近年来,随着我国铁路行车速度的不断提高,提升行车的安全性、改善高速轨用钢的钢材性能至关重要。而提高连铸坯质量是保证钢材性能的重要前提,因此,研究铸坯凝固机理,分析铸坯凝固的微观组织生长和演变过程,对优化连铸现场工艺具有重大意义。本文以国内某钢厂高速轨U75V钢连铸方坯为研究对象,宏观低倍检验和金相实验为基础,使用数值模拟技术,模拟了国内某钢厂高速轨U75V钢连铸大方坯凝固微观组织结构,分析归纳了铸坯微观凝固组织生长行为和演变规律,探讨了连铸工艺参数对铸坯组织的影响,主要研究内容和取得的主要成果如下:(1)高速轨U75V钢连铸方坯从结晶器至距弯月面20m处,宽面中心各区出口温度分别为 1064.7、970.6、975.4、922.7、919.1、898.6 和 863.3℃,窄面中心各区出 口温度分别为 1012.9、941.7、964.1、914.3、883.1、837.3 和 797.3℃。在完全凝固之前,由于凝固潜热对热量损失的补充,铸坯中心温度下降趋势较为平缓,而在完全凝固之后温度急剧下降。(2)在连铸过程中,铸坯截面温度从中心向表面逐渐降低趋势,且温度梯度随之增大,同时由于铸坯角部二维传热,热量散失较快,温度最低。随着离结晶器弯月面距离的增加,方坯液相等温线和固相等温线逐渐向方坯中心移动,液相等温线在7.2m处消失,固相等温线在15.6m处消失。(3)当过热度条件分别为15、25、35℃时,U75V钢方坯轴向CET位置向表面从27.8m移动到45.2、63.3mm处,柱状晶平均面积分别为0.84、1.05、1.26mm2,柱状晶平均半径分别为 0.44、0.54、0.61mm;当拉速分别为 0.68、0.75、0.82 m/min 时,U75V 钢方坯轴向CET位置向表面从45.2mm移动到44.1、42.7mm处,柱状晶平均面积分别为2.59、2.45、2.35mm2,柱状晶平均半径分别为0.69mm、0.66、0.65mm;当二冷比水量从0.2211/kg分别增加至0.240,0.273 1/kg时,U75V钢方坯轴向CET位置分别为40.7、45.2和47.7mm处,柱状晶平均面积分别为2.13、2.59和2.76mm2,柱状晶平均半径分别为0.57、0.69 和 0.78mm;当结晶器内水流量从 2700L/min 增加至 3000L/min、3300L/min 时,U75V钢方坯轴向CET位置分别为39.3、45.2和58.9mm处,柱状晶平均面积分别为2.33、2.59和2.76mm2,柱状晶平均半径分别为0.65、0.69和0.76mm。(4)结合前人研究,提出新的物性参数,PP=D/mC0(k-1)Γ,模拟不同碳当量情况下钢方坯凝固组织,并通过多项式拟合得到铸坯等轴晶率与参数PP的关系式:rE=0.86-1.28×102·PP-2.42×104·PP2。(5)使用低倍腐蚀技术可以使铸坯表面呈现清晰的枝晶结构。统计各晶区宽度,其中宽面各区长度分别为:柱状晶区43mm、混晶区29mm、等轴晶区118mm,窄面各区长度则为:柱状晶区39mm、混晶区32mm、等轴晶区69mm。铸坯等轴晶率约为34.6%。利用同样的方法检验了铸坯的宏观缺陷,本实验中经检测的铸坯样主要存在中间裂纹、中心偏析以及中心疏松和缩孔等缺陷。(6)使用饱和苦味酸溶液在70℃水浴下最佳腐蚀时间为7秒。随着距铸坯边缘距离的增加,一次枝晶间距逐渐增大,二次枝晶臂间距先增大,后有所减少。比较二次枝晶臂间距的测量值与模拟值,发现实际测量值比模拟结果稍大,这可能是因为实际连铸过程冷却强度比模拟值稍弱。(7)枝晶实际最优生长方向并不与铸坯表面垂直,而是存在一定偏移角,柱状晶生长在水平方向的偏移角α可能与电磁搅拌作用力有关,而垂直方向的偏移角β可能与拉速、电磁搅拌等引起的钢液的流动有关。