高粘聚丙烯酰胺（HPAM）在矿粉球团成型中的孔隙调控与传热效率优化，是通过分子链行为、颗粒相互作用及高温分解特性共同实现的。其核心机制在于通过吸附桥联调控

颗粒堆积结构、分解产物诱导孔隙形成及孔隙网络优化热传递路径，zui终提高球团在焙烧和冶炼过程中的热响应性能。

一、HPAM 对矿粉球团孔隙结构的调控机制

1. 生球阶段：分子链桥联引导颗粒有序堆积

HPAM 分子链的长链结构（分子量 1500-2000 万）在水溶液中呈舒展状态，通过吸附 - 桥联作用将矿粉颗粒（尤其是细粒级 <45μm）连接成 “核 - 壳” 絮团：

紧密堆积区：粗颗粒（50-100μm）作为核心，细颗粒与 HPAM 分子链在表面形成包裹层，减少颗粒间无序堆积产生的大孔隙（>10μm），使生球孔隙率从 45% 降到 

30%-35%；

微孔生成：HPAM 分子链的溶剂化作用（水合半径约 200nm）在颗粒间隙形成纳m级水膜（厚度 5-10nm），干燥后留下均匀分布的微孔（0.1-1μm），占总孔隙的 40%-

50%，为后续焙烧孔隙演化奠定基础。

2. 焙烧阶段：分解产物诱导孔隙重构

HPAM 在 800-1200℃下逐步分解，释放 CO₂、H₂O 及低分子有ji物，产生气相造孔效应：

连通孔形成：分解气体沿分子链残留路径逸出，形成孔径 1-5μm 的连通孔，连通率达 60%-70%，显著改善球团透气性（比表面积增加 15%-20%）；

孔隙形态调控：HPAM 添加量 0.1%-0.2% 时，焙烧球团中微孔（<1μm）占比从 30% 提高到 50%，中孔（1-10μm）占比 40%，大孔（>10μm）减少到 10% 以下，形成 

“微孔主导、中孔连通” 的分级孔隙结构，既保证强度又优化传质传热。

3. 界面吸附层对孔隙的细化作用

HPAM 在颗粒界面形成的吸附层（厚度 50-100nm）通过空间位阻效应抑制颗粒过度靠近，避免形成致密无孔结构：

吸附层中的酰胺基与羧基通过氢键固定水分子，形成 “水合壳”，干燥后转化为纳m级孔隙（0.05-0.5μm），增加孔隙表面粗糙度，提高气体吸附能力；

对于赤铁矿等亲水性矿粉，HPAM 吸附层使颗粒表面 Zeta 电位从 - 30mV 升到 - 20mV，减弱静电斥力，促进颗粒有序排列，孔隙分布均匀性提高 30%。

二、孔隙结构对球团传热效率的影响机制

1. 热传导与孔隙率的负相关性

球团导热系数（λ）随孔隙率（ε）增加呈指数下降，HPAM 调控的分级孔隙通过以下方式影响热传导：

固相传导路径：紧密堆积的颗粒接触点（HPAM 桥联增强接触面积）使固相导热占比从 50% 提高到 70%，λ 从 1.2 W/(m・K) 增到 1.8 W/(m・K)（生球阶段）；

气相热阻效应：焙烧后连通孔内的气体（主要为 N₂、CO₂）导热系数仅 0.03 W/(m・K)，微孔内气体分子平均自由程小于孔径，发生 “Knudsen 扩散”，热阻进一步增大，

使焙烧球团 λ 降到 1.0-1.5 W/(m・K)，有利于减少热损失。

2. 对流传热与孔隙连通性的正相关性

在高炉或焙烧炉中，高温气体（CO、H₂、O₂）通过孔隙的对流传热是球团升温的主要方式：

连通孔网络：HPAM 诱导的高连通率（>60%）使气体流动阻力（压降 ΔP）减少 25%，对流传热系数（h）从 50 W/(m²・K) 提高到 70 W/(m²・K)，球团中xin达到目标温

度（如 1100℃）的时间缩短 15%-20%；

临界孔径效应：当孔径介于 1-5μm 时，气体流速（v）与孔径平方成正比，HPAM 调控的中孔主导结构使气体穿透深度增加 30%，避免球团表面过热而内部未达反应温度的 

“温度梯度差” 问题。

3. 热反射与孔隙表面特性

HPAM 分解残留的碳基基团（0.1%-0.3%）吸附于孔隙表面，形成纳m级碳膜（厚度 5-20nm），对红外热辐射产生散射效应：

在 1000-1200℃焙烧阶段，碳膜使球团表面 emissivity（发射率）从 0.8 降到 0.7，减少热辐射损失 5%-8%；

孔隙内壁的粗糙结构（RMS 粗糙度从 0.2μm 增到 0.5μm）增加热射线反射次数，延长热量在球团内部的滞留时间。

三、关键影响因素与协同优化策略

1. HPAM 分子参数的精准调控

分子量匹配粒度：细粒矿粉（<20μm 占比> 60%）选用分子量 1800-2000 万的 HPAM，其长链可覆盖更多颗粒表面，形成密集桥联，避免细颗粒堆积产生的 “蜂窝状” 

大孔隙；粗粒矿粉（>45μm 占比 > 50%）选用 1500-1700 万分子量，平衡桥联效率与孔隙开放度。

水解度优化电荷作用：在中性到弱碱性环境（pH 7-9），水解度 25%-35% 的 HPAM 通过适度电离（羧基占比 30%-40%），既保持分子链伸展性（避免卷曲导致孔隙堵塞

），又通过静电斥力防止颗粒过度团聚，使孔隙均匀度提高 20%。

2. 成型工艺与 HPAM 的协同

水分控制临界值：生球水分 6%-8% 时，HPAM 溶液的水合作用与颗粒毛细管力平衡，形成稳定水膜，干燥后微孔占比zui高（55%）；水分过高（>9%）导致 HPAM 分子

链过度溶胀，焙烧后大孔增加（>15%），传热效率下降。

两段式搅拌工艺：先高速（200-300rpm）分散 HPAM 溶液（30 秒），确保分子链充fen舒展；后低速（50-80rpm）混合矿粉（5 分钟），引导颗粒按 “粗核 - 细壳 - 聚

合物桥” 结构堆积，孔隙连通率提高 10%-15%。

3. 焙烧制度与孔隙演化匹配

升温速率控制：在 HPAM 分解温度区间（300-600℃）采用 5-8℃/min 低速升温，使分解气体均匀逸出，避免突发产气导致的孔隙破裂（孔径波动 ±2μm）；高温段

（>1000℃）采用 10-15℃/min 快速升温，促进铁矿物固相烧结，填充部分过度连通的中孔，平衡强度与传热。

气氛调节：在还原焙烧中通入 5%-10% H₂，HPAM 残留碳基与 H₂反应生成 CH₄，进一步扩大微孔（孔径从 0.8μm 增到 1.2μm），使还原气体扩散系数提高 20%，传热效

率与还原速率协同提高。

四、孔隙调控与传热效率的协同效应模型

HPAM 的孔隙调控与传热效率通过以下路径形成正反馈：

分子桥联→颗粒有序堆积→微孔比例增加 → 固相接触增强（热传导↑） + 气体扩散路径优化（对流传热↑）；

分解造孔→连通孔网络形成 → 气体流速加快（对流传热↑） + 热辐射损失减少（热反射效应↑）；

吸附层细化孔隙 → 表面粗糙度增加（热滞留时间↑） + 孔隙分布均匀化（温度梯度↓）。

zui终，HPAM 添加量 0.15%、分子量 1800 万、水解度 30% 的条件下，焙烧球团的传热效率（以单位时间内球团中xin升温速率衡量）可提高 25%-30%，同时抗压强度保

持在 2500N / 个以上，实现 “强度 - 孔隙 - 传热” 的多目标优化。

高粘聚丙烯酰胺通过分子链的吸附桥联、分解造孔及界面调控，在矿粉球团中构建了 “微孔主导、中孔连通、大孔受控” 的分级孔隙结构，显著优化传热效率。其核心价值

在于通过分子参数与工艺条件的协同，平衡球团强度与热响应性能，为gao效焙烧和冶炼提供支撑。未来研究可建立 “HPAM 结构 - 孔隙参数 - 传热系数” 的定量模型，推

动孔隙调控从经验优化向精准设计升级。