钢厂实际生产的高碳钢连铸坯由于碳等元素的偏析尺度较大,难以在后续的热处理工艺中消除,将遗传至轧材并引起裂纹等质量缺陷,其一直是高品质钢铸坯质量稳定提升的一个关键方面。针对此问题,现有研究多是通过调整过热度、冷却水量等参数与使用电磁搅拌、轻压下等技术改善铸坯的宏观/半宏观偏析,但对凝固组织与偏析形貌特征及其二者相互关系的定量描述不足,而凝固形貌又是影响铸坯偏析程度的关键因素之一。由此,论文主要以82B帘线钢、70钢及GCr15轴承钢三类典型高碳钢连铸方坯为例并结合相场模拟及热态模拟,重点针对凝固组织形貌的多维多尺度特征及其与偏析相互关系问题展开研究,从而为高品质钢连铸坯质量的精细化控制提供理论和技术指导。论文首先从连铸坯凝固组织与偏析形貌的定量表征方法入手,创新性的引入分形维数并结合传统欧氏几何方法对凝固组织与偏析形貌进行多尺度表征。同时,针对不同凝固参数和工艺下组织的对比,从形貌角度探讨了凝固参数和液相流动对铸坯凝固组织及偏析的影响机理。然后,弥补传统二维组织分析的局限,对实际铸坯相邻三个截面凝固组织及基于连续切片法重构的真实三维凝固组织进行研究,并从渗透率角度探讨钢液在三维组织中的流动行为及其对偏析形成的影响。最后,综合上述研究结果并结合凝固组织与偏析形貌特征参数间的关系,构建铸坯凝固组织与偏析相互关系的定量方程。研究结果概括如下:（1）分形维数可从微米到毫米尺度范围内有效定量表征凝固组织与偏析形貌的多尺度特征,并能同时描述某一区域内单向、等轴等不同生长类型组织的形貌。研究发现,枝晶生长过程存在主体形貌复杂化现象,其主要由固-液界面前沿的成分过冷驱动;周长-面积法计算的偏析分形维数(DPA)与局部凝固时间（θf）的立方根呈负相关关系,当二次枝晶间距测量困难时,可尝试通过DPA评估铸坯的局部凝固时间。此外,分形维数不仅是描述铸坯低倍组织形貌特征的几何参量,也反映了凝固系统熵值的变化。（2）过热度消除阶段和液-固相线阶段的冷却速率（R）均对凝固组织形貌有重要影响。过热度消除阶段的R增大时,二次枝晶臂间距（SDAS）线性减小,数盒子法分形维数(DBox)先增加后基本不变。液-固相线阶段的R增大时,SDAS以幂函数形式减小,DBox先增加后减小。此外,从形貌角度而言,过热度和冷却速率通过同时影响凝固组织分形维数和枝晶臂间距造成富集溶质液相在枝晶间流动阻力的变化,从而影响铸坯宏观/半宏观偏析缺陷的形成。低过热度下凝固组织渗透率小,液相在其中的流动阻力大。较大冷速下,二次枝晶臂间距小且凝固组织主体形貌更复杂,液相在其中的流动阻力大。（3）通过高温共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）热态模拟组织和实际连铸坯凝固组织形貌的综合对比,发现液相流动使二次枝晶臂间距增加,同时也会导致凝固界面前沿溶质浓度梯度增大,成分过冷增加,从而使枝晶形貌更复杂。此外,与CLSM相比,连铸工艺下凝固组织的渗透率更大,液相在枝晶间的流动阻力小,更容易产生宏观/半宏观偏析。（4）基于枝晶臂间距、分形维数及偏析面积率计算实际金属二维凝固组织渗透率的方法具有有效性;对比铸坯不同位置及截面渗透率值,发现压力差相同时,柱状晶区液相沿拉坯方向的流动更强,CET区域液相向铸坯中心方向的流动更强,而等轴晶区液相沿内外弧方向的流动更强。同时,结合钢液在三维重构组织中的模拟结果,发现液相在等轴晶区的流动阻力小于柱状晶区。这一结果表明通过增加等轴晶比例的方式控制铸坯宏观偏析时,应同时考虑等轴晶区凝固组织的三维形貌特征及液相流动行为。（5）通过偏析面积率、凝固组织分形维数及二次枝晶臂间距的相互关系,构建了凝固组织形貌特征参数（分形维数和二次枝晶臂间距）与铸坯宏观/半宏观偏析的定量表达式(Rseg=a-b·DBox+c·λ2),弥补了传统方法（仅通过二次枝晶臂间距或等轴晶比例反映铸坯偏析程度）的不足。通过此定量方程并结合连铸工艺参数对凝固形貌特征的影响规律,可实现连铸工艺参数对铸坯宏观/半宏观偏析缺陷发生程度更为准确的定量化预测。