随着电力、油气开采、石化和储运等工业的发展,应用于这些领域的大型空心锻件的需求量越来越大,对其质量要求也越来越高。空心锻件的传统生产方法大多以实心钢锭为原坯料先经镦粗和冲孔将其制成空心件,然后再进行后续的锻造及加工。如果直接以空心钢锭为原坯料进行锻造可以节省镦粗和冲孔两道工序,减少锻造加热火次和锻造裂纹、提高钢锭的锻造收得率、减少钢锭重量、充分利用设备潜能。近年来,我国石油加氢裂化及电力装备的国产化程度大大提高,空心钢锭的市场需求量将会越来越大。随着电渣重熔技术的发展,将电渣重熔技术直接应用于制备空心钢锭成为一种生产空心钢锭的新方法,可避免传统空心钢锭生产过程中容易出现裂纹与偏析缺陷而严重影响空心锻件质量的问题,为制备高品质空心钢锭探索出一种新的途径。本文将该方法应用于制备Mn18Cr18N护环钢,开辟了一种生产护环钢的新思路,直接为锻造工序提供空心钢锭,避免了护环生产流程中锻造成形易开裂的现象,且满足护环钢对原坯料的高质量高性能的要求。由于电渣重熔空心钢锭的抽锭工艺不同于传统抽锭工艺,因此本文首先开发了适用于抽锭式电渣重熔空心钢锭的渣系。共设计了四组渣系(S1～S4)与两组常用渣系(S5,S6)进行对比,并对各物性参数进行了测试和计算,得到较为适合的渣系。渣系熔点和黏度的测试结果表明,S1～S4渣系的熔点均满足要求且黏度受温度变化的影响较小,其中S4渣系熔点最低、黏度稳定性最好;密度、碱度和电导率的计算结果表明,S4的密度和碱度较大,更有利于夹杂物的去除和脱硫效果,S4的电导率最小,电阻率最大,更有利于降低电耗和生产成本,提高生产效率。经对比分析,认为S4渣系最适合于抽锭工艺,并在后续的重熔实验中得到了验证。本文建立了多电极电渣重熔空心钢锭过程的数学模型,基于麦克斯韦方程、Navier-Stokes方程、连续性方程和传热方程,以渣池和钢锭为研究对象,进行顺序耦合求解得到各物理场的分布。首先建立了实验室规模的结晶器直径尺寸为Φ300 mm(外径)/100mm(内径),钢种为Mn18Cr18N的数学模型,将模拟计算的结果与实测的金属熔池形状及深度进行对比,对该模型进行了验证,并确认该计算方法的准确性。其次,通过讨论不同工艺参数对金属熔池形状的影响,得到最优工艺参数,并将此最优工艺参数在实验中加以验证。然后根据现场试验条件,建立了工业试验规模的直径为Φ650/450mm)的数学模型并对该模型进行验证。基于该计算方法建立了直径为Φ900/500mm的数学模型,并通过改变渣池深度、电极插入深度、电极布置方式和结晶器供电方式,对比分析了在不同的工艺参数下体系渣池速度场和温度场的分布规律以及钢锭的温度场,并得到最优工艺参数组合,这一结果在现场试验中也得到了验证。采用移动传热边界方法,基于元胞自动机法(CA)和有限单元法(FE)耦合技术(CAFE法),建立了电渣重熔空心钢锭的三维凝固组织模型。首先建立了钢种为ZG06Cr13Ni4Mo的实心钢锭模型,模拟计算得到该钢锭凝固的全过程,并通过与电渣重熔ZG06Cr13Ni4Mo的实验结果相对比验证了该模型。然后建立了直径为Φ300/100mm、钢种为Mn18Cr18N的空心钢锭模型,并将电渣重熔Mn18Cr18N空心钢锭的实验得到的金属熔池形状、枝晶形貌及生长方向、二次枝晶间距(SDAS)与模拟结果进行对比,结果表明二者吻合较好。在此模型基础上,进一步考察了电极熔化速度、渣池温度、钢锭侧壁冷却条件、钢锭底部冷却条件等工艺参数对电渣重熔空心钢锭凝固组织的影响,为优化工艺参数提供了理论依据。通过实验室规模的重熔实验,首先验证了本研究提出的适合于空心钢锭的抽锭新渣系和模拟电渣重熔Φ300/100mm,Mn18Cr18N护环钢空心锭获得的最优工艺参数。然后讨论了供电制度与抽锭速度的匹配对空心钢锭表面质量的影响。最终采用总结的最优工艺参数,电渣重熔得到具有良好内外表面质量的Φ300/100mm,Mn18Cr18N空心钢锭。通过对实验制备的Φ300/100mm,Mn18Cr18N空心钢锭进行宏观组织、化学成分及微观组织的分析。结果发现其宏观组织均匀致密,晶粒细小均匀,均无疏松、缩孔等低倍缺陷,与组织模拟的结果相吻合;通过对其化学成分的检测分析、夹杂物的统计分析以及SDAS的测量分析可以表明,采用S4渣系进行电渣重熔,脱氧脱硫效果良好,主要元素的烧损很小,大尺寸的夹杂物被有效的去除,组织致密度高。将实验室电渣重熔的Mn18Cr18N空心钢锭成功用于护环的试制,其加工塑性好,高温可锻性好,降低了锻造裂纹的产生,满足制备高强、高韧护环的要求,可作为护环实际应用。在数学模拟和实验室试验基础上,进行了电渣重熔大型空心钢锭的工业试验。首先进行了空心钢锭尺寸为Φ650/450mm的电渣重熔空心钢锭试验,考察了渣系对钢锭表面质量的影响,发现渣系S4效果较好,其结果与渣系性能研究得到的结论一致;然后采用数值模拟优化后的工艺参数进行了电渣重熔Φ900/500mm大型空心钢锭的工业试验,重熔得到的钢锭表面平整光滑,无明显缺陷;最后对比了结晶器不同供电方式对钢锭表面质量的影响,采用导电结晶器进行了重熔试验,整个电渣重熔过程平稳,未发生漏钢漏渣现象,重熔得到的空心钢锭内外表面质量均良好,且在交换电极处无明显渣沟。