结晶器内钢凝固过程溶质晶界偏析和初凝坯壳的热／力学状态直接影响连铸坯表面及皮下质量,揭示结晶器冷却条件下钢凝固两相区内溶质微观偏析规律及其影响和坯壳结晶器内凝固过程热／力学行为变化规律及结晶器工艺条件对其变化的影响规律,对制定合理的连铸工艺参数和提高铸坯质量,实现高效连铸具有十分重要的意义。为此,本文以连铸结晶器内坯壳凝固冶金行为作为研究对象,采用数值模拟方法建立了伴随δ/γ相变的钢凝固两相区溶质微观偏析模型和板坯连铸结晶器内坯壳生长的热／力耦合有限元模型,研究分析了结晶器内C, Si, Mn, P和S溶质元素两相区内微观偏析特点及其对凝固前沿裂纹敏感性的影响和铸坯凝固过程坯壳-结晶器界面内气隙、保护渣、界面热流、坯壳温度场和应力场等动态分布规律,以丰富连铸结晶器的冶金理论,为实际生产提供理论依据和指导。本文主要研究内容和获得的结果如下：1.基于Ueshima的正六边形横断面枝晶模型,采用有限容积法建立了结晶器冷却条件下伴随δ/γ相变的钢凝固过程两相区溶质微观偏析模型。结果表明：(1)C元素在钢凝固过程晶界不会发生强烈偏析,钢液初始C含量变化对结晶器内钢的凝固方式影响显著,引发两相区内溶质元素偏析行为产生较大差异；P,S为极易偏析元素,增加钢液初始P,S含量,也会引起钢凝固方式发生改变,5-Fe中的C溶解度和包晶点C含量减小；S凝固末期的晶界绝对偏析量与钢液初始S含量呈较好的线性关系,P元素仅当钢液初始P含量低于0.030%时凝固末期的晶界绝对偏析量与钢液初始含量有较好的线性关系,当初始P含量高于该值时绝对偏析量的增长速度减缓。(2)钢凝固前沿的临界断裂应变εc随钢液初始C含量增加呈总体下降趋势,并在包晶钢C含量范围内出现突降；当钢液初始C含量低于0.30%时,εc随钢液初始P,S含量增加而显著减小,当钢液初始C含量高于0.30%时P,S偏析对εc的影响减弱；钢凝固前沿临界断裂应力随钢液初始C含量增加而增大；增加钢液初始P,S含量,小幅提高钢在固相分率fs=1.0处的临界断裂应力,但引起两相区内钢的固相分率及相组成出现显著变化,相同温度下钢凝固前沿的抗拉强度减小,不利于连铸生产。2.结合某钢厂包晶钢生产实际,以微观偏析模型为基础建立了耦合保护渣和气隙动态分布的板坯连铸结晶器内凝固坯壳热/力耦合有限元模型。结果表明：(1)主流工艺条件下,结晶器内气隙初始出现于钢液面下160mm的坯壳角部,且集中产生于距坯壳角部0～20mm区域内,坯壳宽面角部气隙厚度随坯壳下行逐渐增加,并在结晶器出口上方280mm处出现“突增”现象,窄面角部气隙集中产生于钢液面下160～450nm高度范围；结晶器渣道内的保护渣填充形式以固渣为主,沿坯壳宽/窄面中心方向均呈先增大后减小趋势分布,宽面保护渣厚度整体小于窄面,并在结晶器出口上方200mm处的偏离角区域出现峰值。(2)结晶器内初凝坯壳宽/窄面偏离角区域是其沿周向产生“热点”的集中区,主流连铸工艺条件下,结晶器出口处该二区域的表面温度比对应中心升高120℃和61℃、坯壳厚度减小1.5mm和0.9mmm,成为坯壳在结晶器内产生表面和皮下缺陷的薄弱环节；坯壳表层应力为拉应力,凝固前沿为压应力,二者随坯壳下行均逐步增大,并沿周向发生较显著变化。(3)其它工艺条件不变,提高拉速,坯壳角部气隙厚度整体减小,结晶器中下部宽面角部气隙“突变”区域上移、保护渣增厚,窄面保护渣与之呈相反趋势分布,结晶器出口处偏离角区域坯壳表面温度回升幅度减小；增加结晶器窄面锥度小幅减小坯壳窄面角部附近区域的气隙与保护渣的厚度分布,加剧了坯壳宽面角部气隙的生长,引起结晶器出口处坯壳宽面偏离角区域的表面温度变化显著；增加结晶器冷却强度,坯壳角部气隙厚度整体小幅增加,坯壳表面温度整体小幅下降；提高钢水过热度将加剧坯壳角部气隙生长,界面保护渣厚度与气隙呈相反趋势分布,钢水过热度每提升10℃,坯壳表面温度随之整体提升8～12℃,结晶器出口处坯壳偏离角区域的表面温度趋于均匀；提高保护渣凝固温度引发界面内保护渣完全凝固位置上移、厚度减小,坯壳角部气隙厚度整体增加,保护渣凝固温度越低,结晶器出口处的坯壳表面温度沿周向分布越均匀,对包晶钢板坯连铸越有利。3.基于包晶钢结晶器内的凝固特性,从结晶器内传热均匀性角度出发,引入并研究了3种不同锥度结构铜板组合下包晶钢板坯连铸结晶器内的传热行为。结果表明：使用“结晶器宽面角部楔形状锥度与窄面角部楔形状曲面理想型锥度结构组合”铜板连铸包晶钢,基本消除结晶器窄面界面内保护渣和气隙的不均匀分布,并有效压缩坯壳宽面角部气隙和不均匀分布保护渣沿宽面中心方向的分布范围,坯壳宽／窄面界面热流和温度分布均匀,有利于包晶钢连铸。