铝酸酯浸渍法制备CaO骨料的工艺优化及其抗水化性能与抗热震性能研究

针对CaO耐火材料易水化和抗热震性差的问题，研究人员采用铝酸酯偶联剂(ALC)浸渍CaCO3骨料，通过造粒-浸渍-煅烧工艺制备CaO骨料。研究发现ALC浸渍显著提升了CaO骨料的抗水化性能，促进C3A液相生成，使煅烧密度提高12%，抗压强度提升35%，经1600℃热处理后热震残余强度保持率达85%。该研究为高性能CaO耐火材料的工业化生产提供了新思路。

　　

在高温冶金工业领域，氧化钙(CaO)耐火材料因其优异的耐火性能和热力学稳定性，成为超纯金属冶炼过程中的关键材料。然而这种材料存在两大致命缺陷：极易与水分反应生成氢氧化钙导致结构崩解（俗称"水化现象"），以及在急冷急热工况下抗热震性能不足。传统解决方案如2000℃超高温煅烧虽能提高密度但能耗巨大，表面处理技术又难以兼顾长效防护与高温性能。这就像给材料穿上"雨衣"却妨碍了它的"呼吸"能力，严重制约了CaO耐火材料在高端冶金领域的应用。

面对这一行业难题，武汉科技大学（原文中第一作者Zhixin Wang单位）的研究团队独辟蹊径，借鉴纳米CaCO₃增强氧化铝基浇注料的思路，创新性地采用铝酸酯偶联剂(ALC)浸渍工艺，通过"造粒-浸渍-煅烧"三步法成功制备出高性能CaO骨料。这项突破性研究发表在《Journal of Alloys and Compounds》上，为解决耐火材料领域这一经典难题提供了新方案。

研究团队采用三大关键技术：首先通过EIRICH高速混合机（800-1300r/min）实现CaCO₃粉体（D50≈12μm）的精确造粒；其次采用梯度浓度ALC溶液（0-15wt%）进行真空浸渍处理；最后在1600℃进行可控煅烧。实验系统考察了ALC含量对物相组成、显微结构和性能的影响规律。

【相组成分析】XRD结果显示，未浸渍样品仅检测到CaO衍射峰，而ALC浸渍样品中出现了明显的三铝酸钙（3CaO·Al₂O₃，C₃A）特征峰，且随ALC浓度增加，C₃A衍射强度呈线性增长。这表明ALC成功将Al₂O₃引入CaO晶格，形成高温稳定相。

【抗水化性能】在80℃饱和蒸汽环境中，传统CaO骨料8小时增重达18%，而ALC浸渍样品（10wt%）仅增重3.2%。机理分析表明，C₃A相在CaO晶界处形成连续网络，既阻隔水分子渗透，又通过降低Ca²⁺活性抑制水化反应。

【力学性能】三点弯曲测试显示，ALC浸渍使骨料抗压强度提升35%，这归因于两方面：一是液相烧结促进CaO晶粒长大（平均尺寸从5μm增至12μm），二是C₃A相形成的"钉扎效应"抑制晶界滑移。

【热震稳定性】水淬法测试（1100℃?室温）表明，经20次热循环后，优化组（10wt%ALC）残余强度保持率达85%，较对照组提高2.3倍。显微结构观察发现，C₃A相形成的微裂纹偏转机制有效耗散了热应力。

这项研究通过巧妙的"结构-性能"协同调控策略，实现了CaO耐火材料性能的全面提升。特别值得注意的是，10wt%ALC浸渍浓度被证实为最佳平衡点：过低时改性效果不显著，过高则会导致过量液相引发颗粒异常长大。研究揭示的"液相辅助烧结-晶界工程"机理，不仅为CaO基耐火材料设计提供了新思路，其"低温浸渍-高温转化"的工艺路线相比传统方法节能约40%，具有显著的工业应用价值。该成果有望推动超纯合金冶炼技术的进步，对实现"双碳"目标下的绿色冶金具有重要意义。