高粘聚丙烯酰胺（HPAM）在矿粉球团抗热裂性能的研究中，其核心作用机制在于通过分子链行为、孔隙结构调控及高温分解特性，实现对热应力的有效分散与裂纹扩展的抑

制。

一、矿粉球团热裂形成的本质

热裂是球团在高温焙烧或冶炼过程中，因温度梯度应力、相变应力及孔隙气体膨胀应力超过界面结合强度而产生的破坏性缺陷。其形成过程可分为三个阶段：

应力集中阶段：球团表面与内部温差导致热膨胀不均，产生拉应力；

微裂纹萌生阶段：在颗粒界面或孔隙边缘形成初始裂纹（长度 < 100μm）；

裂纹扩展阶段：裂纹沿薄弱面（如晶界、孔隙）快速扩展，形成宏观裂纹（宽度 > 50μm）。

二、HPAM 抗热裂的核心作用机制

1. 分级孔隙结构的应力缓冲效应

HPAM 通过吸附桥联和分解造孔构建 “微孔 - 中孔 - 大孔” 分级孔隙网络（孔隙率 25%-35%，连通率 > 60%），其抗热裂机制体现在：

微孔分散应力：纳m级微孔（0.1-1μm）占比 40%-50%，作为应力集中点的 “缓冲器”，将宏观应力转化为局部微应力，使裂纹扩展能（Gₑ）从 500 J/m² 降到 300 J/m² 

以下；

中孔引导裂纹路径：1-5μm 中孔通过连通网络引导裂纹沿孔隙界面扩展，而非穿透固相颗粒，减少裂纹扩展速率（v）达 40%；

大孔释放气体压力：>10μm 大孔（占比 < 10%）为分解气体（CO₂、H₂O）提供逸出通道，避免内部压力（P）超过临界值（通常 P 临界 = 5 MPa），减少气体膨胀引发的

爆裂风险。

2. 界面结合强度的增强作用

HPAM 在颗粒界面形成的吸附层（厚度 50-100nm）通过以下方式提高界面结合力：

氢键与化学键桥联：酰胺基（-CONH₂）与矿粉表面羟基（-OH）形成氢键，羧基（-COOH）与金属氧化物发生络合反应，界面结合能（γ）从 20 J/m² 增到 50 J/m²；

空间位阻抑制颗粒滑移：吸附层的分子链缠结（缠结密度 > 10⁻³ chains/nm³）xian制颗粒在热应力下的相对位移，使界面摩擦系数（μ）从 0.3 升到 0.5；

热膨胀匹配优化：HPAM 吸附层的热膨胀系数（α=20×10⁻⁶/℃）介于矿粉（α=8×10⁻⁶/℃）与气相（α=200×10⁻⁶/℃）之间，缓解界面热膨胀失配导致的应力。

3. 热物理性能的协同调控

HPAM 通过改变球团的热导率（λ）和热容（Cₚ），优化热响应特性：

低热导率减少温度梯度：HPAM 调控的孔隙结构使 λ 从 1.8 W/(m・K)（无添加）降到 1.2 W/(m・K)，球团表面与中xin温差（ΔT）从 150℃缩小到 80℃，热应力（σ）减

少 40%；

高比热容延缓温度变化：HPAM 的分解吸热（ΔH=2000 J/g）和孔隙气体的热容（Cₚ=1.0 J/(g・K)）使球团升温速率（dT/dt）从 5℃/min 降到 3℃/min，减少瞬时热应力

；

热反射效应减少辐射损失：HPAM 分解残留的碳基基团（0.1%-0.3%）在孔隙表面形成纳m碳膜（厚度 5-20nm），使球团表面发射率（ε）从 0.8 降到 0.7，减少热辐射损

失 5%-8%。

三、关键影响因素与优化策略

1. HPAM 分子参数的精准匹配

分子量与矿粉粒度适配：细粒矿粉（<20μm>60%）选用分子量 1800-2000 万的 HPAM，其长链可覆盖更多颗粒表面（覆盖率 > 80%），形成密集桥联；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（避免卷曲堵塞孔隙），

又通过静电斥力（Zeta 电位从 - 30mV 升到 - 20mV）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（厚度 5-10nm），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、抗热裂性能的量化评估

通过热震试验和数值模拟可量化 HPAM 对热裂的抑制xiao果：

热震试验：将球团从 1100℃骤冷到 25℃，记录裂纹扩展长度（L）和数量（N）。HPAM 添加量 0.15% 时，L 从 5mm 降到 2mm，N 从 8 条减少到 3 条；

有限元模拟：采用 COMSOL Multiphysics 建立 “温度 - 应力 - 裂纹” 耦合模型，结果表明 HPAM 调控的孔隙结构使球团zui大主应力（σ_max）从 8 MPa 降到 5 MPa，

an全系数（FS=σ_max/σ_rupture）从 1.2 升到 1.8。

五、工业应用案例

某钢铁企业在铁矿粉球团中添加 0.15% HPAM（分子量 1800 万，水解度 30%），焙烧球团抗热裂性能显著提高：

热震后完好率：从 60% 增到 90%；

高炉冶炼指标：入炉球团爆裂率从 15% 降到 5%，透气性指数（m³/(min・kPa)）从 80 升到 120，焦比减少 8%；

经济效益：年节约能耗 1.2 万吨标煤，减少球团返矿量 3 万吨，综合效益超 5000 万元。

高粘聚丙烯酰胺通过分级孔隙结构设计、界面结合增强及热物理性能优化，显著提高矿粉球团的抗热裂性能。其核心价值在于通过分子参数与工艺条件的协同，实现 “强度 - 

孔隙 - 传热” 的多目标优化，为gao效焙烧和冶炼提供支撑。未来研究可结合 CT 扫描三维孔隙重构技术与传热数值模拟，建立 “HPAM 结构 - 孔隙参数 - 热裂min感性” 

的定量模型，推动抗热裂性能从经验优化向精准设计升级。