高碳钢连铸方坯是制造高端棒线类钢铁产品的主要母材,其内部碳元素沿拉坯方向分布的不均匀性严重制约了其产品质量稳定性。本研究以82B帘线钢连铸方坯为例,采用灰度分析为主(即利用铸坯低倍组织图像的灰度值,简称灰度分析)与化学分析为辅的方法来提取铸坯内部不同尺度的碳含量分布数据,通过运用ARMA模型法与统计极值法,对连铸方坯内部不同区域(尤其是碳偏析严重的中心等轴晶区)的碳元素沿拉坯方向分布特征进行定量描述,分析了过热度、拉速对碳元素序列分布特征的影响,最后基于连铸方坯内部凝固特点,总结出碳元素沿拉坯方向分布特征的变化机理。碳元素沿拉坯方向分布特征的定量描述体系包括碳元素时间序列的波动特征与碳元素统计最大值两方面。其中,碳元素时间序列的波动特征由固有周期、阻尼率反映,固有周期和阻尼率变大,会使碳元素时间序列波动程度降低。碳元素统计最大值为碳元素原始数据运用统计极值法求得的(某一概率下)碳含量最大值统计结果,碳元素统计最大值越小,表明碳元素原始数据的极大值的越小。在灰度分析尺度下,连铸方坯中心等轴晶区碳元素沿拉坯方向的分布特征如下:对于等轴晶区代表位置1(距离铸坯边界55mm),其碳元素时间序列的固有周期随过热度的增大而增大,随拉速的增大而减小;阻尼率随过热度(或拉速)的增大而降低;碳元素统计最大值随过热度的增大而降低,随着拉速的增大而增大。而对于等轴晶区代表位置2(距离铸坯边界65mm),其碳元素时间序列的固有周期随过热度(或拉速)的增大而增大,阻尼率与碳元素统计最大值随过热度的增大而增大,随拉速的增大而减小。等轴晶区两个代表位置的碳元素分布特征存在差异,这与其所在位置的凝固特性(二次枝晶间距等)有关。对于中心线位置,其碳元素时间序列的固有周期随过热度的增大而增大,随拉速的增大而减小;阻尼率随过热度的增大而减小,随拉速的增大而增大。碳元素统计最大值随过热度(或拉速)的增大而增大。在化学分析尺度下,连铸方坯中心等轴晶区碳元素沿拉坯方向的分布特征如下:对于等轴晶区代表位置1(距离铸坯边界55mm),其碳元素时间序列的固有周期随过热度的增大而增大,阻尼率随过热度的增大而减小;碳元素统计最大值随过热度的增大而增大;对于中心线位置,其碳元素统计最大值随过热度(或拉速)的增大而减小。两种分析尺度下碳元素沿拉坯方向分布特征均具有有效性,其中,碳元素时间序列的固有周期与阻尼率更能反映碳元素序列的本质特征;分析尺度对碳元素统计最大值的影响更为明显。然后,本研究结合铸坯凝固特点对碳元素沿拉坯方向的分布特征变化机理进行了解释。凝固组织二次枝晶间距与碳元素时间序列的固有周期存在一致性变化关系,即前者越大,后者越小。中心等轴晶区(包括等轴晶区代表位置1、2与中心线位置)的V形偏析带的间隔越小,则碳元素时间序列的平均固有周期也越小。此外,混晶区还受等轴晶区的凝固抽吸作用,这对碳元素序列的固有周期有较大影响。碳元素序列平均阻尼率则与晶间的碳偏析区面积及不同晶区的晶粒生长特点有关。对于等轴晶区,晶间碳偏析区的面积越大,阻尼率越小,中心线位置的偏析带数目越多,阻尼率越大;等轴晶的生长具有各向异性,柱状晶的长大方向是单向的,二者生长方式均对阻尼率有一定影响。碳元素统计最大值与连铸坯凝固组织的均匀性有关。中心等轴晶区凝固受抽吸作用占主导,抽吸越小,液相流动阻力降低,但发现液相流动阻力降低对中心等轴晶区凝固过程与碳元素序列最大值的影响并不相同。柱状晶区、混晶区二次枝晶间距减小,则提高了凝固组织的均匀性,碳元素统计最大值也越小。最后,由于该钢种碳元素分配系数较低,中心碳偏析严重,综合考虑中心线位置在灰度分析尺度下碳元素固有周期与阻尼率较大、统计最大值较小的工艺为较优工艺(从分析尺度较小的灰度分析角度更有利于实现对铸坯质量的精细化控制),即对于碳元素序列的平均固有周期,过热度增大(34℃)、拉速降低(1.9m/min)为较优工艺;对于碳元素阻尼率与碳元素统计最大值,过热度较低(29℃)、拉速较高(2.1m/min)为较优工艺。