随着连铸生产工艺的不断进步,人们对连铸坯的需求日益增加,对大断面、大尺度的特厚方坯质量要求更加严格。特厚方坯结晶器的研究是连铸过程中重要的环节,其中以结晶器冷却性能最为关键。随着连续铸造的大型工业化发展,特厚方坯连铸生产成为可能性,连铸结晶器的工艺选择保证了产品质量。由于特厚方坯断面大的原因,连铸结晶器存在一些工艺难点,其中最主要问题有两点:一是结晶器内钢液容量大热量大,钢液在结晶器内流动复杂,容易出现内部质量问题;二是在保证结晶器安全的前提下如何能快速有效的将钢液热量传递出去,同时保证坯壳出结晶器时的质量。针对上述问题作了如下研究:首先,分析特厚方坯结晶器内钢液流动特性,将钢液视为不可压缩流体,根据湍流数值模拟基本理论,选择雷诺时均模拟方法与大涡模拟方法来模拟钢液流动,并分析出两种模拟方法的优缺点。由于两种模拟方程表达式相似,再结合连铸结晶器内钢液流动数学模型的特点,通过特征长度将两模拟方程结合起来,即基于标准k-ε模型方程的湍流组合数值模拟方程组,由此分析钢液的流动时,不仅解决计算量大问题,而且还提高了精度,联立的模拟方程组,为特厚方坯结晶器内钢液流动的研究提供了理论参考。其次,对特厚方坯结晶器内钢液流动模拟研究时,先确定钢液在结晶器内流动的初始及边界条件,应用基于标准k-e模型方程的湍流组合数值模拟方程组为控制方程,通过改变水口结构、水口插入深度及钢液流速来进行有限元分析,得到了不同参数下的流场分布并进行对比研究,验证了组合模拟方程组的可靠性,为特厚方坯结晶器内钢液流动提供了新方法。再次,对特厚方坯结晶器内钢液凝固模拟分析,根据传热学及热力学基础理论,利用结晶器传热边界条件,逆向计算出热流密度,将热流密度作为边界条件来模拟出结晶器内铸坯凝固温度变化过程,并对结晶器不同区域铸坯凝固进行对比研究。同时还分析了钢液凝固收缩变形行为,以及结晶器铜板的热变形行为。结合这两种变形行为计算出结晶器倒锥度,由于特厚方坯结晶器尺寸较大,结晶器倒锥度的选择为多锥度尺寸。最后,将连铸坯材料加工成实验试件,利用Gleeble-3500热/力模拟机进行高温力学性能实验。实验模拟出试件在不同温度下的力学性能,根据实验数据对特厚方坯出结晶器时的安全厚度进行研究,得出适用于特厚方坯的安全坯壳厚度的修正值。由于特厚方坯出结晶器时容易出现角部裂纹缺陷,分析出现缺陷的原因,根据材料的高温力学实验数据,对特厚方坯结晶器角部进行倒角圆角处理,以铸坯不同比例尺寸修改结晶器角部大小,来保证铸坯出结晶器时角部高温力学性能。