钢铁工业作为国民经济的基石,不仅给国家基础建设提供了重要的原材料保障,还有力支撑了相关产业的发展。但是目前我国高品质钢的产量却并不能满足日益增长的物质需求,因此亟需发展并提高冶炼工艺水平。透气塞是炉外精炼这一高品质钢冶炼技术中重要的功能部件,其使用寿命决定了整个钢包的生产顺行及使用效率。本文采用流固耦合传热分析技术,研究钢包精炼过程中氩气与透气塞之间的流动/变形/传热的相互作用规律,进而探讨不同服役条件下钢包透气塞的热传输、热应力及热变形行为,寻找缓解和优化局部热应力分布的途径,提高透气砖的使用寿命。本文的主要工作包括:首先,通过流固耦合传热模拟和试验方法相结合,在获得透气塞服役过程中的瞬态温度场后,对矩形狭缝式透气塞在服役过程中的热机械行为进行了模拟分析,结果表明,在狭缝壁面处存在强烈的热交换,传热系数的变化直接决定了透气塞内部的温度分布;拉应力主要集中在距底面约0.323m处,因此该位置最有可能出现横向断裂;中心轴处温度随时间变化最剧烈的位置与出现最大拉应力位置相近;由于透气塞中心轴处处于压应力状态,因而此处不易发生横断损毁;通过与实际使用前后的透气塞进行比较发现,模拟结果和现场实际吻合较好,这说明热机械模拟与流固耦合换热法相结合是研究实际涉及流固作用工况下的冶金元件的热机械行为的有效方法。其次,通过有限带孔平板模型优化发现,相较于矩形狭缝,圆孔狭缝能有效缓解应力集中现象,进而对比了矩形狭缝式透气塞与圆孔狭缝式透气塞的热机械行为和冶金性能,结果表明,由于圆孔狭缝式透气塞中孔分布更加均匀,其内部的温度分布相较于矩形狭缝式透气塞而言更加均匀;圆孔狭缝透气塞整体的应力分布较为均匀,有效改善了矩形狭缝式透气塞的应力集中;孔型的改变也极大的降低了透气塞所承受的最大轴向拉应力,从而有利于其寿命的提升;水模型试验结果表明,当气体流量小于6.02NL/min时,圆孔狭缝式透气塞的混匀时间较短,且其夹杂物去除率比矩形狭缝式透气塞高出10%左右。再次,采用Druker-Prager模型对不同形状狭缝的透气塞在服役过程中的不可逆力学行为进行了比较分析。结果表明,无论是剪切还是拉伸塑性形变,矩形狭缝式透气塞的变形程度以及影响区域总是要大于圆孔狭缝式透气塞,这使得圆孔透气塞寿命比矩形狭缝式透气塞寿命长;圆孔狭缝式透气塞的塑性形变总是集中在孔周,矩形狭缝式透气塞的塑性形变不仅集中于孔周,在y=0.323m截面以上也有明显的塑性形变,这也是导致透气塞横向剥落的原因之一;同时,该不可逆力学分析也为透气塞等耐火材料的使用寿命预测和定量评价体系提供新的途径。最后,本文研究了圆形狭缝式透气塞孔角与孔径对冶金性能的影响。水模试验表明,当吹气流量小于6.02NL/min时,随着狭缝孔角的增加,混匀时间减小,气泡束夹角减小,气泡碰撞概率增大而导致了气泡尺寸的增加,其气泡的比表面积减小,夹杂物去除率降低;当吹气流量小于5.26NL/min时,随着狭缝孔径的增加,气泡尺寸增加,气泡的比表面积减小,混匀时间减少,夹杂物去除率也随之减少;随着孔径的增加,渣眼面积也随之增加,狭缝孔角对渣眼面积成正比关系。