随着优质铁矿资源的消耗,钢铁企业可利用铁矿原料品位逐渐降低,开发低品位、难处理资源将成为缓解铁矿资源贫化问题的重要途径。其中,高铝质铁矿在可经济利用的矿石资源中占有约30%的储量,必然会成为未来钢铁生产的重要资源。然而高铝铁矿资源在高炉中高比例利用必然会增加炉渣中Al₂O₃含量,使得高炉渣的类型由硅酸盐熔渣体系逐渐过渡到铝硅酸盐、甚至铝酸盐体系。传统硅酸盐体系炉渣高温物理化学的知识体系有可能不适用于高铝铁矿资源的应用。在这种情况下,本文以高Al₂O₃含量的CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂-TiO₂高炉渣系作为研究对象,通过实验系统研究了Al₂O₃含量对炉渣结构和高温物理化学性质（流动性、密度、表现张力、电导率和硫容量）的影响,掌握了铝硅酸盐熔渣体系成分、结构和性能之间的关系;通过熔渣空穴理论,建立了基于炉渣结构信息的粘度预测模型;结合炉渣物理化学性质的测量结果,从渣铁分离和生铁质量两方面探讨了基于铝硅酸盐高炉造渣制度的可行性,明确了高炉冶炼高铝铁矿的技术特点。论文通过分子动力学模拟分析了高铝炉渣的结构信息,掌握了铝硅酸盐高炉渣的空间离子网络结构特点,结果表明:Si-O键最稳定,Al-O键其次,Ca-O键最弱;Si⁴⁺、Al³⁺与O^2-结合形成了四面体结构,但AlO₄^5-不如SiO₄^4-四面体结构稳定;非桥氧（NBO）更倾向于与SiO₄^4-四面体连接,而Al³⁺更倾向于结合桥氧（BO）形成复杂的网络结构,AlO₄^5-四面体周围更多地被AlO₄^5-四面体而不是SiO₄^4-四面体所包围;Ca²⁺对AlO₄^5-四面体的电荷补偿能力强于Mg²⁺。结合非晶态炉渣的拉曼光谱分析发现:固定碱度,随着Al₂O₃含量的增加,可明显观察到拉曼光谱的“红移”现象,熔渣结构趋于复杂化,Al-O^-、Al-O-Si和Si（Q⁰+Q¹）结构单元的含量逐渐减小,Al-O⁰结构单元的含量逐渐增加,Si（Q²+Q³）含量先增加后有略微降低,转折点在Al₂O₃的质量分数为24%时;当用Al₂O₃等质量替代SiO₂时,随着（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）的增加,Al-O⁰和Si（Q²+Q³）结构单元的含量先降低后增加,Al-O-Si和Si（Q⁰+Q¹）结构单元的含量先增加后降低,Al-O^-结构单元的含量逐渐增加,炉渣结构在Al₂O₃与SiO₂质量比为0.92时聚合度最小。实验研究了Al₂O₃含量和Al₂O₃等质量替代SiO₂对铝硅酸盐熔渣体系高温物理化学性质的影响,结合熔渣的结构探讨了熔渣结构与性质之间的关系。结果表明:（1）碱度一定,熔渣粘度随Al₂O₃含量的增加先增大后略有降低,转折点为24 wt.%,粘滞活化能和熔化性温度随Al₂O₃含量的增加而增加;Al₂O₃等质量替代SiO₂时,随着（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）的增大炉渣粘度先减小后增大,转折点为0.92,粘滞活化能与粘度变化规律相似,与熔化性温度的变化规律相反;（2）固定碱度,随着Al₂O₃含量的增加,炉渣的密度先降低后增加,转折点在Al₂O₃含量为24 wt.%左右;（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）增加使得熔渣密度先增加后降低,转折点为0.92;（3）Al₂O₃含量和（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）的增加导致熔渣表面AlO₄^5-四面体的增多,熔渣表面金属阳离子的浓度增加,熔渣的表面张力增加;（4）电导率与粘度具有负相关性;（5）Al₂O₃含量的增加导致炉渣的硫分配比和硫容量逐渐降低;以Al₂O₃等质量替代SiO₂时,硫容量随（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）的增加而增加;（6）结合熔渣结构分析,发现粘度、密度和电导率等性质的转变点与炉渣由硅酸盐熔渣体系向铝酸盐熔渣体系转变的成分点接近,即Al与Si原子比为1.0左右时,说明熔渣的物理化学性质与熔渣的结构有着密切的关系,且Al₂O₃含量和（wt.%Al₂O₃）/（wt.%SiO₂）对炉渣物理化学性质的影响在硅酸盐熔渣体系和铝酸盐熔渣体系中不同。炉渣宏观性质与微观结构的关联性研究以粘度模型的开发为例,建立了一个基于熔渣结构的粘度预测模型,该模型能够很好地预测CaO-MgO-FeO-SiO₂-Al₂O₃熔渣及其子体系在牛顿流体范围内的粘性行为。在模型中,明确了熔渣粘度、结构、温度三者之间的关系,考虑了AlO₄^5-四面体的电荷补偿效应和不同碱金属阳离子对粘度的影响,将与未得到电荷补偿的Al³⁺键合的氧离子定义为超额桥氧（O*）,从熔渣聚合理论确定了不同氧离子存在的形式和含量。通过对已有粘度计算模型和文献中CaO-MgO-FeO-SiO₂-Al₂O₃熔渣及其子体系粘度数据的总结和分析,建立了一个有效粘度数据库并用于新建模型参数的优化。当前的模型能有效地应用于Al₂O₃-CaO-MgO-FeO-SiO₂熔渣及其子体系的粘度计算,平均相对误差为20%左右,预测效果良好。根据炉渣物理化学性质的测量结果,预测了较宽成分范围炉渣的物理化学性质,并结合高炉操作要求,从渣铁分离和生铁质量两个方面探讨了基于铝酸盐造渣制度的可行性,在铝硅酸盐熔渣体系中找到了一个适合的炉渣成分区间:（38⁴2wt.%）CaO-（26³0 wt.%）Al₂O₃-（20²5 wt.%）SiO₂-9 wt.%MgO。该区域熔渣的物理化学性质不影响渣铁分离、提高了脱硫能力,满足高炉操作要求。综上所述,本文对高铝高炉渣的结构和物理化学性质进行了系统研究,创新性地提出了基于铝酸盐的高炉造渣制度,将为未来高炉大规模使用高铝铁矿原料提供科学依据和理论指导。