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高锰高铝钢，因其高强度高塑性的性能优势，具有非常广阔的应用前景。该大类钢种除在汽车轻量化和高安全性方面是热门钢铁材料外，在机械、交通运输和建筑行业也倍受青睐。采用“转炉-炉外精炼-连铸”工艺生产高锰高铝钢，可大幅度提高生产效率、降低成本、优化品质，是该类钢种普遍推广应用的技术基石。国内外研究者攻坚克难，已解决了冶炼、精炼中的大量技术难题，特别是在材料成型加工和后续热处理等物理冶金方面理论技术更加成熟。但是，连铸过程中结晶器内钢渣反应及其引起的一系列问题，却成了目前卡住高锰高铝钢连铸顺行的一根鱼刺。保护渣中SiO2等组分被钢水中高含量的[Al]、[Mn]、[Ti]等合金元素还原，保护渣成分变化大、性能恶化严重，容易出现铸坯裂纹和漏钢等质量缺陷和生产事故，连浇炉数很难超过2炉。国内外很多保护渣研究者都在对该问题进行攻关，但效果欠佳。最主要的问题是要在降低或避免钢渣反应基础上协调好保护渣对铸坯的润滑和控制传热两者之间的矛盾，但实际情况却往往顾此失彼。本文是在课题组通过研究获得的低反应及非反应保护渣基础上，进一步研究其润滑和传热特性，推进高锰高铝钢保护渣走向工业化试验和应用。
论文以CaO-SiO2-Al2O3系低反应保护渣为主要研究对象，围绕润滑和控制传热功能开展了研究工作。首先，测试并对比分析了多种保护渣熔渣与不同钢种固态基体的接触角和液渣向固渣转变全温度范围内的流变性质，研究了钢渣反应对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣接触角和流变性质的影响；建立了同时考虑熔点、黏度、转折温度、接触角、流变性质和钢渣反应多重因素的保护渣润滑模型；此外，为实现钢渣反应后润滑和控制传热相协调的目的，研究了典型组分对结晶性能的影响，获得了以低熔点CaF2为主要结晶矿相的保护渣成分范围；除采用CaF2作为主要结晶矿相控制传导传热外，还建立了保护渣辐射传热数学模型，基于该模型和实验研究了非反应性过渡族氧化物对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣控制辐射传热的影响；最后，在实验室模拟了20Mn23AlV钢与CaO-SiO2-Al2O3系保护渣的钢渣反应，评估了反应后保护渣的润滑性能和控制传热性能。论文的主要研究结果如下：
①开展了传统CaO-SiO2系、CaO-SiO2-Al2O3系和CaO-Al2O3系保护渣与固态钢润湿性能的研究，对比了各保护渣接触角θ、临界渣膜厚度Hl和粘附功W的差异，明确了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣在铺展性、均匀性和分离性上的优势。对比研究了传统CaO-SiO2系保护渣和CaO-SiO2-Al2O3系保护渣流变性质的差异，揭示了两种保护渣流变性质产生差异的原因，明确了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣流变性质对润滑坯壳的优势。
②建立了同时考虑熔点、黏度、转折温度、接触角、流变性质和钢渣反应多重因素的保护渣润滑模型，从渣圈形貌、液渣层厚度及纵向分布、保护渣的消耗量三个角度对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣的润滑性能进行了评估。
③研究了典型组分对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣结晶性能的影响，获得了以低熔点CaF2为主要结晶矿相的保护渣成分范围，得到了各组分对CaF2析出行为的影响规律，提出了增加BaO含量、降低Al2O3含量从而抑制外来Al2O3引起高熔点矿相析出的方法。对比了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣与传统CaO-SiO2系包晶钢和高碳钢保护渣结晶性能的差异，钢渣反应后CaO-SiO2-Al2O3系保护渣初始结晶温度Tc低于包晶钢保护渣，但高于高碳钢保护渣。
④建立了保护渣辐射传热数学模型，结合实验用该模型研究发现CaO-SiO2-Al2O3系和CaO-SiO2系保护渣控制辐射传热能力差异不大。但为了避免传统CaO-SiO2系中调节辐射传热的一些组分容易与高锰高铝钢反应而失效，论文在建立的模型基础上进一步研究并提出了添加非反应性过渡族氧化物ZrO2和Y2O3强化CaO-SiO2-Al2O3系保护渣控制辐射传热的方法。
最终，证实了CaO-SiO2-Al2O3系A2保护渣钢渣反应后润滑和控制传热性能合理。η1300℃、Tm和Tbr为0.24Pa·s、1102℃和1145℃，在合理范围内；θ和Hl为35°和0.054mm，液渣膜铺展性和均匀性良好；假塑性流体特征温度区间30℃、弯月面下400mm处液渣膜厚度0.14mm~0.38mm、消耗量0.29Kg/m2，液渣膜厚度合理、消耗量充足。1℃/s~4℃/s冷却速度范围内，Tc为1067℃~1136℃，低于包晶钢保护渣；添加4wt%的ZrO2和Y2O3，还可降低辐射传热20%左右。实验室研究的高锰高铝钢保护渣已具备进行生产试验的性能指标要求。
论文以CaO-SiO2-Al2O3系低反应保护渣为主要研究对象，围绕润滑和控制传热功能开展了研究工作。首先，测试并对比分析了多种保护渣熔渣与不同钢种固态基体的接触角和液渣向固渣转变全温度范围内的流变性质，研究了钢渣反应对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣接触角和流变性质的影响；建立了同时考虑熔点、黏度、转折温度、接触角、流变性质和钢渣反应多重因素的保护渣润滑模型；此外，为实现钢渣反应后润滑和控制传热相协调的目的，研究了典型组分对结晶性能的影响，获得了以低熔点CaF2为主要结晶矿相的保护渣成分范围；除采用CaF2作为主要结晶矿相控制传导传热外，还建立了保护渣辐射传热数学模型，基于该模型和实验研究了非反应性过渡族氧化物对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣控制辐射传热的影响；最后，在实验室模拟了20Mn23AlV钢与CaO-SiO2-Al2O3系保护渣的钢渣反应，评估了反应后保护渣的润滑性能和控制传热性能。论文的主要研究结果如下：
①开展了传统CaO-SiO2系、CaO-SiO2-Al2O3系和CaO-Al2O3系保护渣与固态钢润湿性能的研究，对比了各保护渣接触角θ、临界渣膜厚度Hl和粘附功W的差异，明确了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣在铺展性、均匀性和分离性上的优势。对比研究了传统CaO-SiO2系保护渣和CaO-SiO2-Al2O3系保护渣流变性质的差异，揭示了两种保护渣流变性质产生差异的原因，明确了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣流变性质对润滑坯壳的优势。
②建立了同时考虑熔点、黏度、转折温度、接触角、流变性质和钢渣反应多重因素的保护渣润滑模型，从渣圈形貌、液渣层厚度及纵向分布、保护渣的消耗量三个角度对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣的润滑性能进行了评估。
③研究了典型组分对CaO-SiO2-Al2O3系保护渣结晶性能的影响，获得了以低熔点CaF2为主要结晶矿相的保护渣成分范围，得到了各组分对CaF2析出行为的影响规律，提出了增加BaO含量、降低Al2O3含量从而抑制外来Al2O3引起高熔点矿相析出的方法。对比了CaO-SiO2-Al2O3系保护渣与传统CaO-SiO2系包晶钢和高碳钢保护渣结晶性能的差异，钢渣反应后CaO-SiO2-Al2O3系保护渣初始结晶温度Tc低于包晶钢保护渣，但高于高碳钢保护渣。
④建立了保护渣辐射传热数学模型，结合实验用该模型研究发现CaO-SiO2-Al2O3系和CaO-SiO2系保护渣控制辐射传热能力差异不大。但为了避免传统CaO-SiO2系中调节辐射传热的一些组分容易与高锰高铝钢反应而失效，论文在建立的模型基础上进一步研究并提出了添加非反应性过渡族氧化物ZrO2和Y2O3强化CaO-SiO2-Al2O3系保护渣控制辐射传热的方法。
最终，证实了CaO-SiO2-Al2O3系A2保护渣钢渣反应后润滑和控制传热性能合理。η1300℃、Tm和Tbr为0.24Pa·s、1102℃和1145℃，在合理范围内；θ和Hl为35°和0.054mm，液渣膜铺展性和均匀性良好；假塑性流体特征温度区间30℃、弯月面下400mm处液渣膜厚度0.14mm~0.38mm、消耗量0.29Kg/m2，液渣膜厚度合理、消耗量充足。1℃/s~4℃/s冷却速度范围内，Tc为1067℃~1136℃，低于包晶钢保护渣；添加4wt%的ZrO2和Y2O3，还可降低辐射传热20%左右。实验室研究的高锰高铝钢保护渣已具备进行生产试验的性能指标要求。