高炉是炼铁生产的重大设备，也是钢铁生产整体流程中的重大设备。高炉炉缸是盛装高温铁水的反应器，其结构由内衬耐火材料砌筑体、冷却器和钢制外壳组成。炉缸的主要功能是盛装铁液和保证铁液侧孔出流运动正常进行。由于直接与铁水接触，内衬的侵蚀具有不可避免性，并随服役时间的增加而越加严重。通过局部更换耐火材料、修补炉衬来维护高炉的安全性和整体性，对炉顶和炉身是可行的，但对炉底和炉缸却极为困难。炉缸局部破坏往往会导致整座高炉停产大修。因此，炉缸的寿命和安全性是高炉一代炉役的主要限制环节。　　铁水的流动冲刷、热化学反应和热应力是炉缸内衬侵蚀破坏的主要因素。本文以建立高炉炉缸长寿设计的基本方法和识别炉缸内衬的侵蚀形貌为研究目标，从分析炉缸的热工作机理和内衬侵蚀的识别诊断两个方面入手，对炉缸热态模型和内衬侵蚀识别技术进行较深入和系统的研究。具体研究内容如下:　　1.根据热流体力学和计算流体力学热焓—多孔介质方法，建立了包含铁水凝固相变、内衬热阻和冷却条件的二维、三维高炉炉缸稳态出铁过程模型，并制定了相应的技术流程。　　通过所建立的二维轴对称模型，首次研究了容积利用系数、内衬热阻、冷却条件与内衬结渣能力的关系。给出了4000m3、2500m3、1000m3和450m3四个典型容积的高炉炉缸内衬结渣时，内衬热阻、容积利用系数和冷却强度之间的响应面关系。从而为长寿炉缸设计提供了依据，也为高炉操作提供了参考。　　利用包含凝固相交的高炉炉缸三维稳态出铁过程模型，以“隔热”结构的包钢2号高炉和“传热”结构的宝钢4号高炉的炉缸为例，对铁水流场、内衬渣皮形貌和温度场进行了分析和对比，研究了容积利用系数和死焦柱浮起高度等因素的影响。　　2.将铁水流动冲刷和渗透作为内衬侵蚀主要因素，以1150℃等温线为侵蚀边界，建立了炉缸理论操作炉型的三维数值计算模型。构造了一种通过内衬单元和铁水单元的相互替代来实现内衬热面边界的自动移动和数值模型的快速重构的新算法，解决了炉缸理论操作炉型计算中的关键问题。分析了容积利用系数、死焦柱空隙率、死焦柱浮起高度和铁口深度等因素对炉缸理论操作炉型的影响。在理想出铁条件下，以包钢2号高炉和宝钢4号高炉的炉缸为例，对其理论操作炉型进行了计算和对比。提出的理论操作炉型的概念，对炉缸的设计评估具有实用意义。　　3.根据结构传热的待定边界逆解原理，建立了高炉炉缸内衬侵蚀诊断的二维计算模型。针对炉缸的三类热工测量条件，建立了相应的三类侵蚀诊断技术。实现了炉缸、炉底、炉角（炉缸和炉底连接处）的侵蚀联合计算，大大提高了侵蚀分析特别是“象脚”状侵蚀分析的适应性和可靠性。　　基于二维模型开发配置了高炉炉缸炉底内衬侵蚀在线分析系统，并应用到包钢2号、酒钢2号、莱钢5号和6号高炉实际生产中。通过对莱钢3号高炉的解剖和破损调查，从炉缸的整体侵蚀形貌、侵蚀量和残铁口位置等几个方面验证了二维模型的准确性。根据二维模型的计算原理，提出了炉缸内衬测温点的优化布置方案。　　4.基于高炉炉缸稳态出铁过程模型和理论操作炉型计算模型，耦合铁水的流场和温度场，建立了更接近实际的三维内衬热应力计算模型，将炉缸内衬热应力的计算提升到更高精度的三维流固耦合分析层次。以包钢2号和宝钢4号高炉炉缸为例，对炉缸设计炉型和理论操作炉型下的内衬热应力进行了计算和分析。　　在内衬侵蚀稳定的情况下，采用轴对称模型对常见几种侵蚀状态的内衬热应力进行了研究。以高炉炉缸内衬侵蚀诊断系统的计算结果为基础，对炉缸侵蚀状态下的内衬热应力进行了计算。　　通过耦合铁水流场和温度场而建立的高炉炉缸三维内衬热应力计算模型，可以更真实地对炉缸内衬的热应力进行研究，与炉缸稳态出铁过程模型和理论操作炉型计算模型一同为长寿炉缸的设计和评估提供了有效的方法。