铁矿石烧结是一个依靠液相产生使矿石颗粒粘结形成具有一定冶金性能的人造块矿的高温物理化学过程,烧结原料依次经历了固相反应、液相生成、固液溶解及冷却结晶。同化过程,即铁矿石与石灰反应形成液相并粘结固相的过程,是铁矿石烧结的核心步骤,对烧结矿质量有决定性影响。本文从烧结机理出发,对涉及到的物理化学过程建模,开发了适用于颗粒间的固固反应模型、颗粒溶解模型及铁矿石烧结同化模型。论文提出了初始铁酸钙的概念,研究了初始铁酸钙与二氧化钛的固相反应行为,同时对铁矿石烧结全过程进行数字解析。论文旨在为复杂原料条件下的烧结过程提供理论依据,主要研究内容及结论如下:①颗粒间固固反应模型构建。考虑反应物颗粒形状、颗粒粒径分布及反应物组分扩散速率,通过数学推导,构建了基于计算反应界面面积的颗粒固固反应动力学模型,据此预测颗粒固固反应过程。模型中颗粒形状分为初级形状和次级形状,颗粒的比表面积随着粒径的减小而增加。颗粒固固反应过程分为三个阶段:1)接触面快速反应阶段,2)产物沿接触面水平方向发展阶段和3)反应物扩散阶段。模型中引入了颗粒表面利用系数a*来表示颗粒表面对反应界面的贡献率,模型中包含颗粒粒径分布函数f（r）,颗粒形状函数S（r）以及组分扩散函数C（x）,得到反应动力学方程:m=xC/xBMCβa*∫0+∞∫0+∞ C（x）S（r）f（r）drdx。采用大量已报道的实验数据对该模型进行验证,结果表明该模型对颗粒固固反应具有良好的预测效果。②颗粒在液相中溶解模型构建。颗粒的溶解过程存在溶解反应控制、扩散控制、溶解反应和扩散共同控制三种情况。基于稳态过程导出了溶解总速率方程,溶解速率可以表示为溶解驱动力与各步骤阻力之和的比值。对于扩散控制的颗粒溶解过程,考虑到固相颗粒粒径、初始液相量、组分在液相中扩散等因素,构建了扩散控制的颗粒溶解动力学模型,同时探究了影响溶解速率的因素。对于球形颗粒的溶解,理论上液相体积分数存在最小值φliq（min）=8.37%。随着溶解过程的进行,液相中溶质的平均浓度随时间不断增加且增加速率逐渐降低,颗粒的归一化直径随溶解时间先快速减小而后缓慢减小。③基于烧结过程中固相反应、液相生成和冷却结晶过程,构建了铁矿石烧结同化模型。采用线性方程及多项式方程分别对烧结过程中固相反应阶段和液相生成阶段的温度变化进行建模。烧结固相反应模型以前述颗粒固固反应模型为基础,并在此基础上开发了适用于多元颗粒固相反应接触面面积的计算方法,即两种颗粒间的相互接触面面积通过两种颗粒的接触概率计算得到。基于前述颗粒溶解模型构建了烧结液相生成模型,同时提出了烧结液相冷却结晶过程中的物相转变方程,据此计算烧结液相冷却结晶过程的物相分配关系。对于计算烧结液相流动性,提出了一种通过两步拟合的方法来计算铁酸钙渣系粘度,该方法对于预测铁酸钙渣粘度有良好的预测效果。铁矿石烧结同化模型能够对烧结过程中固相反应、液相生成溶解和最终烧结矿物相组成等进行全过程计算与预测。④提出了初始铁酸钙的概念,即在烧结过程中依靠固相反应形成的铁酸钙。烧结矿中初始铁酸钙的含量在7%至12%之间,初始铁酸钙含量随着烧结温度的增加而增加,随矿粉粒度增加而降低。采用扩散偶实验及原位XRD研究了不同温度及不同反应时间下铁酸钙与二氧化钛固相反应行为,探究了反应机理、反应界面微观结构及其形成机理。铁酸钙与二氧化钛固相反应的起始温度为1123K,在固相反应过程中TiO2不会与Fe2O3结合生成Fe2TiO5。反应后界面形成三层微观结构,靠近TiO2侧的层Ⅰ由致密的CaTiO3和TiO2组成;层Ⅱ由CaTiO3,CaFe2O4,Ca2Fe2O5,Fe2O3 组成,层 Ⅲ由 CaTiO3,CaFe2O4,CaFe4O7 和 Fe2O3 组成。层 Ⅰ 和层Ⅱ的分界处有裂隙形成且层Ⅱ中形成大量Kirkendall孔隙。反应过程中Ca2+和空位在CaTiO3层中的扩散是该反应的限制性环节。⑤铁矿石烧结全过程数字解析。依据前述构建的铁矿石烧结同化模型,采用某厂烧结原料数据进行模拟计算研究。探究不同原料成分、不同原料平均粒度及不同温度对烧结过程中初始铁酸钙生成量、液相量变化规律、液相成分、液相性质及烧结矿物相组成的影响。模型计算得到烧结液相的成分约为:～80%的Fe2O3,～11%CaO,～5%SiO2,～2%Al2O3和～1%MgO。烧结液相流动性主要与烧结温度有关,原料成分及原料粒度分布对液相流动性影响较小。在液相烧结阶段,液相量随着时间刚开始快速增加随后缓慢增加。烧结矿物相组成约为:～40%再生赤铁矿,～40%复合铁酸钙（SFCA）,～4%硅酸二钙（C2S）,～16%未熔赤铁矿及～1%未熔其他脉石成分组成。烧结液相量随着烧结温度增加而增加,随着初始铁酸钙含量增加而增加。随着烧结温度增加,液相中Al2O3,MgO,Fe2O3含量增加,CaO和SiO2含量减少。随着烧结温度增加,烧结矿中C2S含量增加,SFCA含量增加,再生赤铁矿含量增加,未熔赤铁矿含量减少。烧结矿中初始铁酸钙含量随着原料碱度增加而增加,烧结液相量随碱度先增加后略微降低。烧结液相中CaO含量随碱度增加而增加,液相中SiO2含量随碱度增加而降低,液相中其余含量如Fe2O3,Al2O3等变化不大。随着碱度增加,烧结矿中C2S、未熔赤铁矿和再生赤铁矿含量下降,SFCA含量增加。原料粒度对烧结同化过程有显著影响,当最高烧结温度为1350℃,当原料平均粒度由70μm降低至35μm时,初始铁酸钙含量从7.2%增加到14.5%,液相量从81.1%增加到89.2%,同时烧结矿中复合铁酸钙含量从37.2%增加到41.5%。