重轨钢是铁路运输的重要材料,是轨道运输的基础,高速铁路的快速发展要求重轨钢连铸坯应具有良好的表面和内部质量。依据某钢厂生产的U71Mn重轨钢大方坯连铸生产实际,本文以有限元仿真软件ProCAST为主要工具,使用数值模拟技术对重轨钢的凝固传热、凝固过程微观组织以及连铸二冷工艺优化等方面进行了系统的研究,提出了合理的工艺方案,从而增加了铸坯等轴晶率,有利于提高产品质量。本研究使用有限元方法建立了大方坯连铸凝固传热模型和基于元胞自动机-有限元法（CAFE）的凝固组织耦合模型对铸坯的凝固过程进行模拟,通过模拟结果与实际数据进行比较,模拟温度与实际温度的相对误差在1.5%以内,且凝固组织模拟结果与实际低倍组织吻合度较好,验证了数学模型的准确性。基于温度场模拟结果对重轨钢连铸大方坯凝固规律进行模拟研究,发现在现有的工艺下二冷一段铸坯的表面温度回温速率过高,需要对其冷却过程进行优化处理。因此研究分析了拉速、过热度以及二冷比水量对大方坯凝固传热的影响规律,结果表明:拉速比对铸坯凝固过程产生的影响最大。采用CAFE模型分析研究了连铸工艺参数对铸坯凝固组织的影响变化规律,结果表明过热度的影响比较大,随着过热度的降低,晶粒数量不断增加,中心等轴晶率显著增大;随着拉速的增大或者二冷强度的适当降低中心等轴晶率有所增加,与拉速和二冷比水量相比较而言,过热度的影响更大。针对U71Mn钢大方坯连铸二冷工艺存在的问题对现有工艺进行了优化,经过优化后铸坯表面温度变得更加合理,有效地改善了铸坯的冷却过程,并节约了铸坯的冷却水量。当拉速分别选择为0.70m/min和0.75m/min的工艺条件下,优化前等轴晶率分别为33.5%和37.2%,经过优化后中心等轴晶率分别达到了 38.2%和41.5%,经过优化后等轴晶率明显提高,取得了显著的效果。