含Nb钢连铸过程极易产生铸坯角部横裂纹。对连铸坯角部实施γ→α→γ双相变控冷工艺，可提高其组织的高温热塑性而降低裂纹产生。其中，α→γ相变阶段的回温温度是影响双相变控冷工艺实施效果的重要参数。通过Gleeble热模拟与金相观察、析出物透射以及断口扫描相结合的检测手段，研究分析了双相变过程回温温度对Q345D-Nb钢组织演变及其热塑性的影响规律。结果表明，回温温度为850 ℃时的奥氏体晶粒相比传统冷却工艺下的晶粒尺寸未产生细化，平均晶粒尺寸为502.2 μm；回温温度升至900 ℃时，回温奥氏体出现了明显的混晶现象；当回温温度达950 ℃时，晶粒细化至61.2 μm；当回温温度达1 000 ℃时，回温奥氏体晶粒出现了一定程度粗化，相比950 ℃回温温度下的奥氏体平均晶粒尺寸增加了38.07%。传统冷却工艺和不同回温温度的双相变控冷工艺（回温温度为850、900、950、1000 ℃），钢组织在700～900 ℃温度区内的断面收缩率最低值分别为29.6%、45.0%、56.3%、68.2%、63.2%。在传统冷却工艺下，钢组织在750 ℃晶界铁素体膜的厚度为20～25 μm，且碳氮化物呈大尺寸链状分布，其断裂形式为沿晶脆性断裂。而相同拉断温度下，双相变控冷工艺的钢组织奥氏体晶界的铁素体膜厚度减小至5～10 μm，碳氮化物呈弥散细小析出，断裂形式逐渐转为塑性断裂，塑性显著提高。采用双相变控冷工艺生产Q345D-Nb钢，铸坯角部皮下5 mm与10 mm深处的奥氏体平均晶粒尺寸细化至186 μm与362 μm，增大铸坯抵抗裂纹的能力。