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Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde

Forschungsthemen

06.09.2011

Simulation des mechanischen & thermomechanischen Verhaltens von Baustoffen & feuerfesten Baustoffen

Der kostengünstige Einsatz von Baustoffen ist von immer größerer Bedeutung und Maßnahmen zur Optimierung werden ständig gefragt. Dies gilt sowohl für den Bereich der bautechnischen Anwendung als auch für feuerfeste Werkstoffe. Computerverfahren werden verwendet um das Verhalten dieser Baustoffe unter den jeweiligen Randbedingungen vorherzusagen. Die Prognose des thermomechanischen Verhaltens von feuerfesten Baustoffen stellt einen Arbeitsschwerpunkt am Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde dar.

Feuerfeste Baustoffe finden ihren Einsatz vor allem dort, wo es notwendig ist, die Stahlkonstruktion von industriellen Anlagen vor hohen Prozeßtemperaturen zu schützen. Derartige Anlagen sind weit verbreitet und finden sich in der metallerzeugenden Industrie, der Glasindustrie sowie auch in der Baustoff- und chemischen Industrie wieder. Aufgrund dieser Verwendung erreichen feuerfeste Produkte im Einsatz Temperaturen von mehr als 1500°C. Durch die vorhandenen thermischen Dehnungen und die eingeschränkte Dehnmöglichkeit kommt es zu Spannungen in der Zustellung. Diese mechanischen Belastungen stellen ein Schädigungspotential dar und können den Verschleiß des feuerfesten Materials beschleunigen oder Produktionsausfälle verursachen.

Durch geeignete Auswahl der Materialien, Optimierung von Geometrien oder Anpassung von Prozeßparametern läßt sich das Verhalten der Zustellung verbessern beziehungsweise die mechanischen Belastungen verringern. Zu diesem Zweck werden am Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde Simulationen mit Hilfe der Finiten Elemente Methoden (FEM) durchgeführt. Um die Ursache von Schädigungen aufklären zu können ist es notwendig, nichtlineares Materialverhalten wie etwa Rißbildungen in den Simulationen zu berücksichtigen.

So kann zum Beispiel der voreilende Verschleiß im Boden/Wand Übergangsbereich eines LD-Konverters, wie er für die Stahlproduktion verwendet wird, erklärt werden (siehe Abbildung). Aufgrund der thermischen Dehnung des Konverterbodens und der Wand kommt es zu einer Biegebeanspruchung der Steinlagen in der Übergangszone. Im rechten Teil der Abbildung sind die Spannungen in der Übergangszone parallel zu den Steinlagen als Konturplot dargestellt. Rote Bereiche sind Zonen in denen Zugspannungen parallel zu den Steinlagen auftreten, in den gelben Bereichen treten Druckspannungen auf. Diese Biegezugbelastung führt zu einer Rißbildung rechtwinklig zu den Steinlagen, welche zu einem Ausbrechen größerer Zustellungsteile führen kann.

Quellenangabe

D. Gruber, K. Andreev, H. Harmuth: Optimisation of the Lining Design of a BOF Converter by Finite Element Simulations. Steel Research int. 75 (7), 455-461, 2004