随着重大装备锻件的大型化,对于大型钢锭的质量要求越来越高。大型钢锭具有“凝固时间长,凝固过程复杂”的特点,对其组织带来了严重的缺陷。自从第二次工业革命以来,西方发达国家一直坚持对大钢锭的解剖工作,取得了丰富的成果。我国自上世纪80年代开始重视对大铸锭的解剖工作,结合对大型锻件的实际需要,取得了重大进展。大铸锭的质量问题主要有两个方面,即晶粒组织粗大和成分宏观偏析严重。两者都与大铸锭在凝固过程中的“温度梯度”和“对流运动”条件紧密相关。本文提出了一种在实验室条件下研究大铸锭凝固过程的“热模拟”方法。基于大铸锭原型尺寸,计算大铸锭凝固过程的温度场,再根据大铸锭自中心向外不同区域的温度特征,在热模拟实验机上分别完成了“无温度梯度条件”,“低温度梯度条件”,“较高温度梯度条件”和“高温度梯度条件”的热模拟实验。根据实验结果,分析了不同温度梯度条件对缩孔位置,晶粒组织形貌,元素偏析,夹杂物种类、形貌及数量的影响。将热模拟实验结果与一个100吨铸锭的解剖结果做了形貌组织对比。考察了水平旋转因素对热模拟结果的影响,研究了强制对流改变晶粒形貌的机制,讨论了对流（流动与传热）对凝固组织的细化机制。采用Procast的café组织模块对微观组织结果进行数值模拟。与“热模拟”实验结果对照,分别模拟了“无温度梯度条件”,“低温度梯度条件”,“较高温度梯度条件”和“高温度梯度条件”下的微观组织。确定了合适的数值模拟参数,分别为面形核参数Nmax=5×107,ΔTmax=0.5,ΔT?=0.1,体形核参数Nmax=7.5×108,ΔTmax=2.5,ΔT?=1,生长参数a2=8.9×10-6,a3=4.5×10-6。分析了不同温度梯度对晶粒组织形貌的影响。利用procast软件中的宏观偏析模块,模拟了不同温度梯度条件下组织的成分偏析。数值模拟结果为模拟大铸锭的凝固过程提供了依据。利用钢液在1500℃左右的流动特性与水在20℃时的流动特性相仿的特点,自主搭建了水模拟旋转实验平台,结合“热模拟”实验水平旋转工艺参数,测定了在“水平强制对流”条件下流体的剪切应变和法向应变,分析了流体切向运动和法向运动对凝固初期的枝晶生长的影响。利用氯化铵析出实验装置,记录了不同温度梯度条件下枝晶的生长过程。通过示踪粒子的作用,考察了增加形核核心对形核过程的影响。考虑了温度梯度对枝晶生长和形貌转变的影响。最后,结合“热模拟”和数值模拟研究方法,将“热模拟”的实验结果（晶粒形貌,元素偏析,夹杂物分布等）与“数值模拟”结果进行比照验证,根据合适的模拟参数（初始条件,边界条件,晶粒形核与生长参数等）模拟并预测22吨铸锭的凝固过程。模拟过程中耦合了温度场、流场和溶质场。模拟结果与文献发表实际结果符合较好。为研究大铸锭凝固过程提供了一种行之有效的研究方法。