焙烧是提钒工艺流程中的一个重要过程，焙烧的主要设备是回转窑。回转窑内的温度分布直接影响着含钒页岩的提钒率。但因回转窑存在生产的产品质量不够稳定、设备运转率低和高能耗等缺点，因此有必要对回转窑进行研究。通过数值模拟的方法已成为目前研究回转窑工况及优化回转窑的重要手段。本文首先通过建立回转窑的三维模型，利用Fluent软件，选用标准k-ε湍流模型、预混燃烧模型，计算并分析了窑内气体、物料以及窑壁表面的温度分布和气体速度分布。分析结果表明回转窑内火焰形状呈良好的棒槌状，窑壁及物料表面温度呈梯度递减的分布状态。通过试验验证，实验室回转窑的稳定温度与模拟仿真求得的温度基本一致，验证了数值模拟方法对了解回转窑内的温度分布具有重要意义，并为回转窑工艺参数的优化奠定了基础。然后，将Fluent软件的温度场数值模拟结果导入Ansys中作为回转窑的温度边界条件，加载约束，计算回转窑的热应力。结果表明回转窑的热应力在接近火焰处最大。分析结果为研究回转窑的温差及其热应力，评估热应力的危害性提供了保证，以及为回转窑的设计和优化提供理论指导。最后，对等径回转窑结构进行改进，通过扩大等径回转窑不同位置处的内径以形成变径回转窑，并分析变径大小和变径位置对窑内温度的影响，得到较优结构形式的变径回转窑；接着，对等径型与变径型回转窑温度分布及热应力分布特征进行分析比较后得到：在相同的工艺条件下，在合适位置变径的变径回转窑焙烧段长度比等径型回转窑的长，有利于提高含钒页岩中各低价态钒的氧化率。