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连铸时，保护渣加入结晶器和钢水接触形成了熔融层，与钢水发生冶金反应，产生夹杂物的传递与组分迁移，同时由于结晶器的振动和钢液面的波动亦会导致钢液面和未熔化层发生作用，保护渣的特性直接影响到铸坯表面质量。在浇注超低碳钢时，保护渣在结晶器使用过程中，在液渣层和烧结层之间存在的富碳层，是超低碳钢增碳的主要原因。富碳层的厚度和碳含量与保护渣中原始碳质材料的种类和含量有关，还有悬浮在熔渣层中的碳质颗粒，其含量0.1-0.3％，因为直接与钢水接触也使钢水增碳。渣中碳含量会直接影响到铸坯中碳的变化。

随着钢铁工业的发展，以汽车面板、高牌号无取向硅钢为代表的超低碳钢(C含量在0.002％左右)大量生产，因保护渣中的碳质材料与钢水接触易引起铸坯表面渗碳和结晶器内钢液增碳，造成铸坯合格率降低、表面质量恶化等一系列问题，控制保护渣中的碳含量有利于铸坯的增碳值下降。

保护渣的矿物原料及物化特性的研究

保护渣一般由三部分物料组成，一是基料部分，二是助熔剂材料，三是熔速调节剂。

保护渣基料的组成一般为SiO₂－CaO－Al₂O₃三元渣系，由于此三元系最低熔点在1300℃以上(图1)，不能满足保护渣950-1200℃之间的要求，因此，必须在此基础上加入少量调整熔点、粘度、表面张力等物理性能的助熔剂，如碱金属氧化物(一般以碱金属碳酸盐加入，如：Li₂CO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃)、氟化物，如：CaF₂、NaF、Na₃AlF₆,硼氧化物，如B₂O₃、硼砂等。作为助熔剂，有几个共同点：其一，其熔点低，除CaF₂熔点1400℃外，一般低于1000℃，在结晶器中，在保护渣熔化前先熔化，形成液体，极易与基料发生化学反应；其二，化学活性强，碱金属是最强的碱性化合物，硼氧化物是最强的酸性化合物(能作为保护渣原料的)，它们能迅速地基料反应形成均匀的保护渣熔渣；其三，熔渣中含量强电解质硅酸盐、硼酸盐，比较易于溶于水，废水中溶质浓度高，碱性强，对设备腐蚀重，对环境污染大。

由于基料和强电解质助熔剂反应速度大，保护渣熔化速度过大，也影响保护渣作用的发挥。

保护渣的助熔剂一般是碱金属氧化物或盐、硼酸酐或盐。它们是碳酸锂、碳酸钠、碳酸钾、B₂O₃、硼砂，还有一些废物利用的普通玻璃、硼玻璃。这些材料有一个共同点，就是熔化温度低，在低温时熔化，易于与其它原料发生化学反应(固-液反应速度快)，所以在保护渣中必须要有“骨架材料”来控制熔化速度。同时，相对于其它金属，碱金属盐是碱性强电解质；相对于硅酸盐、铝酸盐，硼酸盐也是强电解质。强电解质的熔体对耐火材料的浸蚀也比较强。

所以，利用弱电解质材料作为保护渣原料作为助熔剂，不用碱金属、硼的化合物作保护渣的原料，从而减少或不用骨架材料，减少或杜绝增碳；减少水口的浸蚀，提高水口寿命；减少渣在冷却水中的溶解度，降低环境污染。

参照耐火材料知识，耐火材料的烧结温度与其熔点成正比，熔点越高，烧结温度越高。其比值称“塔曼温度”，而“塔曼温度”又与氧化物的晶格能有关，晶格不对称的晶体如SiO₂、Al₂O₃、TiO₂、ZrO₂、Cr₂O₃比高对称的碱金属、碱土金属氧化物高，碱金属氧化物晶格能最低，因此，可以说，晶格能越低、熔点越低的物质，烧结温度越低；烧结温度越低的物质，与其它物质发生化学反应的温度也越低。保护渣中碱金属氧化物晶格能低、熔点低、烧结温度低，所以最容易与其它基料发生反应，所以被选为助熔剂，B₂O₃也一样。

所以，选择高晶格能、高熔点的物质，不选用低晶格能、低熔点的物质，可以提高保护渣造渣反应温度，降低造渣反应速度，即在不含骨架材料时控制保护渣的熔化速度。

保护渣熔化速度是评价保护渣供给液渣能力的重要参数，是控制熔渣层厚度、渣膜均匀性和渣耗的主要手段。熔化速度太慢，则不能在钢液面上形成合适厚度的液渣层，对熔渣的隔绝空气的作用及吸收夹杂物不利，同时因不能形成足够厚的液态渣膜而对润滑不利。熔化速度过快，则不可能在钢液面上保持稳定的原渣层，从而使熔渣层暴露，热损失增大，钢液面易结壳，可能导致钢坯夹渣缺陷。熔化速度太快也会引起液态渣膜不均匀，使铸坯表面出现裂纹和凹坑。所以合适的熔化速度，才能在钢液面上形成适当的多层结构，以防止钢液重新氧化，减少钢液面上热损失，尽量多吸收夹杂物。同时也只有适当的熔化速度才能在铸坯与结晶器之间形成足够厚度及稳定均匀的渣膜，保证良好的润滑。

一般地，保护渣的熔化速度是由碳质材料控制的，由于碳不熔于液渣，碳的颗粒分布于基料与助熔剂颗粒之间、基料与液滴之间、液滴与液滴之间，形成骨架，阻止或延迟了造渣反应的进行，以及溶渣滴的聚合，从而降低保护渣的熔化速度。结晶器保护渣中炭是以炭黑、石墨或焦粉的形式加入的，加入量3-7％。除控制熔化速度外，碳质材料还起到：

(1)隔热保温作用。随着碳质材料的增加，其隔热保温性能增加；

(2)控制保护渣的熔化速度、熔化特性和熔化模型；

(3)影响保护渣的铺展性能。随着碳质材料的增加，保护渣的铺展性能得到改善；

(4)减缓保护渣在结晶器内结渣圈的作用。

目前降低保护渣增碳的方法有很多，主要有：采用活性炭作为碳质材料，可使熔渣层厚度增加，富碳层中碳含量降低，抑制超低碳钢增碳；加入强还原物质抑制保护渣碳质材料在使用过程中的氧化速度，在保证使用效果的同时，降低碳质材料的使用量，从而降低富碳层中碳的含量，达到降低增碳的目的；加入碳酸盐，利用其分解吸热降低保护渣的熔化速度，降低碳质材料的使用量；采用碳化物代替部分碳质材料来降低碳质材料的加入量；采用有机物代替部分碳质材料；利用二钙硅酸盐发生相变延缓保护渣熔化速度；使用BN完全代替碳质材料，可以达到铸坯不增碳的目的。

但是，以上方法中，只要采用了碳质材料，就会形成富碳层，熔渣中就含有游离的碳质颗粒，就会造成钢水增碳，仅仅只有使用BN完全代替碳质材料，可以达到铸坯不增碳的目的，但含BN的保护渣在使用时结块性强，影响保护渣熔化均匀性；产生鼓泡、膨胀，影响操作；钢液增硼，影响钢材性能；BN价格昂贵，30-50万/吨。如果保护渣中加入3％的BN，则保护渣成本增加12000元/t左右，而现在超低保护渣价格约6000元/t。

所以，因为以上种种原因，以上方法基本都未应用于超低碳钢的生产，目前大部分超低碳钢保护渣采用的是在保护渣中加入氧化性物质(MnO₂、Fe₂O₃)，氧化富碳层、熔渣层中的碳，达到降低增碳的目的，保护渣中碳质材料含量1.5-2.0％。事实上，此法保护渣增碳量在5-10ppm之间，生产不稳定时可达15ppm左右，为了保证钢坯碳含量达标，一般是使RH脱碳达10ppm以下，延长了RH时间，增加了成本。

日本某企业生产的无碳保护渣，使用有机碳质材料，不能造粒，在高温下炭化后，其固定碳含量1％左右，也不能避免增碳。

保护渣使用的碳质材料主要有炭黑和石墨，炭黑比表面积非常大，粒径在10-100nm之间，和皮肤接触非常容易进入毛孔，不容易洗净；呼吸炭黑容易进入肺泡，世界卫生组织将炭黑列入“2B类致癌清单”中。

保护渣有一个作用：吸收钢水中的夹杂物，其测量方法是将刚玉棒在保护渣熔渣中旋转一段时间后，测量刚直径的变化。其实，现在的高级钢，钢不的纯净度已经很高，对保护渣的要求已经发生变化，只要保护渣不污染钢水就行了。从另外一方面来说，保护渣对耐火材料的浸蚀是很严重的，所以，结晶器浸入式水口的材质、加工工艺，都有很严格的要求，就是要防止保护渣对水口的浸蚀。普通保护渣由于含有大量的强电解质碱金属氧化物，与石英生成Na₂O·2SiO₂和K₂O·4SiO₂，熔融温度分别为782℃和769℃，是石英制品的强侵蚀剂，对浸入式水口具有强的浸蚀性。

在镀锡板生产中，发现有和结晶器保护渣相关的缺陷，由于在扫描电镜下呈白色椭圆状，称其为白斑缺陷。白斑由于NaOH对镀锡基板的腐蚀，NaOH是由保护渣中的含Na化合物与冷却水发生水解反应生成，因此对高等级薄板必须采用低钠保护渣。

综上所述，待解决的技术问题为：

1)减少或杜绝保护渣对钢坯增碳；

2)减少保护渣对浸入式水口的浸蚀；

3)减少熔渣溶于水的量，降低环境污染；

4)减少保护渣在生产、使用过程中，超细的碳质材料对人体的不良影响。