大型装备中关键零部件往往都需要利用大型钢锭整锻而成。大型钢锭生产能力直接关系到我国经济命脉与国家安全。大型钢锭凝固过程中产生的宏观偏析质量缺陷不可通过后续加工过程改善或消除,直接影响到最终产品的使用性能。采用数值模拟的方法预测大型钢锭中宏观偏析的形成过程,具有重要的学术意义和工程应用价值。本文建立了预测大型钢锭凝固过程宏观偏析的多元多相模型。模型以凝固过程中的固、液、气为基本动力学相,考虑了凝固收缩、热溶质对流和等轴晶沉降等宏观偏析影响因素,耦合了宏观尺度上传热、传质、流动等传输现象和微观尺度上的晶粒形核及生长。推导界面平衡溶质约束关系,耦合多元合金热力学相图信息,协调处理了多组元平衡成分变化,计算多元合金体系凝固路径。利用斜顶盖驱动方腔流、自然驱动方腔流、Al-Cu-Si三元合金垂直定向凝固、Pb-Sn合金方腔凝固等若干基准实验和数值算例,验证了模型及计算程序。针对36t试验钢锭,开展钢锭体系测温和整体解剖实验。利用多组钢锭和锭模特征点测温结果,校核钢锭-锭模界面换热系数。基于钢锭纵轴面成分实测数据,重构多组元宏观偏析图谱,分析多组元溶质元素成分分布特征。将多元多相模型应用到36t试验钢锭凝固过程,考察凝固收缩流、热溶质对流和等轴晶沉降对宏观偏析形成的影响。基于非正交网格对几何边界的有效拟合,改善了原有基于正交网格的宏观偏析模拟结果。通过对第三组元的引入,提高模拟结果相对实测结果的准确度。开展三维宏观偏析数值模拟,立体呈现了宏观偏析特征结构。利用实测结果评价现有模拟结果,并完成不同截面位置处模拟结果和实测结果的定量比较。针对231t钢锭,开展锭尾切片解剖实验。利用多元多相模型,预测了钢锭多组元溶质元素宏观偏析,并与锭尾切片多组元成分实测结果进行了比较。结果表明,大型钢锭宏观偏析的准确模拟需进一步考虑更多组元溶质元素。将多元多相宏观偏析应用于535t钢锭多组元溶质元素分布预测,进一步为实际钢锭浇注工艺设计与优化提供技术支持。