大量CO2排放引起的温室效应造成环境和气候不断恶化,钢铁工业CO2排放量占全球总排放量的5%,是节能减排的主战场之一,而钢铁工业减排的首要任务是降低高炉炼铁过程的CO2排放。减少高炉入炉碳量是从根本上解决炼铁过程CO2排放问题的关键,可通过炉顶煤气循环和富氢煤气喷吹来实现,但这也意味着作为料柱“骨架”的焦炭会不断减少,高炉面临透气性恶化的挑战。软熔带作为高炉透气性的决定性因素,是伴随不同炉料之间的交互作用而形成的,但交互作用对软熔带透气性的影响规律还尚未全部明晰。本文以改善高炉软熔带透气性为目标,从不同炉料之间的交互作用入手,围绕软熔带的形成过程及性质演变开展研究,旨在为目前以及未来高炉低碳炼铁工艺提供理论基础和工艺指导。针对不同炉料间脉石相的交互作用进行了研究。设计了一种使用模拟炉料脉石相成分压片进行炉料交互作用研究的实验方法,并在原理上证明了实验方法的正确性。利用脉石相压片实验,研究了不同性质炉料脉石相之间的交互作用,并针对可能发生的交互反应进行了热力学计算。研究结果表明低碱度球团矿脉石相存在多个共晶物相熔化反应,并且固相易于溶解,使其液相率高于高碱度烧结矿脉石相,熔化温度低于烧结矿脉石相熔化温度;熔化的球团矿脉石相向烧结矿脉石相扩散,改变了烧结矿脉石相的物相组成,使其发生更多的共晶相熔化反应,产生更多的液相,使烧结矿脉石相在低于自身熔化温度时发生熔化;CaO-SiO2-FeO体系液相生成反应发生温度低,反应形式简单,能够促进传质并使固相溶解,是交互作用的基础反应。通过抑制交互作用可提高软熔过程的透气性,提高间接还原度和避免不同性质含铁炉料之间的混合能够有效抑制交互作用从而提高透气性。将MgO从烧结矿向球团矿适度转移可同时改善烧结矿和球团矿冶金性能,这已成为冶金工作者的共识,论文进一步研究了 MgO对交互作用的影响,提出了 MgO分配指数概念,并给出了其计算方法。研究结果表明随着MgO由烧结矿脉石相转移到球团矿脉石相后,改变了球团矿脉石相原有物相组成,避免了由共晶相熔化反应产生液相,造成了球团矿脉石相液相率降低。球团矿脉石相液相率的降低限制了其与烧结矿脉石相之间的传质,抑制了两者之间的交互作用。但随着MgO转移量的增加烧结矿脉石相的液相率增加,最终促进了交互作用发生。从降低液相生成和限制物质传输来抑制交互作用提高软熔带的透气性的角度出发,定义了 MgO的分配指数I(%·℃)用于评估MgO在球团矿和烧结矿中分配的优劣,I由如下方程表示:在文中给出了分配指数I的具体的计算流程与方法。通过I评价MgO在不同炉料中的分配时,I的值越小MgO分配的越合理,对软熔过程的透气性越有利。通过熔滴实验研究了不同预还原度炉料的软熔行为,结果表明,随着预还原度升高,炉料的软化温度区间增大,熔化温度区间减小并向高温区移动。选用高预还原度炉料进行实验时,炉料脉石相中的FeO含量较低,降低了脉石相的液相率,进而限制了脉石相通过熔融还原向金属铁相渗碳,使得脉石相和金属铁的软化与熔化需要更高的温度。脉石相和铁从开始软化到流动滴落的温度区间大幅度收窄,这些因素使高还原度炉料软熔过程表现出“熔化即滴落”的性质,从而显著提高炉料软熔过程中的透气性。通过熔滴实验研究了不同料层结构对炉料软熔行为的影响。结果表明,随着料层混匀程度增加,炉料的软化温度区间略有增加,熔化温度区间基本不变,料层的透气性呈现逐渐恶化的趋势。避免不同炉料之间混合的料层结构能够增加液相的传输距离从而抑制交互作用,使滴落之前的液相量降低从而提高软熔过程的透气性,这为高球比生产工艺条件下维持软熔带透气性提供了理论依据。建立了包含三个软熔层的软熔带区域模型,利用FLUENT商业软件对软熔带区域模型内的煤气流动状态进行了模拟研究。结果表明当焦比不变时,随着还原度的提高,软熔带区域模型进出口平均压降减小;当焦比降低幅度与还原度增加幅度不相符时会造成透气性恶化;无论传统高炉还是氧气高炉,焦炭层都是煤气的主要通道;当炉料混匀度由0%升高至100%时,软熔带区域模型进出口平均压降由184.94KPa升高到188.47KPa,焦窗对煤气流的分配比例由90.71%逐渐升高到91.78%。