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Einleitung

Nach dem Stand der Technik können Hauptverschleißmechanismen von Feuerfestmaterialien in zwei Gruppen eingeteilt werden, dem diskontinuierlichen und dem kontinuierlichen Verschleiß. Diksontinuierlicher Verschleiß resultiert aus thermomechanischen Fehlern und kontinuierlicher Verschleiß wird durch chemische Korrosion, gefolgt von Erosionsvorgängen, hervorgerufen.

Ziele und Motivation

  • Simulation des Verhaltens der Feuerfestausmauerung unter thermomechanischer Beanspruchung
  • Stoffübergangsmodell für die Stahlpfanne
  • Simulation und Quantifizierung von Erosion
  • Bruchmechanische Charakterisierung von kohlenstoffhaltigen Feuerfestmaterialien bei hohen Temperaturen

Vorgehensweise

Die methodischen Ansätze zur Darstellung verschleißrelevanter, fluid-dynamischer Prozesse, bestehend aus benutzerdefinierten Anpassungen und Fragestellungen bewegter Grenzflächen, welche bereits für die Stahlpfanne ermittelten wurden, werden weiter vorangetrieben und zusätzlich für andere Aggregate und Anwendungsfälle angewandt. Der derzeitige Wissensstand ermöglicht eine allgemeine Untersuchung von Verschleißphänomenen. Thermomechanische Simulationen werden unterstützt duch hochtemperaturmechanische Untersuchungen. Diese beinhalten Keilspalttests, modifizierte Scherversuche, Druck- und Zugtests und daneben noch E-Modulmessungen mithilfe der Impulsanregungstechnik. 

Außerdem werden verbesserte Simulationsverfahren entwickelt, welche das komplexe Materialverhalten mitberücksichtigen, beispielsweise das asymmetrische Kriechen. Eine Materialdatenbank soll erstellt werden, um thermische und mechanische Eigenschaften von Feuerfestmaterialien zu sammeln. Weitere Daten wie Wärmeausdehnung oder Schrumpfung des Materials werden zusätzlich in der Datenbank abgelegt. Eine halbautomatisierte Methode zur Finiten Elemente Analyse soll programmiert werden, welche die thermische und linear elastische Analyse sowie zusätzliche Modelle zum Auftreten von Materialversagen enthält. Optimierungsstrategien, zum Beispiel die orthogonale Feldanalyse oder die Monte Carlo-Methode werden bewertet und in die Plattform integriert, um die Haupteinflussfaktoren auf die Ausmauerungseigenschaften zu analysieren und die optimalen Parameterkombinationen für Feuerfestmaterialien zu erreichen.

Ergebnisse und Anwendung

Aus den oberhalb angeführten Forschungsschwerpunkten können genauere Beschreibungen des mechanischen Versagens sowie der Korrosion und Erosion von Stahlbehältern abgeleitet werden. Diese Daten bilden die Richtlinie für die weitere Material- und Prozessentwicklung. Thermomechanische Betrachtungen ermöglichen die Erstellung einer brauchbaren benutzerorientierten Plattform für das Design von Behälterauskleidungen. Strömungssimulationen bilden die Basis zur Optimierung (Minimierung) des Stofftransportes an der Grenzfläche Schlacke / Feuerfestauskleidung ohne einer gleichzeitigen Verschlechterung des aus metallurgischen Gründen notwendigen Stoffübergangs an der Grenzfläche Schlacke / Stahl. Somit kann das Ziel eines reduzierten Verschleißes der feuerfesten Ausmauerung erreicht werden.