近年来,随着我国核电、石油化工等行业的快速发展,大型筒形件的制造技术越来越受到人们的重视。与采用实心钢锭制造筒形件的传统制造工艺相比,采用空心钢锭直接成形的制造技术省去了镦粗、冲孔等多道加工环节,既节约了能源,又提高了材料的利用率。随着凝固数值模拟技术的完善和凝固软件的开发,实现了在实验室内就可以对大型空心钢锭的凝固过程进行分析,探究影响空心钢锭凝固过程的因素,为实际生产中获得高质量的空心钢锭提供了保障。本文主要内容如下:(1)运用ProCAST软件对65t空心钢锭的凝固过程进行模拟计算,分析了内壁界面换热系数对最终凝固位置的影响,得到实际生产最终凝固位置为35%时的边界条件。(2)对4.2t Mn18Cr18N空心钢锭的凝固过程进行了模拟研究,采用与65t空心钢锭相同的锭型、浇注方式和边界条件,分析浇注温度和浇注速度对显微缩松的影响规律。模拟结果表明,凝固结束后在冒口根部下方靠近内壁处出现长条状的显微缩松,并随着浇注温度和浇注速度的增大呈现增大的趋势。得到浇注温度为1415℃,浇注速度为25kg/s的“低温慢注”的合理浇注工艺。在最佳的参数下,分析了空心钢锭凝固过程中温度场和固相率的变化情况,以及缩孔缩松缺陷的分布情况。(3)探究了不同边界条件对4.2t Mn18Cr18N空心钢锭凝固过程缺陷的影响,分析了凝固结束后显微缩松的分布情况。结果表明,内外壁边界条件相同时,显微缩松出现在距冒口根部54mm处的锭身芯部位置,呈断续状分布,严重程度明显小于内外壁边界不同时。边界条件为变化值时,与恒定的边界条件相比,两者产生显微缩松的程度和分布区域相差不大。(4)对常规铸造下的Mn18Cr18N空心钢锭微观组织进行模拟计算。结果表明,形核密度中影响CET(柱状晶等轴晶转变)的主要形核参数是体形核密度Nv;面形核密度Ns可以控制柱状晶的一次枝晶间距;ΔTV,max和ΔTS,max对显微组织的影响不大;Nv和σΔTv都会影响晶粒的尺寸,但Nv是主要因素;同时增大Ns和σΔTs,柱状晶的一次枝晶间距λ1有所减小,CET转变没有发生明显的变化。随着生长动力学系数的增大和浇注温度的升高,CET转变延迟,且延迟趋势逐渐变缓。恒定的边界条件主要影响柱状晶的长度。边界条件为变化值时可以加快CET转变。(5)对电渣重熔下的Mn18Cr18N实心钢锭微观组织进行模拟计算,并与实验结果进行对比。结果表明,从纵截面上可看到,电渣锭的微观组织全部由柱状晶组成。底部柱状晶沿轴向方向生长,铸锭内部由倒V形的柱状晶区组成,柱状晶生长方向与轴线成60°角。从横截面上可看到,电渣锭表层由细晶区组成,越靠近芯部,晶粒的横截面积越大。将模拟结果与实验结果进行对比可看到,二者的凝固组织结晶特征十分接近,从而验证了电渣重熔模型的合理性。