Feuerfeste Werkstoffe

 

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Dr. Ing. Thorsten Tonnesen

Arbeitsgruppenleiter Feuerfeste Werkstoffe

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Feuerfeste Werkstoffe nehmen in vielen Bereichen wie zum Beispiel der Metall-, Glas- und Zementherstellung eine Schlüsselposition ein. Um den Verschleiß zu minimieren, muss das Material optimal auf die mechanischen, thermomechanischen und korrosiven Belastungen abgestimmt sein. In den letzten Jahren sind die Anforderungen infolge gesteigerter Einsatztemperaturen und verschärfter Betriebsanforderungen erheblich gestiegen. Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit der Entwicklung und Optimierung von feuerfesten Werkstoffen um der wachsenden Problematik gerecht zu werden.

 

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Simon Etzold

Feuerfeste Werkstoffe

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Einfluss der Kornform auf die Hochtemperatureigenschaften tonerdebasierter Feuerbetone

Feuerbetonprobe im Thermoschockofen Urheberrecht: © GHI Thermoschockofen mit zwei separaten Ofenkammern zur Simulation zyklischer Hochtemperaturwechsel

Feuerfeste Gießmassen sind aus vielen unterschiedlich vorbehandelten Bestandteilen zusammengesetzt. Daher ist eine detaillierte Charakterisierung der betreffenden Materialien vor ihrer Verwendung entscheidend für das Werkstoffverhalten am beabsichtigten Einsatzort. Auch kleinere Unterschiede hinsichtlich der Rohstoffeigenschaften können die Materialeignung für bestimmte Einsatzzwecke beeinflussen. Ziel dieses grundlagenorientierten Forschungsbereichs ist es den Einfluss der Kornform des industrierelevaten Rohstoffs Tabularalumina zur Verwendung in Feuerbetonen zu untersuchen. Es werden verschiedene zerstörende sowie zerstörungsfreie Prüfmethoden verwendet um Änderungen hinsichtlich des thermomechanischen beziehungsweise thermoelastischen Verhaltens zu belegen.

 

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Wanja Reichert

Feuerfeste Werkstoffe

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Korrosion und Eigenschaftsänderung von feuerfesten Werkstoffen in der Nichteisen-Metallurgie

Erhitzungsmikroskop im Betrieb Urheberrecht: © GHI Erhitzungsmikroskop zur Untersuchung korrosiver Angriffe

Die wachsende Nachfrage und hohe Komplexität von Aluminiumprodukten erhöht die Anforderungen an feuerfeste Werkstoffe. Trotz der Vergleichsweise geringen Temperaturen kann es in auch in der Nichteisen-Metallurgie zu einem schnellen Verschleiß der Feuerfestauskleidungen kommen. Infiltration gefolgt von chemischen Reaktionen trägt wesentlich zur Degradation von Ofenauskleidungen bei. Darüber hinaus dringen Legierungsbestandteile zunehmend über die Gasphase in das Material ein. Die Veränderungen des physikalischen Zustands und der Phasenübergänge, führen zudem zu Volumenänderungen und zum Versagen in Form von Abplatzungen. Ziel dieses anwendungsorientierten Forschungsbereiches ist die Bewertung der Auswirkungen von einzelnen Legierungselementen auf feuerfeste Materialien.

 
 

Kopplung der Schlackeninfiltration und daraus resultierende mechanische Eigenschaftsänderungen

Schlackenkorrosion ist der Hauptverschleißmechanismus für feuerfeste Materialien. Die Untersuchung der Zusammenhänge zwischen den mikrostrukturellen Schäden durch Schlackeninfiltration und durch Thermoschock hilft, den Prozess besser zu verstehen. Daher werden die mechanischen und elastischen Eigenschaften in-situ unter thermischer und chemischer Belastung gemessen. Basierend auf den Ergebnissen ist eine bessere Klassifizierung des Materials je nach der Belastung möglich. Darüber hinaus soll die mikrostrukturelle Charakterisierung helfen, den Einfluss der Verschleißbedingungen und ihrer Wechselwirkungen auf das feuerfeste Verhalten zu identifizieren.

 
 

Experimentelle-numerische Analyse des thermo-mechanischen Ermüdungsverschleißes in Feuerfestmaterialien

Bei Batchprozessen wird die feuerfeste Auskleidung häufig zyklischen Belastungen ausgesetzt. Die Belastungen dürfen die Auskleidung nicht sofort zerstören, aber die allmähliche Anhäufung von Schäden kann zu ihrem Ausfall führen. Um ein optimales Feuerfestmaterial auszuwählen, ist es wichtig, den Abbauprozess der geeigneten Feuerfestmaterialien im Betrieb vorherzusagen. Um dies zu erreichen, werden Laborexperimente und numerische Modellierungswerkzeuge in Kombination eingesetzt. Zyklische mechanische und thermische Experimente werden nach den im Betrieb auftretenden Lastfällen konzipiert und durchgeführt. Der im Labor beobachtete Schaden wird mit numerischen Modellierungswerkzeugen auf den tatsächlichen Verschleiß übertragen, der im Betrieb mit numerischen Modellierungswerkzeugen auftritt. Die aktuellen Fallstudien sind das Dauerfutter der Stahlpfanne und die Silica-Auskleidung von Koksöfen.

 
 

Thermomechanische Charakterisierung und Überwachung der allmählichen Ermüdung aufgrund von thermischer Zyklierung

Thermisch induziertes Abplatzen ist einer der Hauptgründe für den Verschleiß und das Versagen feuerfester Auskleidungen. Daher bilden das thermo-mechanische Verhalten und die Mikrostrukturentwicklung unter thermischen Zyklierung die Grundlage, um Materialdegradierungen im Betrieb zu verhindern. Rissheilung und Spannungsrelaxationsphänomene, die durch die Einwirkung hoher Temperaturen auf das Material ausgelöst werden, haben ein großes Potenzial, den Widerstand gegen Abplatzen zu erhöhen. Umfassende Studien zur Fähigkeit der Rissheilung, der Effizienz und den zugrunde legenden Mechanismen liefern eine wesentliche Grundlage für die Konstruktion von feuerfesten Materialien mit verbesserten Selbstheilungskräften. Ergänzend Erkenntnisse über die mikrostrukturellen Veränderungen können durch die in-situ-Überwachung des E-Moduls, der Dämpfung und der Temperaturabhängigkeit der akustischen Emission erhalten werden.

 

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Tim Leber

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Änderung der Eigenschaften feuerfester Gießmassen beim Sintern

Ungeformte feuerfeste Massen bieten den Vorteil der einfachen und schnellen Zustellung von Aggregaten. Die Hochtemperatur-Resonanzfrequenz-Dämpfungsanalyse eignet sich hervorragend um die Vorgänge in feuerfesten Gießmassen, während des Sinterbrands zu analysieren. Als Basis dienen hochaluminahaltige Feuerbetone. Der Einfluss verschiedener chemischer Zusammensetzung sowie des Bindersystems wird untersucht. Die Ergebnisse werden mit weiteren Untersuchungsmethoden wie zum Beispiel der Differenz-Thermoanalyse (DTA) oder der Thermogravimetrie (TG) korreliert. Dadurch kann die aus der DTA/TG bekannte Phasenentwicklung mit den elastischen Eigenschaften verknüpft werden. Somit lassen sich Rückschlüsse, sowohl auf die Probe als auch auf die Sensitivität des Messsystems ziehen.