空心钢锭是相对于实心钢锭而言的,它是加工筒形件、大型管件以及耐压产品的重要原材料,它可以节约原材料,降低此类产品的生产成本,提高产品的质量。在我国空心钢锭的生产还处于起步阶段。在生产上述产品时,一般用实心钢锭,加工特殊产品时要进口空心钢锭。目前,随着我国经济的不断发展,化工、核电等项目正在大量上马,对这类产品的需求越来越多,所以发展空心钢锭在我国具有重要的现实意义。目前空心钢锭的生产技术主要有两种,一种是内芯法,另一种是无芯法。内芯法生产空心钢锭技术的研究起步较早,技术也较成熟,但由于其生产机理所致,不能形成连续生产。无芯法生产空心钢锭是一项全新的技术,目前有日本川崎制铁所拥有这项专利技术。无芯法可以实现连续生产,但对生产过程的热环境要求较高。本文针对无芯法生产空心钢锭这项新技术,从热力学的角度出发,应用数值模拟的方法,探讨了用该方法生产空心钢锭的过程中热环境对凝固前沿的形状及其推进过程的影响。本文首先介绍了空心钢锭在国内外的发展情况,分析了空心钢锭两种生产技术的不同的机理,简要叙述了内芯法生产空心钢锭技术的数值模拟情况。无芯法生产空心钢锭技术要控制凝固的发展方向,属于定向凝固的范畴。文中还介绍了凝固过程数值模拟的进展和目前常用的数值方法。凝固是一个复杂的传热传质过程,并且伴随有相变发生,凝固过程中的热环境对于凝固的方式、凝固的方向、铸锭的微观组织结构起着决定性的作用。在数值模拟中使用了控制容积法。文中阐述了该方法的控制方程及其求解过程。为研究方便,文中先计算了6 吨普通钢锭的凝固过程,计算所得的凝固曲线与Weingart 等人在1975 年实测结果相一致。模拟发现液相部分自然对流的输运作用在凝固过程中,对相界面的形状和推进方式有重要的影响。它改变了相界面的形状,决定了凝固的发展方向。在数值模拟中发现了一个重要的现象,即在凝固的前期,液相中的大环流内存在一个局部环流。在第三章中,本文根据无芯法生产空心钢锭的物理模型抽象出计算模型,找到了两条比较适合该技术的换热系数曲线,考查了钢锭模的锭型结构对凝固过程的影响,发现3:1 的锭型结构适合无芯法生产。最后,本文提出了无芯法连续生产空心钢锭技术需要解决的问题,以及在选定凝固材料和进行锭型设计时的参考意见。