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在全球“脱碳”及我国“碳达峰”和“碳中和”的大背景下,改变传统炼铁工序能源结构,降低二氧化碳排放量,真正实现炼铁工序低碳、绿色发展是当前钢铁行业亟待解决的问题。氢能作为一种清洁、高效、绿色的新兴战略能源,为炼铁工艺降低对碳基能源的依赖提供了新的选择。近年来,熔融还原炼铁工艺取得了长足的进步,发展氢能与熔融还原炼铁工艺结合的氢基熔融还原炼铁工艺具有现实意义。因此,本文对铁氧化物氢基熔融还原反应过程的热力学、还原反应动力学、物相演变过程及金属铁/渣分离效果进行了系统的研究。在前人研究的基础上进一步完善氢气还原熔融态铁氧化物反应行为理论体系,明晰铁氧化物氢基熔融还原的反应机理和反应历程,为真正实现氢能在熔融还原炼铁工艺中的应用提供理论依据。首先,通过FactSage热力学软件和基于最小自由能原理的Matlab拟合求解等方法对铁氧化物氢基熔融还原过程所涉及相关反应的基本热力学参数进行了计算和分析。提高PH2/PH2O可使H2还原熔融态FeO的吉布斯自由能小于零,氢气还原熔融态铁氧化物的热力学限制性环节仍为FeO的还原。不同文献中热力学数据计算结果表明,在氢气还原熔融态FeO的温度区间内,Fe-O-H平衡曲线（叉子曲线）均呈随温度升高而升高的趋势,但相比于气基直接还原工艺温度范围（900℃左右）,氢气还原熔融态FeO所需平衡分压较低,具有一定的热力学优势。其次,采用顶吹氢气熔融还原高温炉模拟氢基熔融还原炼铁工艺条件,通过氢气与含铁氧化物熔渣反应的静态模拟历程分割实验,研究了还原温度和还原气流量等环境因子对氢气熔融还原反应行为的影响。氢气还原熔融态含铁氧化物熔渣可分为高价铁氧化物快速反应、低价铁氧化物（FeO）还原和慢速反应三个阶段。本文实验条件下,温度高于金属铁熔点和氢气流量满足气体外扩散条件可显著改善纯氢气还原含铁氧化物熔渣的还原过程和渣铁分离效果。氢气还原熔融态铁氧化物过程中有近90%以上的时间发生的化学反应为H2与FeO的还原反应,因此熔融态FeO的还原为氢气还原熔融态铁氧化物的动力学限制环节之一;反应末期,由于熔体中低价铁氧化物（FeO）含量降低,内扩散过程为影响还原反应速率的另一主要限制环节。再次,通过热重实验对纯H2等温还原FeO在气-固、气-固-液、气-液等三种体系的反应过程动力学进行了研究,并通过分子动力学计算了 H2在FeO表面的吸附能。结果表明,提高还原气流量、氢气比例、还原温度等环境参数可明显提高纯H2还原FeO的还原速率。采用模型拟合法研究了纯H2还原FeO的反应机理函数,结果表明该过程最适宜的机理函数幂函数法则模型,温度为900℃、1400℃和1450℃时反应末期内扩散作用对反应速率影响较大。等转化率计算结果表明,FeO和Fe全固态时,平均活化能为5.85 kJ/mol;FeO熔融态,Fe固态时,平均活化能为9.15 kJ/mol;FeO和Fe全熔融态时,平均活化能为104.74 kJ/mol。由幂函数法则模型计算的指前因子分别为0.00223 s-1、0.00275 s-1和3.6136 s-1,表明当还原物FeO和产物Fe均为熔融态时,虽还原反应发生所需能量增大,但反应速率变快。分子动力学计算结果表明,900℃、1450℃和1560℃时H2在FeO表面的吸附能随温度升高逐渐降低,吸附难度增大,与活化能计算结果一致。然后,通过顶吹氢气还原不同渣系组成条件含铁氧化物熔渣的静态模拟实验,采用FactSage、SEM-EDS、Micro CT等分析手段研究了渣系条件对纯氢气还原含铁氧化物熔渣还原过程及渣铁分离效果的影响。调整熔渣碱度后会从优化熔渣流动性能以及抑制复杂含铁化合物相形成两方面改善氢气还原熔融铁氧化物还原过程和渣铁分离效果,氢气还原熔融态含铁氧化物熔渣反应过程的限制环节为扩散过程。Micro CT分析结果进一步表明,在本文实验条件下,还原反应首先在熔池表面（气-液接触面）发生,产物金属铁逐渐聚集形成金属铁小颗粒,随着还原反应的进行,产物金属铁相逐渐增多,金属铁逐渐向熔池内部扩散并与其他金属铁颗粒聚集成较大尺度铁颗粒。最后,采用纯试剂配制不同含量的脉石成分,并通过热重实验研究了铁矿石中典型脉石成分对纯H2还原熔融态FeO的影响规律。SiO2和Al2O3等酸性氧化物会因与FeO形成复杂化合物而降低纯H2还原熔融态FeO的反应速率,且SiO2会显著降低体系终还原度。SiO2使体系内自由O2-数量减少,阻碍了 H2与O2-的吸附,从而造成还原速率的降低。加入CaO会破坏FeO-SiO2二元体系中的复杂Si-O四面体结构,使熔体聚合度降低,体系中自由O2-数量增加,促进了还原速率和终还原度的提高。