钢铁产业是国民经济的重要支柱产业之一,而且在今后相当长的一段时期内,高炉-转炉流程仍是中国乃至世界钢铁产业的主导流程。据统计,2012年高炉-转炉流程粗钢产量占全球粗钢总产量的69.6%,高炉生铁产量占全球生铁产量的94%。高炉是能量消耗最大的工序,约占整个钢铁企业能耗的50%；同时,高炉又是CO2排放的主要源头,约占整个钢铁工业排放量的70%。因此,高炉是钢铁工业实现节能降耗、低碳环保乃至可持续发展的关键环节。然而,经过多年的发展,高炉节能减排已接近常规高炉炼铁操作的极限,仅仅依靠选矿、布料、高顶压以及喷煤等传统操作手段的简单改进很难进一步实现高炉冶炼的低碳和超高效率化。为了进一步降低能耗,实现低碳炼铁,炼铁工作者需要积极加强氢冶金的理论研究和实验研究,以实现富氢介质用于高炉喷吹。围绕当前国际研究热点和未来高炉的发展方向,本文对高炉喷吹焦炉煤气低碳炼铁新工艺进行了基础研究,包括：回旋区数学模型的建立、(?)分析数学模型的建立、高炉喷吹焦炉煤气操作的数学模拟、炉料热装优化焦炉煤气喷吹时效的数学模拟、炉顶煤气循环优化焦炉煤气喷吹实效的数学模拟以及喷吹焦炉煤气对综合炉料冶金性能的影响机制。首先,在保持回旋区温度、炉腹煤气流量以及铁水温度与高炉常规操作一致的前提下,利用高炉数学模型分别对各喷吹焦炉煤气新工艺进行详细的数学模拟研究；其次,在实验室条件下,利用数值模拟得到的气氛研究不同焦炉煤气喷吹量对球团矿的膨胀性能和综合炉料的熔滴性能的影响。通过研究,针对东北地区某钢企2580m3高炉,得出以下结论：(1)在高炉原有操作不变的基础上,焦炉煤气通过风口直接喷入高炉后,回旋区温度降低,炉腹煤气流量增加；为了保持良好的炉缸热状态和维持稳定的风口回旋区条件,可通过降低鼓风流量和加大富氧措施对回旋区进行热补偿；热补偿后,每增加1m3·s-1的焦炉煤气喷吹量,鼓风流量约降低94.95 m3·min-1,富氧率增加1.36%。随着焦炉煤气喷吹量的增加,高炉上部温度水平降低,还原气浓度增加,CO利用率升高,H2利用率降低,H2在间接还原中所占的比例逐渐增加,炉料还原速度加快；由于软熔带位置下降、厚度变薄以及压力损失大幅降低,高炉透气性得到改善；当焦炉煤气喷吹11.89m3·s-1时,高炉产量增幅26.36%,利用系数大幅提高；焦比、全部还原剂消耗量以及碳排放分别降幅13.5%、4.1%以及17.5%。随着焦炉煤气喷吹量的增加,高炉内部炯损失呈降低趋势,外部(?)损失呈增加趋势,总的(?)损失呈降低趋势；与未喷吹焦炉煤气操作相比,当焦炉煤气喷吹11.89 m3.s-1时,高炉的热力学完善度上升了2.42%,(?)效率提升了0.86%,炉顶煤气的化学(?)增加了366.85 MJ·t-1,应加强炉顶煤气的回收利用。(2)针对焦炉煤气喷吹后高炉上部热量供给不足的问题,提出了炉料热装优化焦炉煤气喷吹操作新工艺。为了掌握炉料热装对传统高炉各项操作指标的影响机制,首先对高温炉料单独热装进行了数学模拟研究。与常规高炉操作相比,炉料热装后,矿焦比、固体炉料流量、生铁产量均增加,焦比、燃料比和C排放不同程度降低；当球团矿和焦炭同时800℃热装(PC800)时,矿焦比、固体炉料流量以及生铁产量分别增加4.79%、7.55 kg·s-1和6.38%,焦比、燃料比以及C排放分别降低13.4、22.1和19.25 kg·t-1；热装后炉顶温度显著升高,炉中下部区域温度降低,炉墙处最明显;炉内还原气浓度降低,软熔带位置也均下移；炉顶煤气流量降低且温度增加,炉顶煤气带走的热量和吨铁能耗增加；对于PC800操作,炉顶煤气带走的热量增幅68.97%,吨铁能耗增幅6.40%；可见炉料热装对高炉能量利用是不利的。(3)在传统高炉单独热装操作研究的基础上,对炉料热装优化焦炉煤气喷吹新工艺进行了数学模拟。与常规操作和喷吹焦炉煤气操作相比,新工艺炉顶区域温度显著升高,但是炉身中部区域温度变化不大,而且炉身下部区域温度甚至降低,其中焦炉煤气12.00 m3.s-1喷吹、球团矿和焦炭同时800℃热装(COI12-PC800)时变化最显著。新工艺炉内透气性得到改善,软熔带的位置下降并变薄；炉顶区域含铁炉料的还原速度加快,炉身区域含铁炉料在到达软熔带之前还原度均不同程度提高,但是在高炉同一高度上炉身区域含铁炉料的平均还原度均有所下降。新工艺的矿焦比、固体炉料流量以及生铁产量均大幅提高,焦比、燃料比以及吨铁碳排放均有所降低,与COI12操作相比,前者分别增幅3.42%、5.75%和7.14%,后者分别降幅4.0%、5.0%和5.3%。与COI12操作相比,吨铁能耗分别增幅2.28%、7.61%和9.64%,但与高炉常规操作相比,分别降幅高达16.73%、12.40%和10.74%；因此,炉料热装优化焦炉煤气喷吹操作不仅解决了喷吹焦炉煤气时高炉上部热量不足的问题,同时解决了传统高炉热装时吨铁能耗增加的问题。(4)针对焦炉煤气喷吹后炉顶煤气中还原气利用率低的问题,提出了炉顶煤气循环优化焦炉煤气喷吹操作。与传统操作和COI12操作相比,COI12-TI、COI12-TI-SI以及COI12-TI-PC800操作软熔带位置均下移,炉身区域温度降低；与COI12-TI操作相比,COI12-TI-SI炉内温度水平有所回升,COI12-TI-PC800操作炉顶区域温度改善较显著。炉顶煤气循环优化焦炉煤气喷吹操作炉内CO和H：浓度均增加,还原气氛加强,含铁炉料还原速度加快；与COI12操作相比,COI12-TI、C0I12-TI-SI以及COI12-TI-PC800操作生铁产量分别增幅13.9%、15.8%以及16.2%；焦比分别降低4.7%、6.6%和5.7%；燃料比分别降低7.4%、9.1%和8.7%;高炉C素狰排放降低幅度分别为42.2%、50.3%以及43.5%;高炉能耗降低幅度分别为15.8%、14.8%以及3.8%；炉顶煤气中CO和H2利用率发生了不同的变化,其中CO利用率分别提高了6.95%、8.82%和4.97%,COI12-TI操作H2利用率显著降低,当炉身喷吹900℃还原气或者炉料热装时,与COI12-TI操作相比,H2利用率有所改善,其中炉料热装操作H2利用率比COI12操作增幅3.41%,可见炉身喷吹热还原气和炉料热装操作可改善高炉喷吹焦炉煤气操作的还原气利用率。(5)在实验室中考察了富氢条件下球团的膨胀以及综合炉料的熔融滴落行为。当还原气氛中CO含量不变,H2含量由2%增加到18%时,球团还原率由39.85%增加到69.58%,还原膨胀指数RSI由10.12%降低到5.57%,单纯的增加还原气氛中H2含量有利于球团还原速率的加快,且降低球团的还原膨胀率；当焦炉煤气喷吹量由0 m3·s-1增加到11.89 m3·s-1时,球团还原率由31.57%增加到36.39%,还原膨胀指数由10.71%降低到9.54%。还原气中氢气含量的增加,球团矿的膨胀率有降低的趋势。随着焦炉煤气喷吹量的增加,综合炉料软化开始温度T4降低,软化终了温度T40升高,软化温度区间变宽,变宽幅度约5.4℃/(m3·s-1)：熔化开始温度Ts明显升高,滴落温度TD略微上升,软熔带区间逐渐变窄,且位置小幅下移,每增加1 m3·s-1焦炉煤气喷吹,软熔带缩小4.62℃；熔滴性能总特征值S明显变小,综合炉料透气性明显改善。