连铸过程中,源起于结晶器内的铸坯表面缺陷严重影响了连铸生产效率和铸坯质量。结晶器内是一个包含流动、传热、化学反应以及相变等行为的复杂耦合体系,各行为相互影响、相互作用,难以准确预测和控制。本文通过结晶器内多相流动、传热与凝固全流程模型的开发为研究结晶器内的动态耦合行为提供了重要手段,该模型基于实际连铸工艺条件,描述了自开浇至稳定浇铸阶段结晶器内弯月面与渣膜的形成以及传热与凝固的连续演变特征,并进一步阐明了结晶器振动下渣膜、压力和热流的波动行为及其对保护渣流动和坯壳生长的综合作用,最后定量分析了弯月面和渣膜随拉速变化时对保护渣消耗和铸坯表面振痕形成的影响。研究结果表明,开始拉坯后大量液态保护渣流入铸坯与结晶器之间的缝隙形成了初始的弯月面形状,随着拉速升高,弯月面轮廓逐渐向上隆起,而渣圈尺寸不断减小。增大拉速使结晶器内渣膜变薄而热流上升,在形成稳定渣膜结构之前结晶器内的热流波动较大。渣道内的压力取决于振动速度和液渣膜厚度的共同作用,渣圈的存在则增强了保护渣在弯月面附近的非均匀压力流动。在振动负滑脱段,结晶器内的压力和热流升高,结晶器和渣圈向下振动接近最低位置时挤压液态保护渣将其分为两个流股,促进了保护渣流入和坯壳初始凝固。保护渣的正消耗开始于结晶器振动正滑脱末段,终止于下一个正滑脱初段。高锰高铝钢因展现出优异的性能,如具有高抗拉强度、出色的延展性、优良的加工硬化能力等,而广泛应用于耐磨钢、无磁钢、轻量化汽车钢以及海洋平台特殊用钢中。但是在高锰高铝钢连铸过程中,由于钢液与熔渣发生剧烈反应,导致保护渣的成分及物性发生显著改变,恶化了结晶器内润滑与传热条件,造成连铸坯出现严重的凹陷和裂纹等质量缺陷,甚至引发漏钢事故。本文通过开展不同实验条件下钢-渣反应实验分别考察了 CaO-SiO2渣系保护渣与高锰钢和高铝钢的反应行为,阐明了浇铸过程中保护渣物化特性变化对结晶器的润滑特性与传热行为的影响,并开展了高锰钢和高铝钢连铸保护渣生产应用。在高锰钢连铸过程中,钢中Mn含量对钢渣反应起主要控制作用,提高保护渣碱度可以在一定程度上抑制反应进行。随着渣中MnO升高和SiO2降低,保护渣的黏度和转折温度持续下降,结晶温度则表现为先升高再降低的过程。渣膜中枪晶石（Ca4Si2O7F2）作为第一相首先析出,在其缝隙间夹杂着少量不规则形状的萤石（CaF2）晶体。随着MnO含量增加,枪晶石由排列均匀的小面晶体逐渐变成彼此毗连的粗大晶体,并且数量不断减少。渣中MnO含量继续升高后有越来越多的细小锰橄榄石（Mn2SiO4）析出,而萤石晶体消失。固渣膜中结晶层厚度减小,而玻璃层厚度增加,渣膜整体厚度降低,通过渣膜热流呈明显增加趋势。在高铝钢连铸过程中,钢渣反应后保护渣中Al2O3含量越高熔渣黏度随温度降低增大越快,并且没有明显的转折温度,而液相线温度和结晶温度均呈先升高再降低的趋势。相应地,通过渣膜的热流则先降低再升高。随Al2O3含量增加,渣膜中枪晶石晶体排列出现局部疏松,并以条状形式析出,在其晶体间隙夹杂着大量无光泽的霞石（NaAlSiO4）晶体和少量萤石微晶。当Al2O3的质量分数为28.39%时,渣膜析出相中枪晶石晶体消失,而出现大尺寸块状钙铝黄长石（Ca2Al2SiO7）晶体,同时霞石和萤石晶体的数量和尺寸均显著增加。针对高锰钢连铸过程中出现的固、液渣膜成分差异的现象,通过开展钢-渣分层反应实验考察了高锰钢保护渣层中的成分分布特点,基于实验结果建立了高锰钢连铸保护渣流变模型,描述了高锰钢连铸保护渣非均匀流入现象,并分析了浇铸过程中在结晶器内形成的渣膜特征以及对连铸坯润滑与传热条件的影响。研究结果表明,在保护渣层中MnO和SiO2浓度整体上呈对立的阶梯状分布,由反应层和非反应层两部分构成。当反应层厚度为5 mm时,铸坯与结晶器之间形成的液渣膜厚度最大,固渣膜成分不均匀导致结晶器热流波动幅度较大,造成铸坯表面出现多处不规则的凹陷;当反应层厚度为10 mm时,流入到铸坯与结晶器之间的保护渣均来自反应层,此时渣膜成分均匀,固渣膜厚度最小,结晶器内整体热流较高。结晶器振动促进了弯月面附近液态保护渣的混合行为,在距离结晶器壁约80 mm以内的区域,液态保护渣流动速度大,经混合后被快速消耗;在距离结晶器壁约80 mm以外的区域,液态保护渣流动速度小,在渣池中停留的时间更长。高锰钢连铸保护渣消耗量显著高于常规低碳钢连铸保护渣消耗量,增加幅度约为90%～120%。