连铸坯的质量影响着最终钢铁的质量,而决定连铸坯质量的主要因素就是它的凝固组织结构。所以对微观凝固组织的预测不仅在理论分析上有着重要的研究价值,而且对优化工艺生产也有着重要的应用价值。基于高碳钢中心等轴晶区域面积大且结构清晰的特点,本文选用60#钢为研究对象,采用数值模拟方法对断面尺寸160mm×160mm的连铸小方坯凝固组织进行预测,同时对如何优化生产工艺来改善组织内部结构进行分析。本文主要研究内容如下:(1)基于元胞自动机(CA)和有限容积(FVM)相结合的方法建立宏观-微观耦合的凝固组织预测模型。采用有限容积法对温度场模型进行数值求解,采用高斯分布的连续形核模型和简化生长速度求解后的KGT模型对微观组织的形核及生长进行模拟。采用双线性插值法将计算温度和浓度插值给微观元胞,将微观元胞释放的凝固潜热通过固相率的计算反馈回温度场,实现宏观温度场、溶质场和微观凝固场的耦合。(2)预测连铸坯在各个冷却阶段下的内部组织形貌和枝晶的生长过程。研究连铸小方坯的中心温度、表面坯温以及坯厚在铸坯凝固过程中的实时变化,并预测不同时刻温度下对应的微观凝固组织结构,最终将拉矫机前的内部组织结构结与实际结构进行对比分析,验证模型的计算结果是否准确。(3)分析宏观-微观耦合模型中模型选取和参数设定对预测结果的准确性影响。分别研究两个内设形核参数改变时预测结果的变化趋势和理论分析是否符合,验证模型算法是否准确。运用两种生长模型分别对枝晶的生长过程进行模拟,将预测的结果与实际凝固组织结构对照,对本文生长模型预测的准确性进行分析。(4)研究优化工艺条件改善组织结构的方法。采用控制变量的思想研究生产工艺参数,主要包括浇注温度、拉速和给水量变化时凝固组织结构的变化趋势。对比多组预测结果后综合分析,归纳出不同工艺条件对铸坯凝固组织结构的影响,再根据生产中的实际要求,归纳出优化所需凝固组织结构的工艺方法。