镁碳耐火材料因具有优异的抗热震性和抗高温熔渣侵蚀能力而广泛用于转炉、电炉、精炼炉内衬以及钢包渣线等部位,对钢铁工业的技术进步发挥了举足轻重的作用。随着高效率、低成本钢铁冶炼技术的发展以及节能降耗的要求,镁碳耐火材料中的碳含量必须得到有效的控制并使其具有优异的综合使用性能。首先,目前使用比较苛刻的部位仍采用碳含量在12 wt%以上的高碳镁碳耐火材料,需要进一步提高其使用性能以达到高效、长寿的目的;其次,为了满足低碳钢及超低碳钢冶炼的要求,研究开发低碳镁碳耐火材料(碳含量低于8 wt%)甚至超低碳镁碳耐火材料(碳含量低于3 wt%)的工作具有重要的现实意义。通常,采用单纯增加镁碳耐火材料中的鳞片石墨含量来提高材料的抗热震性,但其抗氧化性面临挑战且由于材料成型过程中鳞片石墨的取向性导致材料的各向异性更趋突出;此外,往往采用引入添加剂的方式来提高镁碳耐火材料的强度,但同时造成材料韧性和抗热冲击能力的下降;同时以往评价镁碳耐火材料抗热震性的好坏,一般仅通过冷热循环后测定材料的残余强度和计算强度保持率。针对上述问题,本论文研究工作包括:首先研究镁碳耐火材料力学性能与鳞片石墨含量的关系,揭示鳞片石墨组分对材料抗热震性的作用机理,为下一步开发具有不同碳含量的高性能镁碳耐火材料提供比较和参考;然后以引入10 wt%石墨的镁碳耐火材料为研究对象,利用颗粒状石墨取代鳞片石墨,降低鳞片石墨在材料中的取向性,研究碳源颗粒形状与镁碳耐火材料力学性能和抗热震性的关系,为优化碳含量在12 wt%以上的高碳镁碳耐火材料提供理论指导;进而进一步制备低碳镁碳耐火材料(碳含量低于8 wt%),利用纳米碳的尺寸效应,通过引入纳米碳部分取代鳞片石墨,系统地研究氧化石墨烯等纳米碳对镁碳耐火材料显微结构、力学性能及抗热震性的影响,并与镁碳耐火材料(含5 wt%石墨)相比较,揭示纳米碳与原位形成陶瓷相协同强韧化机制;在此基础上,通过在镁碳耐火材料中引入负载含镍催化剂的氧化镁细粉,研究金属铝粉和单质硅粉等添加剂对制备超低碳镁碳耐火材料(碳含量低于3wt%)的显微结构和力学性能的影响,进一步探明催化剂对镁碳耐火材料基质中催化形成纳米碳和陶瓷相的影响及其形成机理;最后为了科学定量地评价镁碳耐火材料的抗热震性,采用楔形劈裂测试、分形理论和断口显微学方法系统研究了材料的断裂行为和抗裂纹扩展能力,探讨了材料抗热震性与显微结构的关系。通过上述的研究工作,可以得到如下主要结论:1.镁碳耐火材料制备过程中以鳞片石墨为碳源,随着材料中鳞片石墨含量的增加,材料中碳网络结构逐渐增强,材料因鳞片石墨具有很好的滑移性,其在断裂时的最大位移量逐渐变大,当镁碳耐火材料中引入最大含量18wt%鳞片石墨时,材料热震后的强度保持率最高;经高温热处理后材料内部原位形成al4c3、aln、mgal2o4和sic等陶瓷相,与1000℃处理相比,经1400℃处理的材料内有更多陶瓷相的形成,提高了材料强度,但材料的最大断裂位移量有所下降。2.镁碳耐火材料制备过程中以颗粒状石墨取代鳞片状石墨,显著地降低了鳞片石墨在材料中的取向性,材料的热导率和热膨胀系数的各向异性降低,材料的断裂位移明显增加,含颗粒状石墨的镁碳耐火材料(10wt%石墨)的抗热震性接近于甚至优于鳞片石墨含量为14wt%的镁碳耐火材料。3.镁碳耐火材料制备过程中以纳米炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯和膨胀石墨等纳米碳源部分取代鳞片石墨,纳米碳源的引入促进了高温下材料内部原位形成更多的碳化铝和氮化铝等陶瓷相,赋予了镁碳耐火材料更加优良的力学性能,含纳米碳源的镁碳耐火材料均比相同碳含量的镁碳耐火材料(5wt%石墨)具有更优异的抗热震性,含碳纳米管和纳米炭黑的镁碳耐火材料拥有更高的残余抗折强度和残余强度比,接近于鳞片石墨含量为10wt%的镁碳耐火材料。4.镁碳耐火材料制备过程中引入含镍催化剂,通过金属铝粉和单质硅粉的添加控制材料内部气氛,促进了氧化镁、镁铝尖晶石等晶须和碳纳米管、碳洋葱等的形成,赋予了材料更优异的力学性能和抗热震性。与分别单独添加金属铝粉和单质硅粉的镁碳耐火材料相比,复合添加上述两种添加剂的材料中因形成更多的晶须状陶瓷相如碳化硅晶须、中空的尖晶石晶须等,使材料具有更优的力学性能和抗热震性。5.楔形劈裂测试、分形理论和断口显微学方法证实在镁碳耐火材料中引入纳米碳源,增加了材料断裂过程中内部裂纹扩展的曲折性,导致材料比断裂能、特征长度和抗热震稳定因子的增大,从而改善了材料的抗热震性,其中含碳纳米管的镁碳耐火材料具有最优的抗热震性。相关性分析显示镁碳耐火材料的抗热震性与材料的比断裂能和界面裂纹扩展存在正相关性,而与材料的弹性模量、表观拉伸强度、热膨胀系数和穿晶裂纹扩展为负相关性。