本文针对CaO-SiO2基保护渣在高锰高铝钢连铸过程易与钢中活泼元素锰、铝发生反应,导致保护渣性能恶化,严重影响结晶器传热和润滑问题,基于热力学分析,开发低反应CaO-Al2O3基并引入BaO、SrO组分为溶剂的保护渣新渣系,开展保护渣熔点实验和热流密度实验,结合分子动力学、XRD、Fluent模拟等手段研究低反应性保护渣熔点、传热及结晶特性,为高锰高铝钢低反应性保护渣组分设计提供理论依据。首先,利用Factsage软件分析了Al和Mn元素与保护渣中CaO、Al2O3和SiO2反应吉布斯能,并通过热力学计算分析反应后Al、Mn含量变化,得出钢渣反应主要为Al与SiO2的反应,为此采用高Al2O3和低SiO2的方案来减少钢-渣反应的发生。基于CaO-Al2O3相图并结合文献,确定CaO/Al2O3的质量比为1,并添加合适的溶剂。基于Factsage和计算模型,得到低反应性保护渣系黏度、转折温度、熔化温度,熔化温度范围为1083～1130℃,析出相主要为Ca12Al14F2O32和Ca5Si2F2O8。其次,用BaO和SrO依次替代CaO,利用熔点熔速测试仪及铜探头浸渣法测试熔化温度及热流密度,探索BaO和SrO含量变化对熔化温度及传热特性的影响规律。结果表明,当BaO和SrO含量在0～15%内变化时,保护渣熔化温度范围为1122～1146℃,且随BaO含量增加而降低,随SrO含量的增加熔化温度先增加后降低,当SrO含量为7.77%时熔点最低为1122℃;热流密度在65.12×10~5～84.13×10~5W/m~2范围内变化,随着BaO或SrO含量的增加,热流密度先增加后减小;熔点低的组分,对应的热流密度高,BaO或SrO含量在10%左右时,有利于保护渣的传热。基于分子动力分析、XRD检测、传热计算及晶体长大理论公式,分析保护渣各组元网络结构、结晶物相、及熔融保护渣冷却过程中的温度变化和结晶分数来进一步探索BaO、SrO含量对保护渣熔点及传热特性的影响机制,结果表明:BaO、SrO会通过释放自由氧O2+使[AlO4]5-向[AlO6]9-结构转换,从而降低保护渣熔点;析出晶相为12CaO·7Al2O3和2CaO·SiO2;热流密度越小的组分形成的渣膜越厚。最后,建立描述铜探头浸渣法测试保护渣热流密度的一维非稳态传热数学物理模型,并结合晶体长大理论公式,基于Fluent模拟分析保护渣转折温度和碱度对传热及保护渣冷却过程中结晶行为的影响规律。结果表明,转折温度每提高50℃,热流密度平均提高5×10~4W/m~2;碱度每提高0.2,热流密度平均提高3×10~4W/m~2,随着碱度和转折温度提高,热流密度和结晶分数提高,渣膜厚度减小。当碱度为1.3时,保护渣最大热流密度为150×10~4W/m~2和渣膜厚度为5.5mm,结合以上的熔化温度和热流密度实验,SrO,B2O3、SiO2、Li2O、CaF2和Na2O含量分别确定为8%、4%、7%、4%、15%和4%。