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大型锻件的制造能力是衡量一个国家工业发展水平与重大装备自给能力的重要标志之一，直接影响国家重型装备制造业的发展。高质量的大型锻件需要优质的大型钢锭作为坯料。然而，钢锭的质量越大，钢锭内部的缩孔疏松缺陷、宏观偏析缺陷以及钢锭的纯净度越难控制，并且钢锭内在严重缺陷难以通过后续处理消除，常常导致大型锻件直接报废。为了解决以上钢锭缺陷控制难题，本文以优质大型钢锭制备为目标，研究了钢水纯净化冶炼及浇注、钢锭凝固过程心部缩孔疏松缺陷、宏观偏析缺陷形成与演化，为大型钢锭内部质量控制提供依据。论文的主要研究内容和结论包括:
1)基于通过钢水纯净化抑制大型钢锭宏观偏析思路，开展了钢水深脱磷、深脱硫以及真空碳脱氧系列方法研究。主要采用真空碳脱氧替代铝脱氧的方法，显著减少了氧化物，特别是Al2O3的影响。100吨级30Cr2Ni4MoV钢锭的试验结果如下:[S]≤0.002％，[P]=0.005％，锭身大部分[H]＜1ppm，T[O]≈10ppm，[N]＜70ppm,满足了超纯净30Cr2Ni4MoV大型钢锭成分要求。此钢锭材料的回火脆性敏感系数J=3.4，优于目前对超纯净30Cr2Ni4MoV大型钢锭材料的一般要求(J=10)。
2)研究了12Cr2Mo1大型钢锭底部沉积锥处大型夹杂物问题。研究发现钢锭顶部包裹浮渣的凝固薄层卷入以及下落，是沉积锥处大型夹杂物形成的主要原因。通过改善钢锭顶部冒口热环境以及控制包中残留钢水高度，可以解决底部沉积锥处大型夹杂物问题。
3)基于高致密大型钢锭制备的研究思路，采用真空浇注方法，以及大型钢锭热切及大平面冷酸侵蚀技术，对原工业锭型100t级30Cr2Ni4MoV大型钢锭进行实物解剖和低倍检验。结果发现原始工艺设计的钢锭心部存在严重的缩孔疏松缺陷，缺陷高度占整个锭身高度的81％。导致钢锭中心严重缩孔疏松缺陷的主要原因是冒口补缩不良。据此开发了多梯度稳态热冒口技术，并利用本课题组开发的有效缩孔疏松判据G/R0.5＜2.5℃·s0.5·mm-1.5，模拟计算了冒口保温对心部缩孔疏松的影响。之后又浇注并解剖了两支钢锭，其中，第三支钢锭经超声检测，锭身铸态条件下未发现φ3mm及以上当量缺陷，最终实现了100t级高致密钢锭的制备。
4)基于低偏析大型钢锭制备的思路，系统研究了纯净化对钢锭宏观偏析的影响，测定了三支100t级30Cr2Ni4MoV试验钢锭的成分分布。通过纯净化控制，获得了低偏析大型钢锭，钢锭锭身碳成分波动范围为±0.02wt％，基本消除了锭身部位A型、V型、正偏析和负偏析缺陷。
5)基于连续介质模型，采用Fe-C-Si-Mo四元系合金对大钢锭成分偏析进行了模拟，研究了元素Si、Mo以及冒口保温对宏观偏析的影响。发现Si显著增加正偏析、Mo减轻正偏析;当冒口保温不会大幅度增加二次枝晶间距时，冒口保温有利于析出的溶质进入冒口上部，降低锭身正偏析;当冒口保温使锭身二次枝晶间距大幅度增加时，锭身溶质析出加剧，锭身上部正偏析增加。
6)特别研究了吹氩及纯净化对钢锭中A型偏析的影响。结果表明吹氩能够使钢液中形成大量游离的晶核，细化晶粒，抑制溶质富集、流动，从而减轻或消除A型偏析。研究发现氧化物具有聚集杂质元素的能力，是A偏析形成的源。钢水纯净化能够使钢水中氧化物含量减少，且尺寸变小，分布更加均匀。由于氧化物能够作为MnS形成的核心，钢水纯净化有利于减少氧化物核心，抑制硫化物团簇在A偏析区富集并最终减轻直至消除A型偏析。