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保护渣对连铸稳定性和铸坯质量具有重要影响。过去采用模铸生产的特殊高合金钢高铝无磁钢20Mn23AlV、低膨胀合金Fe-36Ni和耐热合金Incoloy800,采用立式连铸试生产以来,出现诸多与保护渣相关的铸坯质量问题,但基于这些问题的保护渣研究还鲜见报道。基于此,本论文从实验室基础研究和工业应用的角度对高铝无磁钢20Mn23AlV、低膨胀合金Fe-36Ni和耐热钢Incoloy800保护渣进行了系统研究,同时对报道较少的连铸过程中不锈钢方坯保护渣液渣和渣膜性能变化规律做出了研究。(I)高铝无磁钢保护渣研究表明：(1)连铸现场取样研究发现,20Mn23AlV立式连铸过程中产生大量渣圈,连铸开浇15min内液渣及渣圈的化学成分和性能变化较大,其后,各组分含量及性能变化趋于稳定；成分稳定后液渣与渣圈的结晶矿相以高熔点钙铝黄长石为主；高熔点相钙铝黄长石的大量析出及液渣粘度的显著增加促使了渣圈的形成及长大。(2)应用共存理论研究了渣钢反应热力学,及Al2O3/SiO、CaO/Al2O3、 B2O3等基本组元变化对渣中结构组元作用浓度的影响,由此可以对低Si02含量的CaO-Al2O3基保护渣的设计和不同因素对熔化性能、粘性特征的影响做出合理指导和解释。(3)为改善传统CaO-SiO2基高铝钢保护渣,提出以BaO代CaO的措施,并采用热态显微镜、二次微分法、旋转粘度仪、传热模拟仪、单丝技术和XRD等方法系统对比研究了Al2O3/SiO2和BaO/CaO对保护渣熔化温度、液相线温度、粘度、粘流活化能、传热性能、结晶特征及结晶相组成等基本性能的影响,结果表明BaO/CaO的提高不同程度地抵消了由高Al2O3/SiO2引起的上述综合性能的恶化。(4)为开发CaO-Al2O3基高铝无磁钢20Mn23AlV保护渣,系统研究了关键组分CaO/Al2O3对保护渣熔化温度、液相线温度、粘度、粘流活化能、传热性能、结晶特征及结晶相组成等基本性能的影响,研究表明具有中间CaO/Al2O3范围1.1～1.6的CaO-Al2O3基保护渣具有与高铝无磁钢对保护渣要求一致的综合性能。(5)无氟CaO-Al2O3基高铝钢保护渣还鲜见报道。本文对无氟或低氟CaO-Al2O3基高铝无磁钢保护渣研究发现,CaO-Al2O3基保护渣中CaF2与B2O3对熔化温度、粘度、粘流活化能、传热和结晶特征的影响相似,但不同于CaF2对CaO-SiO2基保护渣传热和结晶性能的影响。从上述性能角度证明了B2O3可用来替代CaF2以开发低氟和或无氟CaO-Al2O3基保护渣。(6)基于Weymann-Frenkel方程和炉渣光学碱度建立了具有较高精度的高Al2O3含量的保护渣粘度预报模型。(Ⅱ)低膨胀合金Fe-36Ni保护渣研究表明：低膨胀合金的裂纹与保护渣传热有关。通过研究基本组分变化对保护渣传热和结晶性能的影响,确定了改进的低膨胀合金保护渣的组分。现场应用评估表明改进后的保护渣结晶能力大幅降低,渣膜结晶率仅为21.4%,传热能力大幅提高。现场采用改进的保护渣后,连铸过程中液渣成分性能稳定,粗大的铸坯组织转变为网篮组织,组织得以细化,裂纹得以改善。(Ⅲ)耐热钢Incoloy 800保护渣研究表明：耐热钢Incoloy800的表面裂纹与其凝固特征和保护渣传热不符有关。通过研究组分对保护渣基本粘度、传热性能的影响,确定了具有较低熔化温度、合理ηVc和增强的传热能力的改进保护渣。工业试用表明Incoloy 800保护渣连铸过程中成分及性能均小幅合理波动,结晶率较低为30%。枪晶石为渣膜主要结晶矿相,没有高熔点相钙铝黄长石和钙钛矿发现。具有低特征熔化温度、优良的润滑和低结晶率渣膜的的新渣促进了传热,进而提高且增强了初始凝固坯壳强度,最终改善了铸坯质量。(Ⅳ)不锈钢304、3Cr13和42Cr9Si2方坯保护渣研究表明：(1)304、3Cr13和42Cr9Si2不锈钢方坯保护渣连铸过程中化学成分变化幅度均在1%以内；碱度变化幅度在0.05以内；转折温度变化幅度均在25℃范围内；粘度变化幅度均在0.2P范围内；其保护渣成分和性能连铸5～10min后均趋于稳定；马氏体不锈钢3Crl 3和42Cr9Si2初渣熔化温度较高,变化幅度较大,这可能导致渣圈的形成。(2)304渣膜表面较3Crl3渣膜粗糙,304渣膜厚度1.6mm,3Crl3渣膜厚度0.74mmm,两个钢种渣膜具有相似的结构；304渣膜结晶率达80%,3Crl3渣膜结晶率为50%；两个钢种渣膜均具有枪晶石和霞石相；304渣膜控制传热的能力高于3Cr13渣膜；两个钢种渣膜特征与钢种特性基本相符。