目前,我国经济处于快速发展时期,国内制造业蓬勃发展,其对于特钢棒材尤其是大规格棒材产品的需求量日益增多。我们通常将直径超过50mm的棒材称为大规格棒材,而将直径在50mm以下的棒材称为线材。大棒材由于体积大,含热容量多,棒材的温度变化不易控制,控制冷却技术一直是限制大棒材生产的主要因素。当前世界上应用最广的冷却工艺是斯太尔摩控制冷却工艺。所以对于设计人员来说,研究开发大棒材控温冷却技术,掌握机组运行过程中轧件温度变化和材料性能演变过程,提高自主设计和创新能力是非常必要。喷射冷却水箱的阻力和传热性能是大棒材控制冷却技术以其系统设计的基础。本文建立了大棒材喷射冷却水箱内流动传热的数值分析模拟,并进行了相应的数值求解。在一系列工况计算基础上,本文全面系统地分析了喷射冷却水箱的阻力和传热特性,考察了喷嘴结构参数(环缝宽度和角度)对大棒材喷射冷却装置的阻力和传热性能的影响规律,以及运行工况(流量、压力、棒材直径以及棒材速度)的影响规律,拟合得到了喷射冷却水箱喷嘴段阻力和换热性能计算的经验关联式,并根据模拟计算结果分析得到优化的喷嘴结构参数。研究结果表明:冷却水箱喷嘴段的阻力和传热特性是决定水箱冷却能力的关键因素。然后,设计和搭建了大棒材喷射冷却性能试验台,对不同结构和工况下喷射冷却水箱的阻力和换热性能进行了测试,利用测试结果对拟合得到的阻力和换热性能经验关联式进行了修正,为大棒材控制冷却过程瞬态温度预测奠定了基础。最后,本文还建立了大棒材控制冷却过程瞬态温度变化模型,该模型首次提出了考虑轴向导热项的修正。采用有限差分法对该模型进行了数值计算,并分析了该修正项对模拟结果的影响。研究表明,忽略大棒材轴向导热项的判断依据是径向和轴向扩散强度之比。