随着经济的发展，我国已成为钢铁大国，但还不是精品钢的强国，目前我国存在进行钢铁产品结构调整、减小焦煤压力的迫切要求，煤制气—气基直接还原竖炉工艺是解决此问题的有效途径之一。在气基直接还原竖炉生产直接还原铁过程中，炉内发生复杂的物理化学变化，能否高效的生产出高质量直接还原铁，受工艺参数和设备参数共同影响。炉内存在还原气与物料换热、还原气流动、物料运动等行为，本文中统称上述行为为“炉内行为”，炉内行为与炉型等设备因素共同影响直接还原铁的生产。针对这些问题本文进行如下研究：计算达到反应平衡时的还原气需求量与满足竖炉内热量需求时的还原气量，进而分析还原气的最少需求量。以国内BL直接还原法设备参数和工艺参数为计算条件建立有限元模型，在考虑化学反应热的条件下应用流体动力学软件对竖炉内的气固传热过程进行分析。得到不同还原气量下竖炉还原段温度分布曲线和升温过程曲线。并对还原气组分、还原气温度与还原段温度分布关系进行分析，为后续研究提供了参考依据。为研究直接还原竖炉内流固耦合问题，应用流体分析软件对竖炉内流场进行了仿真模拟。模拟分析中将球团矿料层简化为多孔介质模型，通过实验测得的惯性阻力系数和粘性阻力系数作为模拟过程的一个基础参数，得到了还原气出口压强、还原气通入量和还原气通入温度对流场的影响关系。采用响应曲面分析法对工艺参数与流场之间关系进行分析，得到影响流场的主要因素。建立优化目标函数，通过遗传算法进行流场优化，得出竖炉内气流理想分布时的工艺参数。分析结果为竖炉炉型设计时参数选取提供数值参考。对竖炉内球团矿运动过程进行模拟分析，采用相互挤压碰撞离散元模型，确定物性参数，应用离散元软件对不同出料量时的料层形状进行研究，得到炉料下行速度分布图和炉料料层分布状态图，并实现直接还原竖炉炉内物料运动过程的直观可视化。确定炉料在竖炉内的运动状态有助于准确设计竖炉高度，为竖炉炉型设计提供理论支持。根据实验要求，搭建测定球团矿还原性能实验台。应用还原反应动力学理论对直接还原反应控速环节进行分析，并在不同还原温度和还原气氛条件下对首秦龙汇球团矿进行冶金性能实验，测定该种球团矿的还原性和膨胀性能。通过实验确定气基竖炉内球团的还原过程和膨胀过程，为炉型的研究提供实验数据支撑。结合实验结果和理论分析，建立一种确定竖炉还原段高度以及还原段内型曲线的方法。