴树枝晶和Al2O3颗粒四相,并应用于55吨大型钢锭中,研究了夹杂物流动对宏观偏析的影响。结合前人实验结果和本文模拟结果,分析并讨论了钢锭底部负偏析区、顶部正偏析区等的形成机理。研究发现对于球形Al2O3夹杂物,影响宏观偏析的夹杂颗粒“有效”直径为15-20μm左右。对团簇夹杂物的相关研究表明,小颗粒聚集形成的夹杂物团簇不仅难以上浮去除,而且会加剧宏观偏析。最后基于上述欧拉-拉格朗日框架,进一步考虑等轴晶球状向树枝状转变这一过程,并引入气相以平衡凝固收缩产生的体积变小,构建五相模型实现综合预测宏观偏析、缩松/缩孔、多尺寸夹杂物缺陷。模拟得到的顶部缩孔位置形状与实验结果吻合。此外,在模拟结果中观察到明显的A型偏析,角度与水平约呈83°,解剖实验硫印观测到的A型偏析角度为82.5°,极为接近。且中心线上溶质偏析指数与实验测量数值也相吻合,证实了模型的可靠性。研究了多尺寸球形夹杂和团簇夹杂物的流动分布情况,模拟发现各尺寸夹杂物在流场内逐渐出现分层现象:尺寸较大的分布在铸锭上方位置（即后凝固区域）,而尺寸较小的往往位于铸锭下方（即先凝固区域）,球状或团簇状夹杂物在凝固过程中均有一定量的夹杂物存在于糊状区中,与凝固前沿液相产生拖曳作用,改变宏观偏析的分布和偏析程度。