随着全球气候变暖的加剧,降低CO2排放进行低碳生产已成为社会关注的焦点。能源结构以煤炭为主的钢铁行业是我国降低碳排放强度的主战场。基于目前钢铁生产情况,传统高炉炼铁技术已经十分成熟,以现有技术继续深化节能减排已经达到理论上的极限,发展突破性的氢冶金技术才能进一步的节能减排。高炉内氢含量的增加改变了炉料反应的热力学和动力学条件,从而引起炉料反应行为的变化,进而影响了高炉内炉料还原进程、性质演变及冶金行为,此外氢含量的增加改变了炉内温度、气流分布,最终影响高炉运行过程效率。因此有必要强化富氢低碳炼铁工艺条件下炉料性质演变规律和冶金行为研究,解析新工艺条件下不同炉料结构的适应性。本文针对氢气在高炉炼铁过程中的应用,从原料制备及其高效利用为出发点,探索利用烧结矿显热生产预还原烧结矿和基于烧结返矿生产复合球团的新型炉料技术,研究焦丁混装对富氢高炉冶炼的影响,解析不同炉料结构对软熔过程透气性的影响,最终阐明炉料性状及结构与新工艺的适应性,为炉料指标控制体系的建立提供参考。高炉炼铁过程配加预还原炉料是实现低碳操作的重要举措,本文提出基于烧结矿显热上吸式生产预还原烧结矿的新工艺。通过模拟实验研究了烧结结束冷却段烧结矿温度,还原性气体组成等对预还原烧结矿金属化率、筛分粒度分布的影响,并探究了不同预还原焙烧制度下的烧结矿在富氢冶炼条件下的冶金行为。结果表明预还原烧结矿金属化率,大粒级占比率随烧结矿温度升高而增加。当烧结矿温度为950℃,还原气体为H2和CO混合气时,预还原烧结矿金属化率最高为35.5%。烧结矿温度低于750℃时,H2和CO析碳反应的发生使得预还原烧结矿大粒级占比率显著降低。基于焙烧制度对预还原烧结矿冶金性能影响研究可知,与传统烧结矿相比,预还原烧结矿的低温还原粉化指数、还原指数和软熔性能均有改善,料柱透气性提高,有利于提高高炉生产效率。综合考虑烧结矿温度和还原气体组成对预还原烧结矿金属化率、粒度分布和冶金性能的影响,当烧结矿温度高于750℃,还原气体为H2和CO混合气时,预还原烧结矿质量较好。新工艺可将烧结矿显热利用,烧结烟气循环及脱硝有机结合形成一套完整的工艺流程,具有良好的发展前景。此外,基于实验过程发现富氢烧结工艺具有料层还原性增强,高温段延长,料层透气性提高等特点,为基于烧结工艺进行磷的还原和脱除提供有利条件。若能通过调整烧结配料和操作制度,使得磷灰石还原生成磷气体随烧结废气一起排出,从而形成富氢烧结气化脱磷耦合烧结显热生产预还原烧结矿新方法,这将对我国储量丰富的高磷铁矿的利用具有重要意义。本文初步研究富氢烧结工艺条件下磷的气化行为,结果表明富氢气氛下,还原温度为1100℃,还原时间为60min时,脱磷率最高为29.51%。烧结返矿的高效利用是实现降本增效,节能减排的重要举措,本文提出绿色高效利用烧结矿返矿生产复合球团的新方法。通过对烧结返矿分流制粒,以大颗粒的烧结返矿为核心,配加铁精矿生产复合球团,在球团焙烧过程实现部分烧结返矿的循环利用。通过实验研究了焙烧制度对复合球团固结和冶金性能的影响,以分析高炉入炉冶炼的可行性。结果表明对于复合球团包覆精矿通过正常的Fe2O3重结晶而固结,而在核心返矿表面附近,低熔点液相熔化并同化了邻近的精矿,然后随着温度降低液相冷凝固结。相比于传统球团,复合球团受内外双层结构间差异和元素迁移影响,抗压强度和膨胀性能有所降低,但还原性能显著提升。复合球团核心返矿和外层矿粉紧密接触,高温下快速发生交互作用,微观结构和渣相组成改变,炉料软熔性能提升。此外,与烧结矿相比,复合球团还原粉化性指数显著提高,复合球团代替部分烧结矿可以改善高炉上部透气性。配加复合球团有助于高炉发展间接还原,降低燃料比,提高生产效率。基于焙烧制度对复合球团固结和冶金性能影响分析,选择焙烧温度为1250℃,焙烧时间为30min,可在不改变传统球团工艺基础上进行复合球团的生产,满足高炉对入炉原料的要求。生产实践证明使用焦丁是缓解日益紧张的焦炭供应关系和实现低还原剂炼铁的重要措施。高炉富氢对焦炭强度较高的要求,造成筛分过程焦丁数量增加。富氢比例增加对炉料的反应行为和料柱性状产生影响,因此掌握富氢条件卜焦丁与矿石混装对炉内还原和软熔行为的影响规律,对高效利用焦丁,改善高炉冶炼操作,实现低碳冶炼具有重要意义。通过实验初步探究了高炉富氢冶炼过程中焦丁和烧结矿混装对还原和软熔行为的影响,结果表明富氢冶炼过程中焦丁和烧结矿紧密接触,加快碳素溶解和水煤气反应速率提高,生成大量的CO和H2,混合气还原势提高,促进烧结矿还原。焦丁消耗防止常规焦炭在块状带的损失,使其在到达高炉下部时仍保持较好的质量。焦丁和富氢比例增加,炉料软熔性能提升,软熔带变窄且位置下移使得高炉上部间接还原区间扩大,有利于强化高炉冶炼,节约焦炭。料层透气阻力减小,有利于高炉内良好的煤气流分布,提高煤气利用率。通过淬火实验研究了软熔过程焦-铁-渣的界面特征,结果表明软熔过程焦丁被严重石墨化,焦丁与金属铁相之间存在渣层,炉渣能迅速与分布在焦炭表面的灰熔合,以将其溶解从而提高渗碳反应速率,改善炉料的滴落行为。此外,通过对软熔焦炭行为研究可知,焦炭受气化和渣铁侵蚀等影响气孔率增加,化学键被破坏,石墨化程度增加,反应性提高。基于以上研究多层次阐明了焦丁在富氢高炉冶炼过程中的结构演变规律及作用机制,完善了焦丁在高炉内的行为理论。合理的炉料结构直接影响着高炉的稳定顺行和燃料消耗,关系着铁水产质量的提高,是实现高炉良好冶炼指标的基础。炉料的软熔性能决定着高炉高温区域内部形状以及气体的分布和透气性,是影响高炉稳定顺行的关键因素。本文在掌握单一炉料冶金性能的基础上,研究在传统炉料结构基础上配加预还原烧结矿,复合球团,焦丁等对混合炉料结构软熔特性的影响,以及典型炉料间交互作用行为。研究结果表明炉料结构改变,不同炉料间发生交互作用造成微观结构和渣相组成变化,导致软熔性能改变。预还原烧结矿与传统烧结矿相比具有较高的FeO含量,与球团交互作用增强促进了铁橄榄石等低熔点物相的产生,使得料柱的透气降低。增加复合球团代替传统烧结矿和球团矿,软熔性能先升高后降低,当配加20%复合球团时效果最佳。基于不同配料结构对软熔性能影响的研究结果,通过典型炉料间的高温交互作用研究优化料柱结构搭配。在传统炉料结构基础上配加适量预还原烧结矿、复合球团和焦丁,形成预还原烧结矿+复合球团+球团+块矿+焦丁的新型炉料结构,软熔透气性显著提升。透气性能提升可归纳为四个方面:（1）炉料软熔行为互不相同,形成“矿石窗口”作用;（2）炉料间的交互作用改善成渣行为;（3）焦丁改变铁氧化物还原进程,灰分与脉石相的熔合影响渣相组成;（4）含铁炉料还原性能提升,高温下呈现非致密且透气性良好的薄壳状,利于气流流通。