高铝钢因组织性能优势,被应用于许多军事民用领域。近年来具有高强塑积的TRIP、TWIP钢的“炼钢—连铸”流程工业化生产,更是国内外相关大型钢铁企业追逐和研究的重要技术。但受限于目前国内外尚未成功研发出与高铝钢连铸生产相配套的专用结晶器保护渣,部分高铝钢连铸生产过程中存在严重铸坯表面裂纹缺陷及频繁漏钢事故,无法实现稳定、高质、高效多炉连浇,因此,高铝钢连铸保护渣是近年来国内外研究热点。本文就目前高铝钢浇铸过程中传统保护渣的钢渣反应性以及低反应性保护渣的熔渣结构和性能稳定性的控制难题,展开系列相关研究,旨在为高铝钢保护渣研发提供理论指导,促进高铝钢连铸技术发展。首先,针对高铝钢浇铸过程中所面临的结晶器内钢渣反应性问题,通过热力学计算、实验室平衡接触实验以及现场试验,研究不同渣系条件下保护渣中各组分与钢水中Al的反应性,以获得低反应性保护渣组分控制目标。结果表明:各保护渣中SiO2、MnO容易和钢水中Al发生反应,高含量B2O3、Na2O会与钢水中Al发生反应,CaF2、MgO、CaO、BaO基本上不与钢水中Al发生反应。现场试验用CaO-SiO2-Al2O3基保护渣浇铸Al含量为1.0wt%的高铝钢,钢渣反应达到平衡后,SiO2含量稳定为约8wt%,Na2O含量稳定为约5wt%,B2O3含量稳定为约2.5wt%,钢渣反应使保护渣熔点和黏度大幅度升高,从而影响连铸顺行,并很有可能引起粘结和漏钢等生产事故。因此,低反应性保护渣不宜加入大量Na2O和B2O3作为主要助熔剂。其次,采用分子动力学模拟,研究了典型组分对Al-O网络结构的影响机制,为低反应性保护渣微观结构稳定性控制提供理论指导。结果表明:CaO-SiO2和CaO-Al2O3熔体中,[AlO4]5-四面体结构不及[SiO4]4-四面体结构稳定,熔体黏度和电导率的自然对数和表征体系聚合程度的结构参数NBO/T存在线性关系,模拟计算值与实验测试值的吻合度验证了模拟结果的准确性;Al2O3基二元系熔体中,Al-O网络结构随着Al2O3含量的增加而变得复杂,金属阳离子或三配位氧Ot起到平衡[AlO4]5-负电过剩的作用,Al-O结构的无序性以及熔体结构的聚合程度随着金属阳离子电负性的增加而增加,即组分稳定Al-O网络结构的顺序为K2O>BaO>Na2O>CaO>MgO,而熔体结构复杂程度顺序为K2O-Al2O3<BaO-Al2O3<Na2O-Al2O3<CaO-Al2O3<MgO-Al2O3,故可考虑在Al2O3基低反应性保护渣中加入适量BaO以稳定Al-O网络结构并调节熔渣黏度;高Al2O3的CaO-Al2O3-SiO2-CaF2熔体中,F取代O对熔体结构有着双重影响,一方面促进Ca-F网络结构的形成,减少网络修饰子Ca的含量使得熔体网络结构变复杂,另一方面促进形成[AlO3F]4-四面体以平衡[AlO4]5-四面体负电过剩,减少高配位Al和三配位氧Ot的比例使得Al-O网络结构变简单,因此,F对低反应性保护渣熔体结构及性能的影响规律需根据具体组分范围而定。继而,基于钢渣反应性和熔体微观结构研究,通过宏观性能测试,研究典型组分BaO、Li2O和F-对CaO-SiO2-Al2O3和CaO-Al2O3基保护渣宏观性能的影响规律,获得了宏观性能稳定且满足高铝钢连铸要求的成分范围。结果表明:Al2O3取代SiO2模拟钢渣反应导致的组分变化,会使熔渣熔点、黏度较大幅度上升,影响连铸顺行;BaO取代CaO,对熔渣基本性能的影响存在双重机制,能稳定实验渣凝固温度和粘流活化能,改善熔渣润滑性,并提高熔渣吸收Al2O3夹杂后性能的稳定性,综合而言,低反应性保护渣中BaO含量控制为15wt%左右为佳;Li2O取代CaO,能有效降低熔渣熔点、黏度和凝固温度,增加粘流活化能,但高Li2O含量会促进LiAlO2矿相的析出,提高熔渣析晶温度,不利于熔渣润滑性能,故低反应性保护渣中Li2O含量控制在5wt%左右为佳;F-含量增加对CaO-Al2O3基实验渣熔点的增加作用比其对黏度的降低作用明显,且粘流活化能和凝固温度上升,不利于熔渣润滑性能,故F-含量控制在10wt%左右为佳;低反应性CaO-Al2O3基实验渣中,主要析晶矿相为12CaO·7Al2O3和11CaO·7Al2O3·CaF2,有望取代传统CaO-SiO2基保护渣中枪晶石控制铸坯到结晶器的传热。同时,在实测数据基础上,结合FactSage热力学软件及相应数据库,建立了初步钢渣反应性动力学模型和含BaO熔体黏度模型,为高铝钢保护渣的研发与应用提供一定方法保障。最终,基于理论研究,结合高铝钢钢种特性及连铸工艺条件,通过工业化应用试验,研发的高铝钢低反应性保护渣已取得初步应用成功,基本实现了高铝钢铸坯无缺陷、稳定顺行浇铸目标。