随着经济发展和社会进步,市场对钢种需求呈多样化趋势。不同钢种连铸过程对保护渣性能要求不同。在保护渣众多性能中,结晶和传热性能最为关键。因此,采用先进的可视化技术,开展保护渣结晶性能和传热性能研究,考察保护渣主要构成组分对结晶和传热的影响,以及结晶器壁与凝固坯壳之间保护渣的三层(液态层、结晶层、玻璃层)分布规律,在此基础上探讨和总结保护渣结晶和传热机理,对设计、开发高性能保护渣,解决连铸过程存在的问题,保证连铸过程顺利进行来说意义重大。本文首先采用单丝热电偶技术(SHTT)和红外发射技术(IET),研究碱度(R)对保护渣等温结晶、连续冷却结晶和传热性能的影响规律,并分析了保护渣等温结晶机理。结果显示：1)IP0.8保护渣TTT(Temperature-Time-Transformation)曲线为单“C”形,结晶相为Ca4Si2O7F2;R=1.0、1.1和1.2的保护渣TTT曲线均呈双“C”形,低、高温析出相分别为Ca4Si2O7F2和CaOSiO2;而且碱度升高,等温结晶孕育时间减少。2) CCT (Continuous-Cooling-Transformation)图显示,保护渣临界冷却速率随碱度的增加而增大。3)动力学研究表明,增加碱度,保护渣的结晶机理由R=0.8时的常数形核、一维长大,转变成R=1.2时的常数形核、三维长大,并且结晶活化能减少,表明碱度增加将显著地促进保护渣结晶。4)传热实验显示：碱度增加,稳定段热流密度降低,界面热阻增加；传热实验后的渣片结晶层厚度和结晶分数也随碱度增加而增加。其次,同样采用SHTT和IET技术,研究A1203含量对高铝钢保护渣结晶和传热性能的影响。结果显示：1)除A1203含量7%的保护渣外,其它三种保护渣TTT图均为双“C”形；其中A1203为20%和30%时,低温相为枪晶石和霞石(NaAlSiO4),高温相则为NaAlSiO4和CaF2；当A1203为40%时,高温相出现了钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)。2)从CCT图可以看出,随着A1203增加,保护渣连续冷却结晶的临界冷却速率先增大后减小。3)结晶动力学分析表明,A1203含量为7%和20%时,等温结晶过程主要为常数形核、一维生长；而A1203含量30%和40%时,则分别采取常数形核、介于二维和三维,以及介于一维和二维的方式生长；并且氧化铝含量增加,结晶活化能先减少后增加,因此氧化铝对保护渣结晶影响显两性。4)传热实验方面,氧化铝含量增加,稳定段热流密度先减少后增加,界面热阻先增大后减小；传热实验后的保护渣结晶层厚度和结晶分数随A1203含量增加呈先增大后减小的趋势。接着,采用双丝热电偶技术(DHTT)模拟结晶器壁和凝固坯壳问温场分布,直接观察研究低、中碳钢保护渣的三层变化规律。同时采用扫描电镜(SEM)和EDS,对不同温度、不同母相中析出的晶体形貌和物相进行分析,获得其析晶规律。结果显示：1)当低温端快速降温时,低碳钢保护渣中首先形成玻璃层,然后晶体分别从玻璃相和液相中析出；而中碳钢保护渣中晶体则直接从液相中析出。当达到稳态时,低、中碳钢保护渣高温端都保留约0.2mm的液态层,中间绝大部分为结晶层,不同的是低温端低碳钢保护渣有少量的玻璃层而中碳钢保护渣则没有。2)SEM和EDS分析发现,整个低碳钢保护渣由两个玻璃相区和两个结晶相区组成,其中从玻璃相和液相中析出的晶体都为树枝状Ca4Si2O7F2,但是后者比前者粗大；而中碳钢保护渣低温析出相为粗大树枝形的Ca4Si2O7F2,高温相则为等轴晶的Ca2Al2SiO7。3)30℃/s的冷却曲线与低碳钢保护渣TTT开始析晶曲线有交点,而与中碳钢保护渣的没有,这解释了DHTT实验中,低温端低碳钢保护渣形成玻璃层,而中碳钢保护渣形成晶体层的原因。最后,采用流体动力学计算(CFD)软件Fluent,以低碳钢保护渣DHTT实验为对象,建立起了基于有限体积元法的保护渣传热、流体流动和结晶的数值模型,模型结果与DHTT实验观察很好地相互印证,表明了数值模型的正确性。同时研究发现,1)温场在影响保护渣结晶的同时,结晶层的出现也对温场产生影响。2)尽管保持两根热电偶温度恒定,但数值模拟结果显示保护渣中间温度低于两边的温度,这一点值得研究者注意,其可能导致SHTT或DHTT实验产生较大误差。3)在Marangoni效应和自然对流作用下,液态渣由表面从高温区流向低温区；而在保护渣内部,液态渣则从低温区回流至高温区。4)Marangoni效应是导致保护渣中的晶体出现撕裂、迁移现象的主要原因,而且大多数实验过程中观察到的晶体移动发生在保护渣内部。5)保护渣中晶体层首先从中间析出,然后向两边的高温和低温区生长,这一演变规律与实验观察结果基本一致。