随着电力、冶金、石化、航天、造船等工业领域中重大装备锻件的大型化,所需求的钢锭也在向超大型化方向发展,而大型钢锭质量的好坏直接影响到锻件的质量好坏。由于实验研究的代价高,所以数值模拟成为改善钢锭内部缺陷、优化钢锭设计的重要途径。本文应用计算机模拟技术针对冒口保温条件和浇注方式对大型钢锭的凝固过程进行了研究。目前对于大型钢锭一般都是在冒口处加入发热剂来获得良好的钢锭。根据所加发热剂的数量,建立基于0、50、100、200、300和500mm不同发热剂厚度的数学模型来研究冒口保温条件对大型钢锭凝固过程的影响,模拟结果表明:①当不加发热剂时钢锭整体凝固时间为23.7h,随着发热剂厚度不断增加为50、100、200、300、500时,整体凝固时间依次为26.2h、28.4h、30.2h、31.1h、31.1h,并且钢锭最后凝固的区域上移并集中,V形缩孔上移,开口增大;②当发热剂厚度为300mm时,钢锭内部缺陷基本得到改善,继续增加发热剂的厚度,对缩孔形状、大小和位置影响不大;采用二次浇注的方法,针对中间停歇时间和第一次浇注时间设计了9种浇注方案,模拟结果说明:①保持第一次浇注后充型率w1=66%不变,研究中间停歇时间tm对钢锭凝固过程的影响。当中间停歇时间不大于10h时,钢锭内部形成集中缩孔并深入钢锭本体,并且中间停歇时间越短,缩孔深入钢锭本体程度越大,不利于提高钢锭质量;当中间停歇时间不小于12h时,钢锭轴线上形成2个缩孔,1个进入冒口处,1个进入钢锭本体,严重影响钢锭质量;当中间停歇时间控制为11h时,在冒口处形成集中缩孔,距钢锭本体安全距离为63mm,此时凝固时间为38.4h。故适当控制中间停歇时间,有利于改善钢锭质量;②采用二次浇注的方法,保持中间停歇时间为10h不变,研究第一浇注时间对钢锭凝固过程的影响。当第一次浇注时间为20min(充型率w1=66%),集中缩孔在深入钢锭本体5mm处形成,影响钢锭质量;当提高第一次浇注时间至22min(w1=73%)时,集中缩孔在钢锭本体上方145mm处形成,大大改善了钢锭质量;当继续提高第一次浇注时间至24min(充型率w1=79%)时,集中缩孔在钢锭本体上方62mm处形成缩孔,故适当地提高第一次浇注时间能很好地改善钢锭质量。③采用二次浇注的方法,最佳方案为第一次浇注时间22min(w1=73%),中间停歇时间10h,此时凝固时间为36h,获得了良好质量的钢锭。同时,本文还通过实验研究探讨了铸件与铸型界面换热特性。采用稳态径向热流法和电测法相结合的实验方法对铸件与铸型界面的换热情况进行测试,实验设计了一整套研究铸件与铸型界面物性的测量系统,完成铸件与铸型在不同间隙、不同界面温度下界面换热系数的测量,并且通过后续数据分析及相关分析法找出界面换热系数与界面间隙、界面温度等因素的关系。分析结果表明:界面间隙、铸件界面温度、界面温度差对界面换热系数的影响程度由强到弱依次为:界面间隙、铸件界面温度、界面温度差,且界面换热系数与界面间隙和界面温度差均成负相关,与铸件界面温度成正相关。经过理论分析和实验验证可知,在热量传递过程中界面间隙空气的流动状态为层流,故对流换热对整个界面换热影响很小可忽略,而界面热传导和辐射换热占了主导作用。