钛铁矿火法冶炼制备钛渣是实现钛资源高效利用的重要途径之一。与钛铁矿“一步法”电炉碳还原熔炼相比，“两步法”流化床预还原-电炉熔炼由于采用了流化床预还原处理，具有产物杂质少、能耗低、碳排放少等显著优势，对实现钛铁矿、钒钛磁铁矿等复杂铁矿中钛资源的高效利用具有重要意义。然而，钛铁矿在高温下气基流态化还原中颗粒表面析出的粘性铁极易引发粘结聚团，导致失流。同时，由于钛铁矿还原的热力学要求较高，产物结构致密，导致还原速率缓慢。这些因素严重限制了钛铁矿流态化还原的发展。预氧化处理是强化钛铁矿还原的有效途径，传统理论认为预氧化使钛铁矿的物相组成和微观组织结构发生了转变，产生了赤铁矿和铁假板钛矿易还原物相，改善了还原热力学条件。课题组前期展开了钛铁矿氧化-还原-盐酸浸出制备人造金红石的研究，发现预氧化处理能使颗粒在还原阶段产生气孔，有效促进还原。然而，该研究旨在通过预氧化使颗粒内部形成网状金红石结构，防止颗粒在盐酸浸出中发生粉化，未对气孔强化钛铁矿还原的机理进行深入研究，而且对钛铁矿还原过程中铁、钛元素在迁移及物相转变规律尚不明确。此外，钛铁矿在高温流态化还原过程中会发生粘结失流，严重阻碍了其工业化进程。针对以上问题，本文提出了通过调控钛铁矿还原过程的物相转变途径、内部气孔结构和表面铁析出行为，避免粘结失流，强化流态化还原的新思路。首先研究了钛铁矿的氧化行为及其在还原过程中的物相变化规律，揭示了物相转化途径对还原的促进机理；接着，研究了预氧化处理对钛铁矿还原过程中气孔形成行为的影响规律，建立了可以预测气孔形成的理论模型，揭示了孔结构强化预氧化钛铁矿还原的机理；进一步地，基于表面新生成粘性铁包覆率和颗粒球形度，修正了力平衡模型，准确预测了钛铁矿流态化还原中的失流行为，揭示了预氧化防止钛铁矿还原的失流机制。取得的创新性成果如下：(1) 阐明了钛铁矿氧化还原过程中的物相转变规律，揭示了关键物相结构对还原的促进机制。结果表明，预氧化处理可促进钛铁矿还原，并且高温预氧化 (≥ 850 °C) 的促进效果显著强于低温预氧化 ( < 800 °C)。低温预氧化形成了赤铁矿和网状金红石的二元相结构，该二元相结构在700 °C下可部分以磁铁矿被还原，而在850 °C下可部分以钛铁晶石被还原，均“绕开”了钛铁矿直接还原为金属铁这一难还原路径，降低了还原热力学要求，从而促进了还原。与钛铁矿低温预氧化的产物相比，高温预氧化产物在还原时能更快发生化合，重新生成钛铁矿物相，并且其体积收缩比 (13.76%) 显著高于低温预氧化产物的体积收缩比 (7.05%)，快速的化合及显著的体积收缩比使钛铁矿高温预氧化产物在还原时颗粒内部由于应力形成气孔结构产物的比表面积更大，还原速率更快。(2) 对比了钛铁矿原矿和预氧化钛铁矿在还原中的气孔形成行为，建立了可以预测预氧化钛铁矿还原中气孔形成的理论模型。结果表明，钛铁矿原矿还原中颗粒内部保持原矿的致密结构，而预氧化钛铁矿在Fe3+还原为Fe2+期间，还原速率与扩散速率的竞争关系会导致气孔的生成。当还原速率与扩散速率的比值大于33.2 mol/m4时，预氧化钛铁矿还原过程中将产生气孔，气孔增加了颗粒比表面积，显著提高了还原速率。(3) 基于铁包覆率和颗粒球形度，修正了力平衡模型，准确预测了钛铁矿流态化还原中的失流行为。钛铁矿还原中在颗粒表面析出的粘性铁包覆率逐渐增加，至临界包覆率时粘结力和颗粒碰撞力相等，发生失流。在力平衡模型中首次考虑了铁包覆率和颗粒球形度两个重要参数，通过粘结力/碰撞力比值准确预测出钛铁矿还原发生失流的行为。预氧化处理防止钛铁矿在还原中发生失流的机理在于，在Fe3+还原为Fe2+期间铁元素向颗粒内部迁移至金红石位点而化合为稳定的钛铁矿，避免了粘性“群岛”状铁的形成。(4) 基于以上对钛铁矿在氢气氛围中还原物相、气孔、铁析出形貌的研究规律，提出了以甲烷为反应气的钛铁矿两段流态化还原新工艺。在预还原阶段，以甲烷裂解和还原产生的含氢尾气还原预氧化钛铁矿，产生含有少量金属铁的带有气孔结构钛铁矿。在终还原阶段，以金属铁产物催化甲烷裂解产生氢气，氢气产物原位还原带有气孔结构的钛铁矿，可以流态化高效还原钛铁矿至工业上电炉熔分所需75%左右的金属化率的指标。