为了降低钢坯热轧前二次加热过程中的氧化烧损，采用暂时性高温涂层防护是一种简单有效的措施。现有的高温防护涂层研究，多建立在气体屏蔽防护机理之上，并未就离子扩散过程对钢坯高温氧化的影响进行深入研究。然而，在长时间的高温加热环境下，基体中的Fe2+/Fe3+离子将会通过氧化层或涂层内的阳离子空位进行扩散，并在气-固界面处发生氧化反应，由此导致涂层出现高温失效或长时失效，无法适用于普碳钢的高温氧化防护。针对上述问题，本文结合普碳钢的高温氧化规律，在气体屏蔽防护机理的基础上，依据离子在不同氧化层结构中的高温扩散规律，提出气体屏蔽-离子扩散抑制耦合防护机理，并在其指导下，以典型普碳钢Q235B为研究对象，开展普碳钢高温防护涂层的制备及应用研究。主要研究内容如下：（1）探究了碳钢Q235B的高温氧化规律和氧化层结构。在氧化初期，碳钢Q235B的氧化反应速率受控于界面氧化反应过程；当氧化反应持续一段时间后，氧化层达到一定厚度，此时碳钢Q235B的氧化反应速率受控于氧化层内的离子扩散过程。由于C元素的存在，碳钢Q235B的氧化层主要由FeO和Fe3O4组成，只在气-固界面处存在少量Fe2O3。由于含量较少，Si和Mn元素对碳钢Q235B的氧化层结构并没有显著影响。（2）采用分子动力学方法模拟分析了O2-离子和Fe2+/Fe3+离子在不同晶体结构中的扩散规律。Fe2+/Fe3+离子在FeO、Fe3O4、FeAl2O4和Fe2Al4Si5O18中的扩散系数均远高于O2-离子，因此，在上述四种晶体结构中，Fe2+/Fe3+离子的高温扩散占据主导。与此同时，Fe2+/Fe3+离子在FeAl2O4和Fe2Al4Si5O18中的扩散系数均远低于FeO和Fe3O4。由此说明，相比于碳钢Q235B氧化层结构FeO和Fe3O4，FeAl2O4和Fe2Al4Si5O18对Fe2+/Fe3+离子的高温扩散可以起到一定的抑制作用。结合碳钢Q235B的高温氧化规律和分子动力学模拟结果，在气体屏蔽防护机理的基础上，本文提出了气体屏蔽-离子扩散抑制耦合防护机理，并以此为理论依据，制定了普碳钢高温防护涂层的设计原则。（3）基于Fe2Al4Si5O18对Fe2+/Fe3+离子高温扩散的抑制作用，选取堇青石陶瓷粉末作为骨料，制备了以Fe2Al4Si5O18为界面层结构的堇青石基陶瓷涂层，在1100°C保温120 min条件下，堇青石基陶瓷涂层的防护效果为18.9%。针对陶瓷粉末不易烧结的特点，进一步选用钒钛渣和煤矸石两种工业固废制备了MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃，并以未经过核化和晶化的基础玻璃粉末替代堇青石陶瓷粉末作为骨料，制备了以Fe2Al4Si5O18为界面层结构MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃涂层。由于非晶相的存在，相比于堇青石基陶瓷涂层，MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃涂层的孔隙率降低了20.88%，防氧化效果提升了24.3%。（4）基于FeAl2O4对Fe2+/Fe3+离子高温扩散的抑制作用，以溶胶-凝胶法制得的Al2O3-SiO2无定形陶瓷粉末为骨料，制备了以FeAl2O4为界面层结构的Al2O3-SiO2基陶瓷涂层。相比于MgO-Al2O3-SiO2系微晶玻璃涂层，Al2O3-SiO2基陶瓷涂层的适用温度提升至1200°C，在1200°C保温120 min条件下，Al2O3-SiO2基陶瓷涂层的防护效果为63.4%。在此基础上，引入纳米SiO2包覆改性金属铝粉（SiO2@Al）作为铝热剂，并以Al2O3粉末替代Al2O3-SiO2无定形陶瓷粉末为骨料，制备了SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层。由于涂层中SiO2含量降低，相比于Al2O3-SiO2基陶瓷涂层，SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层的适用温度提升至1250°C。在1250°C保温120 min条件下，SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层的防护效果为80.3%。（5）选取元素组成与碳钢Q235B相近的碳钢J55为研究对象，开展了工业化试验研究，对涂层实际应用过程中的设备、工艺参数选择等关键问题进行了阐述。根据碳钢J55的加热工艺制度，选取SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层对其进行防护，结合防护效果验证了SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层对相近钢种的适用性。在SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层防护下，碳钢J55热轧成品的收得率提升了0.56%，吨钢节约钢材5.6 kg，热轧成品表面残留氧化层厚度降低41.3%，钢坯除鳞性能得到了提升。在不考虑设备折旧及岗位工资的条件下，SiO2@Al复合Al2O3基陶瓷涂层的吨钢效益为11.77元，具有良好的应用前景和工业价值。