溶质偏析是钢铁连铸生产过程中常见的质量问题;严重的铸坯溶质偏析一般伴随着疏松、缩孔及夹杂物聚集等缺陷,并对铸坯质量及性能产生负面影响。研究钢液多元体系凝固各溶质组元的偏析特性,探索影响凝固前沿溶质再分配及偏析的因素,将有助于从本质上揭示溶质偏析的形成机理,这对钢铁生产中溶质偏析的控制及铸坯质量的提升具有重要意义。基于此,本论文建立了考虑凝固相变及多组元间相互作用的钢液凝固溶质分配系数计算模型,深入研究了涉及溶质偏析的重要物性参数—溶质分配系数（ki）。为此,论文以高硫钢为研究对象,探讨了凝固温度及相组成对ki的影响规律,揭示了夹杂物析出对ki的影响机理,分析了钢液凝固相变路径及组元成分对ki的定量影响,并据此提出了一种计算钢种成分波动的多元熔体凝固溶质分配系数的方法。在此基础上,修正并完善了钢液凝固溶质偏析模型,即采用根据具体钢液成分计算所得的随凝固温度及相组成变化的ki,建立了考虑夹杂物析出的微观偏析耦合模型,深入研究了高硫钢凝固溶质微观偏析的变化规律;针对板坯连铸过程,建立了基于夹杂物析出的钢液凝固溶质宏观偏析三维数学模型,以此研究了高硫钢连铸凝固两相区中MnS夹杂的析出规律及其对溶质宏观偏析的定量影响。此外,基于分子动力学模拟方法,探讨了fcc Fe-C合金凝固界面处溶质C原子的偏析行为及其对界面迁移的拖拽效应。论文的主要成果概括如下:（1）Fe基多元合金体系（钢）的ki数据比较缺乏;论文研究获得了不同钢种成分凝固时的ki,分析了钢液凝固相变路径对ki的定量影响。根据钢中C含量不同（凝固相变不同）,研究认为钢液凝固相变路径有四种,据此分析了不同凝固相变路径下两相区中δ及γ相占比的定量变化规律;探讨了凝固相组成及温度对各ki的影响规律,即:钢中常见溶质元素中,kC、kP及kS主要受凝固相组成的影响,kSi主要受温度的影响,而凝固相组成及温度则均可影响kMn。钢中C含量通过影响体系凝固相变路径（即凝固温度区间及相组成）,从而影响各ki。当钢中[C]≤0.07 wt%和[C]≥0.48 wt%时,凝固相分别只存在δ和γ相,kCave、kPave及kSave受钢中C含量的影响较小(kiave为钢液整个凝固阶段ki的平均值),其值分别约为0.150、0.328及0.036和0.325、0.167及0.018;而当钢中[C]=0.07～0.48 wt%时,钢液凝固会先后生成δ和γ相,且随着钢中C含量的增大（或凝固期间γ相总占比的增大）,kCave线性增大,kPave及kSave则线性减小。（2）钢液凝固时,ki受组元成分的影响,夹杂物的析出会影响体系组元浓度,从而将影响ki;论文研究揭示了高硫钢凝固过程中MnS夹杂析出对ki的影响机理,探讨了Mn、S含量变化对各ki的影响规律。随着钢中Mn含量的增加,kMnave及kSave增大,kCave、kSiave及kPave则减小,S含量对各kiave的影响规律则正好相反;其中,高S含量下（[S]≥0.05 wt%,[Mn]=1.30 wt%,凝固过程中存在MnS夹杂析出）,随着凝固温度的降低,kC及kS均先减后增,即存在明显的转折点,且各ki的变化率均会在某一凝固时刻出现突增或突减现象,这是由MnS夹杂析出导致的。（3）研究了钢种组元成分波动对ki的定量影响规律,提出了一种计算钢种成分波动的多元熔体凝固溶质分配系数的方法,且以1215高硫钢为例,计算得到了其凝固各ki与温度及组元含量间的定量变化关系。1215钢种组元成分波动对kC、kP及kS的影响很小,对kMn及kSi的影响则相对较大,kC、kSi、kMn、kP及kS的变化范围分别为0.147～0.153、0.58～0.76、0.73～0.65、0.32～0.34及0.038～0.035;其中,溶质Mn、S含量波动对各ki的影响均最为明显,溶质C含量波动次之,溶质Si、P含量波动的影响则相对最小。（4）系统探讨了溶质分配系数、夹杂物析出及凝固相变等因素对高硫钢凝固溶质微观偏析的影响规律,重点分析了包晶反应对微观偏析的影响机制。高硫钢凝固时,不同凝固阶段下,因相组成及温度变化所引起的ki差异对溶质偏析浓度的变化趋势具有重要影响,尤其是在凝固末期。对于溶质Si、P、C、Mn及S,采用变化的ki与定值ki计算所得的溶质偏析浓度的差异百分比分别约为-35.5%、-25.0%、14.0%、14.8%及43.0%。凝固过程中,在溶质偏析与MnS夹杂析出的共同影响下,溶质Mn偏析浓度先增后减,溶质S偏析浓度则单调增大;相较于不考虑MnS夹杂析出,考虑MnS夹杂析出时的溶质Mn、S偏析浓度可分别降低88.3%、74.9%。当钢中[C]=0.07～0.16 wt%时,体系凝固末期会发生包晶反应,这导致不同C含量下,δ（及γ）相分数的变化趋势差异较大,从而影响ki变化规律,由此最终导致随着钢中C含量的增大,SRC及SRMn快速降低,SRP快速增大,SRS则先减后增（SRi为溶质i的偏析度）。凝固中前期发生的包晶反应对溶质偏析的影响则相对较小。（5）研究揭示了高硫钢板坯（1530 mm×190 mm）连铸凝固两相区中溶质偏析与夹杂物析出的相互影响作用,模拟获取了铸坯中MnS夹杂的析出规律及其对溶质宏观偏析的改善效果。连铸过程中,当拉坯距离为17～19 m时,MnS夹杂会在铸坯芯部大量析出,且MnS夹杂析出量最大的位置处在偏离铸坯中心线（宽度方向）约15 mm的区域。与不考虑MnS夹杂析出相比,考虑MnS夹杂析出后,铸坯中心线上的溶质Mn和S偏析度分别由1.00～1.02和1.03～1.05降至0.97～1.01和0.93～1.04;其中,当钢中[S]=0.35 wt%时,溶质Mn和S偏析度的降低百分比分别为2～4%和5～10%。钢中初始S含量越大,MnS夹杂的析出量越大,其在铸坯中析出的区域范围也越大,且其对溶质Mn及S偏析度的影响作用越明显。（6）采用分子动力学模拟,研究得到了fcc Fe-（0～0.5wt%）C合金凝固和熔化时的界面动力学系数（μ）,并基于德拜-沃勒因子计算了凝固界面区域溶质C原子的扩散激活能（QC）,分析了界面迁移、C原子偏析及界面形貌三者之间的内在联系。熔化时,C含量对μ的影响较小,μ=18.1～19.1 cm/s·K;而凝固时,由于界面处C原子的偏析拖拽效应,μ随C含量的增大而单调减小,μ=9.6～17.9 cm/s·K。凝固界面的迁移存在临界过冷度（ΔTP）,且ΔTP随C含量的增大而线性增大。QC随C含量的增大而单调增大,即C含量越高,凝固界面处溶质C原子的扩散运动能力越低,其偏析趋势越强,致使其对界面迁移的拖拽效应越大,μ则越低。此外,平滑的凝固界面不利于界面的迁移运动,且平滑的界面常伴随着严重的C原子非均匀分布。