装备大型化是重型机械领域面向未来的核心发展方向之一，大型模铸工艺具有质量和成本适中的优势，常作为重型装备关键部件制备的重要工序。钢水质量（（成分、洁净度等）[1-3]、浇铸工艺（（过热度、浇速等）[4-7]、冒口保温效果[8-10]、锭型设计[11-13]等关键参数，决定了大型模铸钢锭内部的疏松、缩孔等缺陷的形成以及合金元素偏析程度。大型模铸钢锭尺寸大和成本高，其解剖分析难度较高，工艺参数的优化通常以数值模拟分析为核心手段，结合探伤检测结果进行综合验证。有限体积法（（FVM）、有限元法（（FEM）、有限差分法（（FDM）、相场法（（Phase-Field）等被广泛用来求解大型铸锭凝固过程中的温度场、流场、元素偏析分布等，并可结合缺陷判据模型来判断凝固疏松、缩孔等缺陷的形成规律及分布特征[14-18]。段建平等模拟了8.4t 中碳合金钢锭的充型过程，发现冒口保温效果差易导致锭身上部产生严重的缩孔疏松缺陷[10]。张伦等模拟了不同参数条件下，303t 的16Mn 钢锭凝固过程，研究发现较低的浇铸温度、低的冒口保温材料导热性和高的冒口有利于降低钢锭的缩孔深度[14]。KOTÁSEK 模拟了65t 的25CrMo4 钢锭的充型过程和凝固过程，提出合理的浇铸速度、浇铸温度和钢锭的高径比可以避免疏松、缩孔缺陷的产生[15]。Chunping Zhang等通过有限元模拟了不同浇铸速度下（浇铸时间分别为28min 和38min），40t 低合金高强钢的充型过程，研究结果显示较高的浇铸速度有助于减轻钢锭中碳元素的偏析[5]。
尽管数值模拟结果可为大型模铸钢锭的工业化生产提供理论指导，但实际生产过程中，大型钢锭探伤难度较大，且部分钢锭需满足热送的工艺要求，现场工艺人员往往难以直观判断模铸钢锭内部的实际缺陷分布状态，这均为数值模拟结果的可靠性验证及后续锻造工艺的制定带来了诸多不确定干扰因素。为验证大型模铸钢锭数值模拟准确性及钢锭内部缺陷实际控制效果，本文以70t 级16Mn 钢锭为研究对象，借助Procast 软件模拟了不同工艺参数下该钢锭的充型及凝固过程，并基于模拟优化结果开展工业化生产。后续对制备完成的70t 级16Mn 钢锭进行解剖，分析其低倍组织特征与合金元素偏析分布情况，结果可为大型模铸钢锭的工业化制备提供借鉴。
1、试验材料及方法
1.1 试验材料
70t 级16Mn 钢锭的生产流程为80t 电炉（（全废钢）→LF→VD→模铸（（下注），浇铸前和浇铸过程中往钢锭模内充入氩气，浇铸完成后加入高效发热剂和碳化稻壳保温。钢锭成分如表1所示。
1.2 工艺优化模拟
利用Procast 软件模拟70t 级16Mn 钢锭的充型和凝固过程，避免有大量缩孔缺陷的产生，钢锭尺寸及参数设置如图1和表2所示。
1.3 低倍组织和元素偏析行为分析
将16Mn钢锭置于910℃的退火炉中进行退火处理，结束后，利用火焰切割方式沿钢锭纵向几何中心线两侧切割一块厚度约400mm 的纵剖板，如图2(a)和(b)所示。
为避免火焰切割对组织的影响，使用镗床和铣床将实验件一侧加工打磨掉200mm，剩余试验件厚度为200mm，观察面为钢锭纵向几何中心线对应的最大纵截面，之后对进行酸浸处理，通过精密扫描仪分别记录钢锭不同位置的低倍组织，并拼接成完整的16Mn钢锭低倍组织图，观察钢锭的疏松、缩孔等缺陷；酸浸结束后，使用磁力钻钻取钢屑，通过碳硫分析仪测量C和S元素；使用锯床和电火花线切割将样品切割成小块试样，通过直读光谱仪检测Si、Mn和P元素在钢锭最大纵截面的分布情况，取样位置如图2(c)所示。
2、试验结果及分析
2.1 浇铸工艺参数对钢锭疏松和缩孔缺陷控制的影响
大型钢锭制备过程中，浇铸温度和速度的选择对疏松和缩孔缺陷的控制至关重要。通过Procast软件模拟70t级16Mn钢锭的充型和凝固过程，结合现场的实际浇铸要求和生产经验，钢水过热度和浇铸速度的设置如表3所示，其中过热度范围为40~60℃，锭身浇铸速度为2.5t/min 和3t/min，冒口浇铸速度为1t/min。
凝固结束后，利用Niyama判据(Ny)分析钢锭中孔隙分布情况，结果如图3所示。可以看出，相比于钢液过热度，16Mn钢锭疏松、缩孔缺陷对锭身浇铸速度更加敏感。锭身浇铸速度为2.5t/min 时，钢液过热度在40~60℃范围内，锭身中均易出现疏松、缩孔缺陷，且过热度越高，产生疏松、缩孔的倾向越低。
锭身浇铸速度为3t/min 时，钢液过热度在40~60℃范围内，锭身中出现疏松、缩孔缺陷的倾向均较低。
实际生产中，在较低过热度下浇铸可以减少钢锭凝固过程中合金元素的偏析，但当过热度低于40℃以下时，大型钢锭实际浇铸过程中容易出现钢液流动性降低、局部未填充完整、锭身表面凹凸不平、冒口补缩效果差、疏松缩孔严重等问题。考虑到生产过程中的工艺容错，结合模拟结果，整体过热度选择为50~60℃，开始浇铸控制在1570℃左右；锭身浇铸速度控制在3t/min 左右，冒口浇铸速度控制在1.0t/min左右。该工艺参数下，70t16Mn 钢锭的充型和凝固过程如图4所示，充型和凝固过程温度场分布如图5 所示。可以看出，充型过程中钢液面平稳上升，钢锭由锭底向冒口顺序凝固，钢锭最后凝固区域位于冒口位置。合理的锭型设计、合理浇铸参数的选择以及良好的冒口保温效果使钢锭凝固时有充足的钢液进行补充，同时保证了钢液具备良好的流动性，避免锭身心部提前凝固而产生严重的疏松、缩孔缺陷。
