连铸凝固过程的优化控制是铸坯质量控制的关键。连铸作为钢铁生产的中心环节,其铸坯质量对轧材质量及最终钢铁产品使用性能具有决定性影响。连铸凝固过程涉及流场、温度场、溶质场、应力场等多个物理场的耦合作用,同时伴随多相等复杂特性,给其建模、求解、验证及优化控制带来困难。而目前连铸凝固过程优化控制研究仍主要集中于温度场的建模与优化控制,一方面对模型准确性等问题研究还不够深入难以应用,另一方面更缺乏对反映凝固过程本质的多物理场耦合过程建模及其优化控制的系统性研究,在质量建模及定量控制方面受到限制。其局限性严重制约了连铸工艺优化控制技术的应用与发展,更制约了铸坯质量的提升。本文针对这些难题,在连铸凝固过程建模、优化控制、应用研究三个方面系统性地进行了如下工作:1)建立基于多物理场耦合的连铸凝固过程模型(1)连铸凝固过程的多物理场耦合分析及建模策略的研究针对连铸凝固过程多场多相其建模和求解的困难,提出解耦、统一和分解的建模策略。首先针对多物理场之间复杂的耦合关系,通过分析进行简化和解耦,理清主要耦合关系。其次,针对多相变化引起多域建模及相界面跟踪难题,采用相混合统一模型分别建立不同物理场固、液及两相区统一的控制方程,转化为单域建模问题。最后针对整体求解多场耦合模型的困难,同时根据工艺优化控制需求,将复杂模型分解为凝固传热模型和内部裂纹、缩孔、偏析质量模型。其中,凝固传热模型是建立内部裂纹模型和缩孔模型的基础。(2)连铸凝固过程基础模型-凝固传热模型准确性和实时性问题的研究凝固传热模型的准确性是其应用的前提。针对数值计算中热物性参数的准确获取问题,提出基于铁碳伪二元相图的热物性参数计算方法。通过铁碳伪二元相图计算得到各相分率,结合各相物性参数,线性组合得到总的热物性参数。算法适用于碳钢和低合金钢,温度0～1600℃,满足连铸计算要求。计算结果与测量数据比较表明了其准确性,且优于专用软件JMatPro。此外,算法容易实现并嵌入在线凝固传热模型中。针对模型中待定参数的校正问题,采用二冷区内射钉测量坯壳厚度和二冷外表面测温相结合,提出基于混沌粒子群算法进行参数优化辨识的方法。通过在线计算与表面测温比较,偏差≤±13℃,验证了辨识参数的可靠性和模型的准确性。针对连铸方坯二维凝固传热模型在线应用的实时性问题,提出基于非均匀变网格变时间步长的算法。通过网格划分、时间步长等参数的优化,在相对参考网格计算偏差≤3℃条件下,与均匀定网格定时间步长算法比较,计算时间由159s减小为1.2s＜＜控制周期5s,满足在线实时计算要求。(3)基于多物理场耦合的内部质量模型的建立针对内部裂纹、缩孔和偏析三大类内部质量问题所关联物理场及其耦合关系的特殊性,分类建立其耦合模型,分别建立了基于热-力、热-凝固、磁-流-热-质耦合的内部裂纹、缩孔、偏析模型。其中,结合低倍数据,根据裂纹模型对Q235钢计算分析表明,回温过大是产生铸坯内部裂纹的重要原因。而对65#钢缩孔计算分析表明,适当减弱二冷水量有利于减小缩孔,65#钢最大缩孔直径5mm,相应计算为4.3mm,基本吻合。采用偏析模型计算与实测碳偏析指数比较,表明其结果符合实际生产规律。2)建立基于多物理场耦合模型的二冷及凝固末端电磁搅拌优化控制方法凝固过程的优化是提高铸坯质量的基础。以裂纹、缩孔、偏析质量指标模型为目标函数,对二冷水量进行优化。对Q235计算表明,优化后裂纹指数和缩孔直径均减小,其中,最大裂纹指数由0.853减小为0.743,缩孔由直径4.2mm减小为3.9mm,验证了优化模型的有效性。凝固过程的控制是保证连铸非稳态生产过程中铸坯质量稳定的关键。以凝固传热模型为核心,实现二冷动态控制,包含二冷水温前馈补偿控制及基于有效拉速、有效过热度的动态前馈补偿控制,而基于在线凝固传热模型实现铸坯表面温度反馈控制。与静态控制比较,通过动态控制铸坯表面温度波动由±35℃减小为±9℃。同时基于凝固传热模型对凝固末端电磁搅拌安装位置和电磁参数进行优化控制,通过在线计算液芯半径,实现电流的动态控制达到搅拌强度的稳定控制。3)现场应用研究将上述模型及优化控制方法应用于实际铸机工艺优化控制,经调试跟踪,取得较好应用效果,铸坯质量明显改善:A铸机系统改造后,经6个月跟踪统计,Q235中间裂纹、缩孔由改造前大于1.0级比例26%、8%分别降到0%、2%;65#钢缩孔、中心偏析大于1.0级由17%、22%分别降到2%、7%,同时65#钢拉拔过程中断裂次数由原来月均2～3次减少到近6个月仅出现一次。B铸机帘线钢中心碳偏析指数由改造前大于1.10降低为≤1.06,相应轧材网状渗碳体偏析合格率由0%提高到95.7%,实现其“一火成材”批量化生产质量要求,为企业节本增效4000万元/年。