镁碳耐火材料作为转炉出钢口首选材质,其服役性能与使用寿命直接影响到转炉作业率和生产安全。在服役中,由转炉周期性的冶炼和出钢所引起的循环冷热冲击是导致其损毁的重要原因。为满足转炉出钢口长寿化的要求,深入理解镁碳耐火材料的断裂行为并提升其抗热震性成为出钢口的发展方向。通常,调控碳含量和颗粒级配是提高镁碳耐火材料抗热震性的最为简单有效的方法,但调节碳含量或颗粒级配前后,镁碳耐火材料破坏过程中的能量耗散和裂纹扩展规律的变化仍未探明;其次,鳞片石墨因其扁平的几何结构,在成型布料过程中易发生取向分布,使镁碳耐火材料的各向异性突显。通过对鳞片石墨造粒处理可抑制其在材料中的取向分布,缓解应力集中,从而有利于改善材料的抗热震性。然而,造粒石墨对镁碳耐火材料不同方向破坏过程中的能量耗散和裂纹扩展的影响尚不清楚;再次,镁碳耐火材料中的镁砂颗粒较大的热膨胀系数易造成应力集中,使材料的抗热震性恶化。如何对镁砂的结构进行优化设计来缓解应力集中,进而提升镁碳耐火材料的抗热震性有待研究。针对上述问题,本论文研究工作包括:首先基于楔形劈裂测试结合数字图像相关方法和声发射技术开展不同鳞片石墨含量的镁碳耐火材料的断裂行为研究工作,探明鳞片石墨含量与镁碳耐火材料断裂过程中的能量释放、裂纹扩展和裂纹模式的关系;其次,研究颗粒级配对镁碳耐火材料断裂行为的影响,探明颗粒级配与镁碳耐火材料断裂过程中微区变形和内部微观损伤机制间的关系,并借助光弹法以简化的球形颗粒模型对不同颗粒接触状态下材料中局部应力大小进行分析,揭示调控颗粒级配对镁碳耐火材料抗热震性的强化机理;再次,在颗粒级配得到优化的基础上,进一步对鳞片石墨进行造粒处理。基于巴西劈裂测试结合数字图像相关方法和声发射技术,分别研究含鳞片石墨和含造粒石墨的镁碳耐火材料不同方向（0°/45°/90°）上的断裂行为,阐明造粒石墨对镁碳耐火材料抗热震性的强化机理;然后,从上述镁碳耐火材料断裂行为研究中得到启发,提出对镁碳耐火材料抗热震性优化的新思路。采用包覆工艺制备具有核壳结构的Mg O@GF颗粒,引入镁碳耐火材料内,探讨材料热震前后的显微结构演变与断裂行为的相关性,并借助分形理论和断口显微学方法揭示Mg O@GF颗粒对材料抗热震性的强化机理;最后,基于上述研究结果开发新型转炉出钢口镁碳砖,并进行规模化生产及工业应用。通过上述研究工作,可以得到以下主要结论:1.楔形劈裂测试结合数字图像相关方法和声发射技术研究发现,当鳞片石墨含量由8wt%增加至20wt%时,1000℃热处理的镁碳耐火材料的名义拉伸强度由8.4MPa衰减至4.9MPa,但比断裂能、特征长度由283.1J/m~2、112.3mm提高至374.1J/m~2、172.7mm,且鳞片石墨含量相对较低的镁碳耐火材料具有较强的抵抗裂纹萌生的能力,而鳞片石墨含量较高的镁碳耐火材料具有更佳的抵抗裂纹进一步扩展的能力。其次,随着鳞片石墨含量的增加,镁碳耐火材料中拉伸和剪切混合或剪切裂纹模式比例增加,有利于材料承载过程中能量的耗散,进而增强了材料承载过程中力学行为的非线性。2.根据Andreasen连续堆积理论设计不同颗粒级配的镁碳耐火材料。对于1400℃热处理的镁碳耐火材料的断裂过程,颗粒级配由紧密堆积（q=0.5）向非紧密堆积（q=0.2）转变,减少粗骨料颗粒、增大细粉比例,促进了更多微裂纹更早的萌生或扩展在峰前区域消耗能量,降低了裂纹路径中颗粒内裂纹比例,并且促进了裂纹模式由拉伸模式向剪切或混合模式的转变。3.镁碳耐火材料在不同的加载夹角θ下的巴西劈裂测试中表现出相似的断裂过程。具体过程为微裂纹首先在加载点附近的应力集中区域内萌生;随着载荷的增大,微裂纹数量增多并在试样中心区域萌生微裂纹;接近峰值载荷时,微裂纹逐渐扩展交联形成宏观裂纹;当载荷超过峰值载荷后,宏观裂纹贯穿镁碳试样,导致其发生破坏。引入造粒石墨使镁碳耐火材料在不同夹角θ的巴西劈裂测试中的最大水平应变衰减幅度由50.7%降低至11.9%,并促进了裂纹模式由拉伸模式向剪切或混合模式的转变。引入造粒石墨后,镁碳耐火材料热膨胀系数的各向异性值由1.22降低至1.08,并使材料热震后的残余强度保持率由75.37%提升至81.04%。4.通过引入具有核壳结构的Mg O@GF颗粒,弱化骨料与基质的界面结合,在基质中生成更为丰富的陶瓷相（Mg Al2O4,Al N）使基质强化,促进了巴西劈裂测试中镁碳耐火材料的裂纹扩展方式由单一的主裂纹扩展向多条次生裂纹扩展的转变,分散主裂纹能量集中的同时耗散更多的能量,实现了镁碳耐火材料力学性能和抗热震性的同步提升。5.在上述工作基础上,选取颗粒级配较优且含造粒石墨的方案制备新型转炉出钢口镁碳砖,并在某钢厂的转炉上进行工业应用。与钢厂保产出钢口镁碳砖的平均使用寿命（125炉次）相比,新型转炉出钢口镁碳砖的平均使用寿命（181炉次）提高了45%。