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氧气高炉是低碳炼铁技术未来的发展方向之一，前人提出过许多不同的氧气高炉流程，也建立了许多数学模型。但是以往的氧气高炉数学模型大多沿用了传统热化学平衡模型的计算方法，只满足了全炉热平衡，没有综合考虑高炉上下区域的热平衡和各煤气量之间的平衡，计算得到的结果有一定的局限性。 本文以物料平衡和能量平衡为基础，根据整体及各区域的物理化学约束条件建立了氧气高炉工艺综合数学模型。通过模型的计算结果对能量在不同区域的利用情况进行了分析，同时研究了炉顶煤气氧化度、循环煤气量和炉身、炉缸循环煤气量分配比等操作条件对焦比、煤比、直接还原度、理论燃烧温度和煤气量及成分的影响。另外，本文还对传统高炉内煤气的停留时间分布进行了研究，为将来氧气高炉内煤气停留时间分布的研究做了铺垫。通过以上工作，得到了如下主要结论: (1)氧气高炉无煤气循环流程的一次能耗很高，燃料比在600kg/tHM以上，并且无法实现高温区和固体炉料区之间的能量匹配。炉顶煤气循环后，可以实现能量在高温区和固体炉料区的同时平衡。 (2)在同时满足全炉热平衡和区域热平衡的条件下，氧气高炉炉身喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度过高，而炉缸喷吹循环煤气流程的理论燃烧温度偏低。 (3)对于氧气高炉炉身、炉缸同时喷吹循环煤气流程，当循环煤气量为550Nm3/tHM，炉身、炉缸循环煤气量分配比为1∶1时，随着炉顶煤气氧化度由0.41升高到0.46，焦比从260.9kg/tHM降低到230.6kg/tHM，煤比从240kg/tHM降低到215kg/tHM，直接还原度从0.136降低到0.071，理论燃烧温度在2100～2200℃之间。当炉顶煤气氧化度为0.42，炉身、炉缸循环煤气量分配比为1∶1时，随着循环煤气量由450Nm3/tHM增大到700Nm3/tHM时，焦比从214.5kg/tHM升高到314.4kg/tHM，煤比从310kg/tHM降低到120kg/tHM，直接还原度基本维持在0.123左右，理论燃烧温度仍然在2100～2200℃之间。当循环煤气量为550Nm3/tHM，直接还原度为0.123时，随着炉缸循环煤气的比例由20％提高到80％，焦比从220.7kg/tHM升高到286.1kg/tHM，煤比为235kg/tHM不变，理论燃烧温度从2419℃降低到1970℃。 (4)当炉顶煤气几乎全部循环利用，并且大部分从炉身循环时，得到了一种低燃料比氧气高炉流程。该流程的煤比为150kg/tHM，焦比为259.1kg/tHM，碳素消耗为335.9kg/tHM。 (5)氧气高炉煤气循环流程各煤气量之间要匹配合理，有时即使计算得到的燃料比很低，但流程的输出煤气量已经变成了负值，这不符合生产实际。 (6)煤气循环氧气高炉的炉顶煤气热值是传统高炉的两倍以上，但是输出煤气量要比传统高炉的少得多。 (7)2100m3传统高炉内煤气的流动接近活塞流，当风口速度由200m/s增大到307m/s时，煤气平均停留时间从9.46s降低到6.74s，死区比例从4.86％增大到18.02％。