CSP加热炉炉辊担负着均热炉内板坯的支撑与行进驱动任务，为满足炉辊高温恶劣环境条件下长期连续重负载旋转运行的需要，炉辊设计成水冷炉辊，主要由金属辊身、耐热金属辊环、耐火材料隔热防护层、外露金属辊轴等构成。炉辊是加热炉机械设备中最重要、最易损坏的关键设备，其在线数量大、价格贵、寿命低。为解决炉辊备件供应、延长炉辊寿命、提高板坯温度均匀性、降低企业成本，从炉辊的结构研究出发，对炉辊结构改进，开发高温性能好的新型结构炉辊替代现有炉辊，确定炉辊在炉内的合理排布形式提高板坯温度均匀性，对降低钢厂生产成本意义重大。具体针对加热炉炉辊辊环高温烧蚀、耐火层破损、板坯温度均匀性不足等问题，以提高炉辊高温性能、板坯表面温度均匀性为切入点，分析了炉辊在炉内的分布布置特点及辐射换热特性，并利用有限元数值模拟的方法计算出炉辊在加热炉内的温度、应力分布及炉辊排布对板坯表面温度均匀性的影响，为提高炉辊性能的结构改进及板坯温度均匀性的排布形式改进提供了依据。本文的主要研究内容如下：1）建立炉辊流固耦合传热模型来计算炉辊在高温炉气下的温度分布规律。分析了炉辊在其内部的辐射传热，得到了炉辊外表面的吸热量，计算不同温度炉气下的国产炉辊温度场分布，并将计算得到的数据与现场监测对比，证明水冷炉辊仿真模型的可靠性。在1300℃下的炉辊辊环工作面最高温度已超过其材料的极限使用温度，此炉辊结构有待改进。2）结合炉辊的结构特点，将炉辊分为辊轴—辊环子结构及辊轴—锚固件—耐火层子结构分别进行热应力计算；以温度场仿真分析得到的温度分布为热边界条件，施加结构约束条件，进行热应力计算，得到各部位的应力分布为炉辊结构改进提供数据支撑。3）针对现有炉辊温度、应力场仿真出现的辊环冷却不足、锚固件的结构不合理，分别改进了炉辊的冷却结构、辊环结构及锚固件结构，设计了一种直接冷却辊环、V型与双V型锚固件交错排列锚固的炉辊结构。对改进结构进行仿真，对比改进前后的计算仿真结果，改进结构能提高炉辊高温性能。4）对炉辊运送板坯加热过程的温度场进行仿真模拟，实现对板坯温度均匀性的影响因素分析；为提高均匀性，对不同炉辊排布形式下的板坯表面温度进行分析，确定改进结构炉辊在炉内的最佳布置形式；典型待轧事故情况下，确定板坯在炉内需要增加的均热时间，以满足板坯出炉温度均匀性的工艺要求。本文从炉辊结构出发，通过数值模拟分析了不同结构对炉辊温度场、应力场的影响，及不同炉辊排布形式对板坯均匀性的影响，对炉辊的结构改进及布置方式具有指导意义。