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大型锻件质量的好坏与钢锭的质量密切相关。要获得锻造所需的优质钢锭,就必须控制钢锭的凝固过程。钢锭凝固是在铸型内的高温状态下进行的,难以直接观察和控制。虽然在钢锭凝固过程的数值模拟研究方面,目前取得了较大的进展,但仍存在不少问题。主要表现在:计算结果的准确性、边界条件的确定以及数学模型的实验支持和可靠性。在实验室条件下,开展对大型钢锭凝固过程的物理模拟实验研究,不仅能了解凝固过程的主要影响因素和缺陷形成机理,也能为相应的数值模拟提供必要的实验支持,对于控制钢锭的质量具有重要意义,也是获得高质量锻件的重要保证。本文以大型钢锭的凝固过程为研究对象,通过对大型钢锭凝固过程三维温度场的数值模拟计算,研究了大型钢锭中心纵断面上冷却速度的变化规律;以模拟大型钢锭中心纵断面的冷却速度为初期目标,进行了凝固模拟实验装置的设计与制作。主要研究结果如下:1)对大型钢锭凝固过程温度场数值模拟的结果表明:钢锭的凝固趋势是轴向上由钢锭底部向钢锭冒口处推进,径向上从模壁处向钢锭的中心逐步进行。在钢锭的中心纵断面上,钢锭凝固过程的冷却速度在10-3~10-1℃/s数量级之间变化。2)利用Niyama判据函数对钢锭的缩孔、疏松进行了预测,结果表明:钢锭的缩孔集中在冒口部位,钢锭内有中心疏松出现。3)以模拟大型钢锭凝固过程中心纵断面的冷却速度为目标,设计并制作出一套凝固模拟实验装置。4)在研制的凝固模拟实验装置上,分别使用T10钢及Pb-Sn合金来模拟钢锭的凝固过程,对实验结果的计算表明:在现有条件下,该装置可实现钢液在冷却速度10-1℃/S数量级下的凝固模拟;锡铅合金在冷却速度10-2℃/S数量级下的凝固模拟。5)利用研制的凝固模拟实验装置,研究了凝固条件对偏析的影响。对凝固后的锡铅合金锭的成分检测表明:合金锭偏析通道内富集低熔点溶质Sn;对纵剖面不同位置的成分检测结果表明:合金锭顶部出现正偏析,底部出现负偏析,最大正偏析率为1.57。