Al2O3-MgO质耐火材料因其良好的耐高温、耐热震和抗熔渣侵蚀性能,被广泛应用于冶金炉窑的工作衬和功能元件,但其较大的体积密度和较高的生产成本阻碍了其进一步的应用。向Al2O3-MgO质耐火材料中引入CaO构成Al2O3-MgO-CaO质耐火材料有利于实现耐火材料的轻量化,促进节能减排,然而该体系耐火材料制备过程中的烧结行为、显微结构及其性能等基本问题尚缺乏系统的研究。因此,本文以Al2O3、MgO、CaCO3分析纯试剂为初始原料,采用二步煅烧工艺制备了 Al2O3-MgO-CaO系耐火材料,确定了适宜的CaO添加量,并在此基础上进一步研究了 ZrO2添加剂对该体系耐火材料烧结致密化行为及力学性能的影响规律。通过以上研究,得出以下结论:(1)1200℃预烧后,添加CaO试样中镁铝尖晶石化反应受到抑制;1500℃预烧后,各反应均进行完全,有利于排除反应产生的体积效应造成的不利影响。(2)采用预烧工艺后,原料致密度显著提高,与低温预烧(1200℃)相比,1500℃预烧后,α-Al2O3和MA晶粒显著长大,熟料致密性更好,生坯相对密度高达60%以上。但1500℃预烧后新相晶粒尺寸较大,烧结活性变差,且能耗较高。因此选择1200℃作为最佳预烧温度。(3)采用1200℃预烧—1600℃二步烧成工艺,当CaO含量为4%时,其致密性最差,相对密度仅为67.1%。而当CaO含量为8%时,由于该体系中CA2晶粒的良好发育,有效地促进了烧结及致密化,相对密度达到了 78.2%,高于未添加CaO时的71.9%。因此可以确定适宜的CaO添加量为8%,即构成MA-CA2-CA6耐火材料。(4)当向MA-CA2-CA6耐火材料引入ZrO2添加剂后,Zr4+通过置换Al3+而固溶到CA6晶粒中,促使晶格缺陷、即离子空位浓度增加,加快了离子扩散传质过程,从而极大地促进了固相烧结过程。在冷却过程中,部分固溶的ZrO2从CA6晶界析出,起到了粘结相的作用。(5)由于CA6晶粒各向异性生长,形成大型片状形貌,不利于晶间气孔的排除,导致形成了一个多孔的交织网状结构,阻碍了 MA-CA2-CA6耐火材料的进一步致密化。而ZrO2的引入能抑制CA6晶粒沿基面异常长大,并促进其各向同性生长,从而消除了 CA6的多孔结构,因此显著地促进了该体系耐火材料的致密化。当ZrO2添加量分别为4%和6%时,其显气孔率由未添加时的22.1%分别降低至6.8%和5.9%,实现了良好的致密化过程。(6)ZrO2添加能显著提高MA-CA2-CA6体系耐火材料的常温抗压强度和抗弯强度。1600℃烧成后,当ZrO2添加量为4%时,其常温抗压强度和抗弯强度由未添加时的376 MPa和83MPa分别增加到576MPa和154MPa,这主要是因为致密度的显著提高、气孔尺寸的减小以及没有引起晶粒的明显粗化;另一方面,冷却过程中部分ZrO从CA6固溶体中析出,在晶界处起到了增强晶粒键联强度的作用。(7)当向MA-CA2-CA6耐火材料引入ZrO2添加剂后,由于显微结构致密性的显著提高,使得四方晶型ZrO2(t-ZrO2)被完整地保存下来了,有效地抑制了裂纹的传播和扩散,从而有利于提高该体系耐火材料的断裂韧性,当ZrO2添加量为4%时,断裂韧性值由未添加时的 3.73MPa·m1/2 增大到4.83MPa·m1/2。