大型锻件是制造重型机械和重型装备的基础,而铸锭是大型锻件的母坯。铸锭只有经过后续加工才能形成最终构件。由于铸锭制造的生产周期占产品生产周期的40%以上,因此铸锭制造是大型装备制造的主要环节之一。由于铸造凝固的本征特性,铸锭中不可避免的存在成分偏析、缩孔、缩松、晶粒形态和尺寸不均匀等缺陷。其中宏观偏析在后续的热加工过程中难以得到有效改善。所以大型锻件的宏观偏析问题必须在铸锭制备阶段就开始控制。铸锭宏观偏析的起因主要是凝固过程中固液相之间的相对流动。在生产实践中,由于大型铸锭制备成本较高,并且宏观偏析分布只能通过解剖铸锭才能得到。实验研究存在周期长、成本高、能耗大等不足。因此,随着计算机技术的发展,建立铸锭凝固过程中宏观偏析的形成、演化模型是一种研究宏观偏析形成机理的有效手段。此外,研究宏观偏析机理有助于开发新型铸造工艺来控制铸锭偏析分布。本文以Fe-C合金为目标合金,基于欧拉-欧拉多相流模型利用体积平均理论结合商用流体力学软件建立两相（液相和等轴树枝晶）、三相（液相、柱状晶相和等轴树枝晶相）和四相（液相、柱状晶相、等轴树枝晶相和空气相）的凝固传热、传质和流动模型。该系列模型耦合了凝固过程中传热、传质、组分传输和流动等宏观现象和晶粒形核、长大等微观现象。通过构建凝固模型再现了铸锭凝固过程中的各种物理现象,结合前人实验结果和本文模拟结果分析并讨论了各类偏析（底部负偏析区、顶部正偏析区和铸锭侧面A偏析）的形成机理。最后,基于宏观偏析的形成机理,研究了一种能有效改善大型铸锭宏观偏析的铸锭凝固工艺对宏观偏析的改良效果。主要结论如下:为了研究枝晶结构对铸锭凝固及宏观偏析的影响,提高大型铸锭宏观偏析计算准确性,在总结其他学者模型的基础上,建立一种考虑枝晶结构的两相凝固模型。通过与经典实验结果比较,验证了模型的可靠性。采用该模型研究了3.3吨工业铸锭的凝固过程及宏观偏析形成机理。模拟结果表明:枝晶结构对凝固过程中的流动具有重要影响,它通过影响固相中渗透率来影响液相流动速度,从而最终影响铸锭宏观偏析的分布,而枝晶结构对铸锭凝固顺序影响不大。此外,通过跟踪铸锭中A偏析形成过程,发现流动通道、凝固过程中的重熔和晶粒沉降等都不是A偏析出现的必要条件,而枝晶间的不稳定流动是A偏析出现的主要因素。最后,模拟结果显示在铸锭顶部正偏析下方出现一个负偏析区域,这是由铸锭尺寸效应造成的,改变铸锭冷却条件无法消除该负偏析区域。为了考虑柱状晶对大型铸锭宏观偏析的影响,在等轴树枝晶两相模型的基础上建立三相凝固模型。通过与55吨工业铸锭实验结果比较,验证了该模型的可靠性。计算了一系列不同尺寸钢锭,系统研究铸锭尺寸变化对铸锭宏观偏析形成及分布的影响。通过对比模拟结果和实验结果可知,随着铸锭尺寸的增大,铸锭中的偏析逐渐变严重。虽然小型铸锭中（50 kg和400 kg）只出现了轻微的偏析,但是当铸锭重量大于33000kg,底部锥形负偏析区域和顶部正偏析随着铸锭尺寸增大不仅偏析范围变大而且偏析程度变严重。通过比较各铸锭底部负偏析和顶部正偏析的形成过程,发现当铸锭较小时（50 kg和400 kg）,热溶质对流在偏析的形成过程中起主导作用。随着铸锭增大,热溶质对流作用减弱,而晶粒沉降作用逐渐增强。当铸锭重量超过25000 kg后,等轴树枝晶的分布直接决定了铸锭负偏析的分布。此外,当铸锭重量超过25000 kg后,铸锭最大负偏析变化不随铸锭尺寸的增加而增大。通过跟踪55000 kg中最大负偏析的形成过程,发现最大负偏析出现时该处被等轴树枝晶完全占领,出现塞集现象,从而最终影响了此处的最大负偏析值。基于考虑等轴树枝晶的三相模型,构建了一种考虑凝固收缩的四相模型,可同时预测凝固过程中形成的宏观偏析、缩孔和缩松缺陷。利用该四相模型对55吨工业级铸锭的宏观偏析进行了研究,实现了大型铸锭凝固过程中的多缺陷耦合同步预测。模拟结果显示,凝固收缩不仅使铸锭底部负偏析区域增大、偏析强度增强,而且改变了顶部正偏析的程度和位置。采用三维网格计算铸锭凝固过程,再现了大型工业铸锭中的三维层状A偏析。基于大型铸锭的宏观偏析形成机理,研究了一种可控制铸锭宏观偏析的凝固新工艺—逐级梯度冷却工艺,并采用四相收缩凝固模型计算比较传统工艺和新工艺的宏观偏析差异,同时通过比较两者的凝固顺序、流动状态和温度场分布来研究新工艺对铸锭宏观偏析的影响。模拟结果显示,新工艺具有控制铸锭宏观偏析分布的作用,应用新工艺后铸锭的宏观偏析波动范围为0.260（从-0.158到0.102）相比传统工艺的0.701（从-0.264到0.437）降低了1.7倍。通过分析宏观偏析形成过程,发现新工艺能有效控制铸锭凝固顺序和流动区域,这不仅能抑制等轴树枝晶的形核、长大和沉降,而且还能减少可供液相流动的区域,最终起到控制铸锭宏观偏析的作用。