炼铁工序是钢铁生产中为炼钢提供原料的关键工序。21世纪钢铁企业的发展面临着地球资源与环境形势的严峻挑战。这就要求钢铁企业不仅在现有流程的基础上开发各种能源资源节约、污染排放治理过程控制等技术,而且还要研究开发新型钢铁生产流程技术,其中熔融还原可直接使用非焦煤和铁矿粉,与高炉相比具有更大的原料适应性。但是单纯煤基的熔融还原炼铁工艺仍然具有较高的单位能耗及二氧化碳排放。上海大学现代冶金与材料制备重点实验室在已有研发成果的基础上提出铁浴碳—氢复吹熔融还原工艺路线,其基本思想是在铁浴熔融还原反应中以氢为主要还原剂、以碳为主要发热剂,从而达到降低总能耗和CO2气体排放的目标。针对自主创新的铁浴碳—氢复吹熔融还原金属氧化物工艺,本文首先研究开发建立在物料—能量衡算基础上的衡算模型。该模型可根据不同的工况输入原料、产品铁水、冶炼用煤等成分参数和矿/渣比、富氧率、二次燃烧率等操作参数进行衡算,既可作为冶炼工艺参数优化的依据,同时也为氢—碳复合熔融还原反应器的动力学模拟提供基础。根据铁浴碳—氢还原反应器的动力学特性,首次提出并采用分区多流的建模思路,将整个反应区域分为五区二流,即:二次燃烧区、多相乳化液滴区、侧吹燃烧区、底吹氢气区、金属熔池区、顶部矿料流和侧吹矿/煤流,然后采用分区建模和综合集成的方法研究该新型反应器的冶金动力学特性。其中各个区域分别结合了氢气气泡分布与还原、金属液滴含碳变化与还原以及碳粒缩核还原与燃烧等模型,将发生在固、液、气多项共存混合物中的温度场和物质浓度场变化与化学反应相耦合。各个区域间的边界和初始条件主要体现在各反应区与相邻区交界处物质与能量梯度及变化的相容性。区域模型经耦合叠加后构成整体模型,再经过控制容积法离散化处理后编制软件用于数值模拟计算。本文重点结合800kg级扩大的实验室热态模拟试验用于检验模型计算结果。结果表明,模型计算验证点浓度和温度均与实测值基本吻合,其分布和变化趋势与实际情况基本相符,从而验证了模型基本可靠,为日后更大规模的工业化试验打下了坚实的理论基础。本文还采用衡算模型及动力学模型分别对设想中的万吨级试验炉进行计算分析。衡算模型计算为动力学模型计算提供了设定产能下所需加入原料量、造渣剂量、还原剂量等基本的数据参数,动力学模型可计算出二燃率、碳氢比等参数对瞬时产能、金属收得率和单位能耗等影响,同时还可对冶炼过程中的温度和浓度分布进行预测和评估,为万吨级工业化试验提供理论指导和数据支持。