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Einleitung

Im Betrieb sind feuerfeste Zustellungen beträchtlichen thermomechanischen Spannungen ausgesetzt. Diese Spannungen entstehen durch thermische Dehnung der feuerfesten Zustellung und/oder durch Temperaturgradienten innerhalb des Feuerfestmaterials. Beanspruchungen durch thermische Dehnung verursachen vorwiegend Materialschäden aufgrund von Druck- oder Scherbeanspruchung, während hingegen Temperaturgradienten im Feuerfest zu Versagen aufgrund von Zugbeanspruchung führen. Wesentliche Faktoren sind die Geometrie der Zustellung, wie zum Beispiel die Abmessung der feuerfesten Zustellung in radialer Richtung, die Dehnvorgaben zur Kompensation der thermischen Dehnung und die mögliche Verwendung einer Isolierung. Zusätzlich wird das mechanische Verhalten der Zustellungen vom Kriech- und Bruchverhalten der feuerfesten Baustoffe beeinflusst. Daher muss für die jeweiligen Einsatzbedingungen eine optimale Auslegung von Feuerfestzustellungen hinsichtlich des gewählten Feuerfestbaustoffes, der Wandstärke, der Dehnvorgabe, der Steingeometrie oder der optionalen Implementierung einer Isolierung gefunden werden.

Die Auslegung von feuerfesten Zustellungen hinsichtlich der thermomechanischen Belastungen erfolgt vorwiegend mit stark vereinfachten Berechnungsmethoden. Dem Stand der Technik entsprechen jedoch auch FE-Simulationen des thermomechanischen Verhaltens, zum Beispiel zur Untersuchung von Schadensmechanismen. Es erscheint daher logisch, FE-Simulationen auch standardmäßig für die Auslegung von Zustellungen zu verwenden.

Ziele und Motivation

  • Erstellung einer Methodik zur aus thermomechanischer Sicht optimierten Auslegung von feuerfesten Zustellungen
  • Anwendung der Methodik an einzelnen ausgewählten Zustellungen aus der Stahlindustrie nach bestimmten Kriterien z. B. der Minimierung der thermomechanischen Belastung
  • Gewichtung von Faktoren, welche zur thermomechanischen Belastung im Allgemeinen oder zur Schädigung beitragen

Vorgehensweise

Das Versuchsprogramm in diesem Projekt umfasst vorrangig Finite-Elemente (FE) Simulationen und experimentelle Arbeiten. Begleitende Recherchen hinsichtlich üblich verwendeter Feuerfestdesigns sollen eine Kategorisierung und Gruppierung der Zustellungen nach bestimmten Kriterien (z. B. Zustellung mit und ohne Isolierungen) ermöglichen. Die FE Simulationen sollen das Verhalten der Ausmauerung bei unterschiedlichen Anwendungsfällen abbilden (d.h. Steingeometrie, Aufheizbedingungen etc.). Dabei ist es notwendig, Materialversagen und Kriechen zu berücksichtigen. Dies erfordert die Implementierung von Materialmodellen, welche elastisches Verhalten, Mode I und II Schädigung sowie Kriechen berücksichtigen.

Der experimentelle Teil der geplanten Methodik zielt auf die Notwendigkeit der Kenntnis von Materialdaten der betrachteten Feuerfestwerkstoffe ab. Mechanische Materialprüfungen wie der Keilspalttest, der modifizierte Scherversuch, Druck- und Zugkriechtests sind geplant. Daneben wird der E-Modul von Werkstoffen bestimmt. Sämtliche Materialkennwerte müssen für Temperaturen im gesamten Anwendungsbereich bestimmt werden. Die berechneten FE-Simulationsergebnisse werden mit Ergebnissen aus Messungen an Zustellungen im Einsatz verglichen.

Ergebnisse und Anwendung

Erwartet wird das Vorliegen einer Methodik der Auslegung von Zustellungen, die für gängige Fälle anwendbar sein und bisher verwendete empirische Regeln ersetzen soll.  Im Zuge der durchgeführten Arbeiten sollen weitere Ergebnisse, wie zum Beispiel Materialdaten aus den mechanischen Tests oder Schadensmechanismen unterschiedlichster Berechnungsfälle aus den FE-Simulationen generiert werden. Zudem werden Informationen bezüglich der Übereinstimmung der FE-Simulation mit den Messergebnissen von Zustellungen im Einsatz erwartet. Letztendlich sollen Konzepte für aus thermomechanischer Sicht optimierter Zustellungen vorliegen.