近年来,钢铁行业在“双碳”战略的指引下,氢冶金成为当前的研究热点,如高炉富氢冶炼工艺。而熔剂性球团矿具有冶金性能优良、生产过程污染物排放较低等优点,提高高炉炉料中球团的比例可以实现源头减排。因此,基于高炉富氢冶炼技术明晰熔剂性球团矿的还原行为有利于加快高炉富氢炼铁技术的发展。本文开展的高炉富氢条件下熔剂性球团矿的还原行为研究,基于前人研究的基础上利用实验验证结合第一性原理模拟,从宏观性能、反应界面、分子原子多尺度研究富氢条件下球团矿的还原行为,力争为富氢高炉炼铁技术的发展提供理论基础。主要研究内容和结论如下:模拟传统高炉和富氢高炉各温度段条件下熔剂性球团矿的还原实验结果表明,在800℃富氢气氛下熔剂性球团会产生“还原停滞”现象,这是由于球团外部形成的金属铁层阻碍了还原气体通过产物层扩散,抑制了浮氏体的进一步还原。900℃时熔剂性球团矿在两种还原气氛下的最终还原度差值最大,达到23.9%。表面形貌观察可知,900℃时富氢气氛下球团矿表面形成的多孔网状金属铁有利于还原气体向球团内部传输,提高了最终还原度。建立富氢还原熔剂性球团矿的多步反应动力学模型,结果表明在反应初期球团矿的还原由一级反应控制,而当还原温度较高（1000～1100℃）时还原由扩散控制,反应后期还原受成核模型控制。基于工业CT扫描结果并引入分形理论,计算对比球团矿在两种气氛还原后的体积分形维数,发现球团矿在富氢条件下形成的孔隙结构更加均匀,覆盖度更广泛,还原后球团矿的孔隙球棍模型和流速模型也呈现相同的结果,说明富氢还原形成的三维孔隙结构有利于还原气体在球团矿内部的扩散,从而提高球团矿的还原度。对三种典型熔剂性球团矿的还原行为进行较为系统地研究,探究Fe2O3与MgFe2O4、CaFe2O4、Fe2SiO4在还原过程中的相互作用。纯磁铁矿球团反应至FeO→Fe阶段还原速率明显降低,金属铁总是沿浮氏体边缘成核,表明还原气体是在浮氏体表面夺取氧并建立铁的成核位点,其内部的氧不断迁移至表面与还原气体接触生成更多的金属铁。添加MgO或CaO有助于提高球团矿的还原速率,SiO2含量对球团矿还原过程的影响与碱度有关,还原度随着碱度的增加而增加。镁质熔剂性球团矿在还原过程中产生的裂纹总是沿着Fe2O3-MgFe2O4的边界形成,这为还原气体提供了反应通道,而金属铁相的形核和生长是沿着矿物颗粒的内边界进行,这有利于加快反应进程但会导致颗粒外部的粉化现象。碱性球团还原过程中在CaFe2O4内部生成少量金属铁,说明CaO的加入可以提供更多金属铁相的生长位点。SiO2的加入会抑制球团矿的还原,而低硅碱性球团在反应后期还原速率明显提高,是由于贯通性裂口导致球团矿的核心部位完全裸露,为还原气体提供了大量内部反应界面。基于第一性原理密度泛函理论,模拟研究CO和H2在铁氧化物表面的吸附还原机理。结果表明随着表面还原程度的提高,表面晶格氧逐渐失去,还原表面呈现局部铁原子的团聚现象,这解释了实验过程中由于形成致密铁层而导致的“还原停滞”现象。CO在Fe2O3完整表面的吸附能小于Fe2O2.67、Fe2O1.5和Fe2O0.75表面的吸附能,说明随着还原度的增加促进了 CO吸附。而CO在Fe2O2表面的吸附能最低,说明Fe2O2表面抑制了 CO吸附。通过计算可知CO在铁氧化物表面吸附时形成共价键,C-O键不易解离,不利于还原反应的发生。而H2的吸附是与表面Fe原子杂化形成两个H-Fe键,促进下一步的解离过程,这从机理解释了实验过程中富氢有助于提高球团矿的还原度。CO、H2在Fe2O3完整表面的吸附是相互竞争,而在Fe2O3还原表面的吸附是相互促进的,预吸附H2的Fe2O3表面能够强化CO的吸附。采用第一性原理密度泛函理论模拟研究了CO和H2分子在MgFe2O4、CaFe2O4和Fe2SiO4表面的吸附机理。结果表明三种模型的总能量按照由低到高排序为 Fe2SiO4（001）、MgFe2O4（001）、CaFe2O4（001）,而体系的能量越低其键能越牢固,要破坏它就需要较多的能量,这从机理角度解释了高硅不利于提高球团矿的还原。CO和H2在三种表面的最稳定吸附位均为Fe top位,CO分子以C端向下垂直吸附,H2分子以平行的方式吸附。CO和H2分子在Fe-O bridge位的吸附作用弱于Mg-O bridge位,强于Ca-O bridge位。共吸附时CO会先于H2吸附在三种表面的Fe top位,H2预吸附在三种表面能够促进CO分子的继续吸附。