直接还原炼铁属于非高炉炼铁，有着很多潜在的优势，近年来受到越来越多的重视。但直接还原过程温度低，动力学条件不好，海绵铁产量受到严重影响。因此，本文按照某隧道窑尺寸，根据相似原理确定了实验室反应罐模型和一维数学模型，从实验和数值模拟的角度对反应罐还原铁精矿过程进行了深入研究。实验部分，用箱式电阻炉以6℃/min将物料从室温升至1100℃，保温2小时后快速水冷制得海绵铁样品。实验发现沿半径方向存在明显的温度差异，且随着反应进行呈低-高-低趋势；对样品进行的XRD和化学成分分析表明，温度场的存在导致还原反应速率的波动，还原度（R%）呈现类似“V”字变化；同时，我们还发现还原过程中沿径向有膨胀现象。通过SEM图像观察到了铁矿颗粒表面孔隙的明显变化和铁的晶须生长过程，并从晶体学和传热学角度对膨胀现象进行了合理的解释。数值模拟部分，建立了柱坐标系一维数学模型，通过控制容积平衡法对方程进行了离散，用MATLAB软件对还原过程进行了数值模拟。结果表明：半焦颗粒的导热性能对反应罐中温度场影响较大；沿半径方向，还原度呈现“U”字型变化，“U”字型越宽表示铁矿层中心还原度越低，海绵铁中心深色区域越宽；只有靠近热源处的半焦颗粒发生了气化反应，此处温度曲线下降导致与邻近温度曲线相交，与实验数据相吻合。最后，利用本模型对反应罐还原过程的限制性环节和工艺参数进行了预测。对不同的还原剂和坩埚材质进行了数值实验，结果表明选择高导热系数的还原剂和坩埚对还原过程有利，当然还得考虑还原剂的挥发分、固定碳含量，以及坩埚的使用寿命等因素。