作为揭示连铸坯质量与连铸工艺参数之间内在本质联系的基础,枝晶生长越来越受到冶金学者的关注和重视。尽管同步辐射X射线原位观察技术能够有效再现小尺寸试样的枝晶生长过程,连铸坯的凝固过程具有高温、不透明与糊状区深长的特性,其枝晶演变过程的实验研究仍未实现。随着相场(PF)法、水平集(LS)法与元胞自动机(CA)法等数值模拟方法的兴起以及计算机的飞速发展,连铸坯枝晶凝固过程的描述正逐渐成为现实。由于宏观连铸坯与微观枝晶跨尺度模拟计算量巨大,本文采用高效CA法解决固液界面生长动力学问题,并用有限体积法(FVM)求解热量、溶质与动量传输问题,从而建立了描述Fe基合金枝晶生长的二维与三维CA-FVM模型。本文突破了三维枝晶生长模拟计算效率低下的难点,大幅降低了 CA-FVM模型的网格各向异性,实现了在满足枝晶生长方向的同时,保证界面的尖锐性与生长的一致性。在此基础上,本文详细描述了Fe-0.82C(wt%)合金等轴晶在过冷熔池中的凝固过程、柱状晶在定向凝固过程中的生长行为与柱状晶向等轴晶转变(CET)现象,着重阐述并揭示了强制对流对枝晶生长行为的影响规律,成功再现了高碳钢连铸方坯的枝晶演变过程。本文致力于探索连铸坯微观组织研究及其控制的新途径,其主要研究内容与结果如下:(1)基于Neumann规则,开发了 CA-FVM模型,旨在描述Fe-C合金等轴晶与柱状晶生长行为。研究结果表明:本文提出的带有1次二维迭代的三维BCT的并行Jacobi方法,能够大幅提高三维CA-FVM模型的计算效率。例如,该方法将计算规模2013的绕长方体流动问题的计算时间开销从串行TDMA的92.62 h优化至2.60 h。通过与枝晶生长经典解析模型和实验结果的比较,CA-FVM模型能够预测Fe-C合金等轴晶在过冷熔体中和柱状晶在定向凝固过程中,甚至在强制对流作用下的生长现象。(2)采用建立的CA-FVM模型,描述了在过冷熔体中与定向凝固过程中Fe-0.82C合金枝晶生长行为,研究了二维与三维情况的异同之处。研究结果表明:熔池过冷度、流型与流动强度等因素对合金枝晶生长行为的影响机理可归结为枝晶周围的富集溶质包膜,即浓度梯度分布。随熔池过冷度的提高,溶质包膜减薄,促进等轴晶形成二次枝臂。在强制对流作用下,富集溶质偏聚于等轴晶背流侧与柱状晶下游区域,因此等轴晶迎流枝臂与入口柱状晶(三维)的生长受到促进,同时二次枝臂呈现出迎流形成与发展的特性。与三维情况相比,二维等轴晶的溶质包膜较为厚实,因此其主枝臂迎流生长现象更加明显,但是二次枝臂不易形成。然而,二维与三维柱状晶的差异主要取决于空间维度。例如,在二维空间内,入口柱状晶的生长率先被限制。另外,随着界面各向异性参数的提高,三维等轴晶的二次枝臂先抑制、后促进,尤其在较低过冷度条件下更加突出。在定向凝固过程中,细小柱状晶的生长易被邻近粗壮柱状晶的二次枝臂阻挡,并逐渐融合,发生粗化,此现象与实验观察结果相吻合。适当提高冷却强度,能够减小柱状晶一次与二次枝臂间距,提高柱状晶的致密度,从而改善小断面高碳钢方坯的中心质量。(3)引入了偏心正方形算法,并根据枝晶生长方向,改进了偏心正方形半对角线长度的计算方法,通过界面形状因子,修正了界面胞的生长速率,以合理匹配偏心正方形与界面胞的生长,建立了 MCA-FVM模型,以描述多取向枝晶生长现象。研究结果表明:建立的模型均合理地保持了等轴晶的预设生长方向,保证了生长的一致性与界面的尖锐性,MCA-FVM-II模型更能清晰地描述生长方向与CA网格接近的枝晶的形貌。同时,MCA-FVM模型预测的等轴晶稳定生长尖端参数在一定程度上能够与LGK解析解吻合,描述的Fe基合金等轴晶和柱状晶形貌均与同步辐射X射线原位观察和钢坯(锭)的枝晶腐蚀结果一致,同时能够定量地预测二次与三次枝臂间距。(4)采用建立的MCA-FVM模型,以Fe-0.82C合金为研究对象,研究了多枝晶凝固区域内的溶质偏析情况,描述了再辉与CET等更加复杂的枝晶生长现象,并预测了高碳钢连铸方坯的枝晶结构。研究结果表明:多等轴晶凝固过程中,再辉温度区间与其对应的固相率区间均随冷却强度的提高而扩大;随着冷却速率的提高,等轴晶二次枝臂越来越发达,低浓度区域逐渐扩大,但是模型域内溶质偏析愈加严重;在超强冷却条件下,低浓度区域可略微改善溶质偏析;强制对流促进等轴晶的凝固,加重模型域内的溶质偏析。在定向凝固过程,生长方向与热流平行的柱状晶成为最终的凝固组织,同时三次枝臂对一次枝臂间距调整受冷却强度与柱状晶竞争过程的影响。整体上讲,较强的冷却条件更利于三次枝臂发挥调整一次枝臂间距的功能。受柱状晶尖端附近的溶质分布的影响,等轴晶核心可率先形成于柱状晶间,或爆发产生于尖端前沿区域。提高冷却速率和初始碳含量,降低温度梯度与平均形核过冷度均促进CET,且使其从混晶模式转变为爆发等轴晶模式,同时增加等轴晶的数量,减小其平均半径。并行MCA-FVM-II模型预测的柱状晶枝臂间距与垂直高度及CET的位置均与高碳钢连铸方坯的实际情况吻合。