高钛钢具有高强度、耐腐蚀性和减少焊接飞溅等良好性能,使其在国内外得到广泛的发展与应用。但高钛钢在连铸过程中普遍存在结晶器钢-渣界面反应严重、铸坯表面质量差及连浇困难等问题,本文以此为出发点,开发非反应性的CaO-Al2O3-TiO2基新型高钛钢专用保护渣,同时,利用钙钛矿代替枪晶石发挥控制传热的作用,实现保护渣的无氟化。首先,从热力学角度分析保护渣中组元临界含量的关系,明确了保护渣中w(TiO2%)≥2%和w(SiO2%)≤5%时,不存在钢-渣界面反应。基于双膜理论,建立钢-渣界面反应动力学模型,确定钢中Ti、Si和保护渣中TiO2、SiO2均为钢-渣界面反应的限制性环节,其中Ti的影响最为显著,Ti含量在0.05～1.91%范围内,随其含量增加,钢-渣界面反应程度和反应平衡所需时间均增加,且模型的预测值和试验值较为吻合。运用FactSage7.3热力学软件和Scigress分子动力学软件模拟各组元对保护渣理化性能的影响。基于钢-渣界面反应行为、保护渣热力学和动力学的研究,初步拟定保护渣成分范围。其次,利用全自动熔点熔速测定仪、旋转粘度计、S/DHTT和红外发射系统全面地开展保护渣冶金特性的研究,进而系统地分析各组元对保护渣熔化特性、流变特性、结晶特性和传热特性的影响规律。结合BaO降低熔体中Al-O和Ti-O结构单元的聚合度的特点,将粘度控制在0.1～0.5Pa.s。同时,BaO解决了 CaO-Al2O3-TiO2基保护渣高熔点的难题,将熔点控制在1050～1100℃。基于大量试验数据,构建适用于CaO-Al2O3-TiO2基新型高钛钢专用无氟保护渣的熔化温度、粘度和转折温度的计算模型,三个模型均能够较好地预测保护渣的理化性能。运用Mo模型阐明保护渣在非等温结晶过程中的结晶机理。保护渣结晶控制环节均为界面反应控制。大部分晶体以恒定形核速率或恒定形核数量的两种方式形核,且以二维或三维方式生长。而TiO2和Li2O含量分别为16%和8%时,晶体以恒定速率形核,三维长大方式生长。结合保护渣传热特性的分析,上述晶体的生长方式能够有效的控制传热,钙钛矿能够替代枪晶石实现无氟保护渣控制传热的作用。利用DHTT双丝法揭示渣膜相态变化及结构分布,结晶器内渣膜中玻璃层、结晶层和液渣层的三层结构分层较为明显。随着结晶器内坯壳温度的降低,渣膜中玻璃层和结晶层的厚度增加,液渣层厚度降低。保护渣冶金特性的深入分析,为其开发提供可靠的试验数据和夯实的理论基础。最后,根据高钛焊丝钢ER70-Ti对保护渣性能的要求,运用CaO-Al2O3-TiO2基新型无氟保护渣的粘度计算模型和熔化温度计算模型,明确保护渣的成分范围:CaO/A12O3为0.8～1.2,TiO2含量为4～12%,SiO2含量为1～5%,BaO含量为5～15%,Na2O含量为6～10%,Li2O含量为1～4%,B2O3含量为6～10%,MgO含量为2～4%。将批量生产的高钛焊丝钢ER70-Ti专用保护渣应用于实际的工业生产,并取得较好的试验结果。