炉顶煤气循环的氧气高炉(TGR-OBF)工艺作为一种富有前景的炼铁新工艺,具有生产率高、喷煤比高、燃料比低和CO2排放量低等优势。但是采用高富氧大喷煤以及炉顶煤气循环操作后,一方面由于缺乏新工艺的非稳态数学模型做指导,整体工艺的复杂性增加了现场操作的难度,恶化了生产指标；另一方面,缺乏对于“高炉—热风炉—顶气循环”整体系统的合理布局和优化配置,这也对生产造成一定程度的盲目性和不可预知性。经过文献调研还发现,在氧气高炉的诸多工艺模型计算中所采用的热力学数据大都不能满足铁氧化物还原反应优势区图的热力学限制性条件,给工艺平衡计算造成不确定影响,且近年来对于铁氧化物逐级还原机理的争议常见诸国内外学术期刊,这动摇了氧气高炉动力学模拟所依赖的理论基础。本文通过约束性拟合和差热实验验证给出了精确的优势区图曲线及其热力学数据。考虑时间、气氛和压力等因素,根据多界面未反应核模型对氧气高炉炉身限制性环节进行数学模拟,得出了炉身间接还原度与炉腹还原性气体的含量近似呈线性关系的结论。以氧气高炉、热风炉和炉顶CO2脱除所组成的系统为研究对象,考虑限制性环节的动力学约束、炉身气体燃烧的化学平衡和气体物理性质的自洽性,建立了氧气高炉非稳态和多目标优化的数学模型。举例阐述了TGR-OBF工艺非稳态运行中各种工艺参数的变化以及技术经济指标的变化。通过对氧气高炉炼铁的基础理论以及TGR-OBF工艺的非稳态解析和多目标优化,最终获得以下主要结论：(1)CO和H2还原铁氧化物的三相点温度均为576℃,CO和H2还原能力大小的转换温度点为819℃：确定了铁氧化物被CO和H2还原的吉布斯自由能随温度变化的16个经验公式和8个298K时的反应焓变；赤铁矿还原反应机理是依赖于温度的变化而变化,在较低温度时发生两步反应,在较高温度时发生三步反应,等温过程中的机理转换临界点为576℃,非等温过程浮士体出现与否的转化温度并非576℃,这是由于升温速率的改变而发生不同程度的延迟效果；通过理论计算和实验研究阐明了非化学计量比对铁氧化物还原的热力学和动力学的影响。(2)开发出了“多界面未反应核数学模拟”软件平台,根据单界面未反应核数学模拟,当氧气高炉的冶炼强度与基准期普通热风高炉相同时,对应于鼓风含氧率为22.2%、40%、60%、80%和100%的不同操作工艺,炉身间接还原度分别为0.53、0.64、0.68、0.73和0.81,当调整下料速度使氧气高炉与普通高炉具有相同的间接还原度时,富氧率越高所需还原时间越短,相对应的不同氧气高炉的利用系数分别为2.00t·d-1·m-3、 2.83t·d-1·m-3、26 t·d-1·m-3、3.84t·d-1·m-3和5.02 t.d-1·m-3。(3)开发出了"TGR-OBF工艺的非稳态解析与多目标优化”软件平台,根据对传统热风高炉的计算结果,该工艺焦比337kg/t,煤比198kg/t,碳素消耗425kg/t,干燃料比为523kg/t,第一种热损失4.10%,热空区温度为980℃,理论燃烧温度2032℃,两种能量消耗分别为519kgce/t和377kgce/t,两种(?)消耗分别为15.63GJ/t和11.96GJ/t,系统的(?)效率为77%。(4)采用三维系统优化方法明确了TGR-OBF工艺中6个操作参数对全系统碳素消耗和第一(?)耗指标的影响。以鼓风温度和含氧率为自变量时碳素消耗的变化为例,其三维函数关系为非线性的,碳素消耗降低的方向为围绕原点的弧形辐射状。固定鼓风含氧率时,鼓风温度越高,则碳素消耗越低；固定鼓风温度时,随着鼓风含氧率的增加碳素消耗非线性地先增后减。“富氧率—鼓风温度—第一(?)耗”三维系统的轮廓与碳素消耗作目标函数时相似,第一炯耗的最低点出现在高鼓风温度和高富氧条件下。(5)优选出的TGR-OBF工艺最低碳素消耗可至289kg/t,低于普通高炉的理论最低碳素消耗水平。综合考虑的TGR-OBF工艺焦比150kg/t,煤比237kg/t,碳素消耗为300kg/t,比普通热风高炉降低125kg/t,两种(?)耗指标分别为12.34 GJ/t和11.96 GJ/t,第一炯耗低于普通高炉3.29GJ/t,第二(?)耗与普通高炉的数据持平。该工艺既可降低碳素消耗,又能抵消顶气脱除CO2的(?)耗,系统的(?)效率为85%。此外,由于大量的CO气体在炉内循环以及炉顶C02脱除装置的有效运转,工艺的C02排放量仅为71 m3/t,较之传统热风高炉CO2减排约90%,节约焦炭而降低的污染物排放也很可观。