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Neues Verfahren zur Ermittlung der Scherfestigkeit bei hohen Temperaturen

Als feuerfeste Werkstoffe bezeichnet man keramische Werkstoffe mit einer Einsatztemperatur von etwa 1.500° C. Hauptanwendungsgebiete sind Ofenauskleidungen in der Eisen- und Stahl-, Glas-, Aluminium- und Zementindustrie. Weltweit werden jährlich mehr als 10 Mio. Tonnen erzeugt. Die Feuerfestmaterialien werden durch hohe Temperaturwechsel thermo-mechanisch beansprucht. Durch entsprechende Werkstoffparameter kann die Temperaturwechselbeständigkeit beurteilt und beschrieben werden. Die Ermittlung der Scherfestigkeit bei hohen Temperaturen ermöglicht die Berücksichtigung dieses Verhaltens bei der Dimensionierung feuerfester Auskleidungen. Die Scherfestigkeit wird üblicherweise mit einem Triax-Test ermittelt, der für hohe Temperaturen jedoch nicht geeignet ist. Das neue Verfahren ermöglicht die Messung der Scherfestigkeit bei Temperaturen bis 1.500° C und somit die Berücksichtigung dieser Eigenschaft in Finite-Elemente Simulationen und damit die Prognose des Materialverhaltens in industriellen Hochtemperaturanwendungen.

Bei Hochtemperaturprozessen, etwa in der Stahlerzeugung, treten in Feuerfestauskleidungen unterschiedlichste Spannungszustände und Scherbeanspruchungen auf, die unter anderem zu Materialversagen führen können. Üblicherweise erfolgt die Ermittlung der Scherfestigkeit mit dem Triax-Test. Dabei wird über eine Prüfmaschine und eine Hydraulikflüssigkeit von allen Seiten Druck auf eine zylindrische Probe aufgebracht. Aufgrund der Verwendung einer Flüssigkeit ist dieses Verfahren für hohe Temperaturen nicht geeignet. Ziel war es also, ein neues Verfahren zu entwickeln, um die Scherfestigkeit bei Temperaturen bis 1.500° C ermitteln zu können.

Im neuen Ansatz werden zwei in unterschiedlichen Winkeln gekerbte Prismen mit steigender Kraft belastet bis ein Abscheren entlang der Kerbe eintritt. Die Belastung wird dabei uniaxial aufgebracht und kann damit in einem Prüfofen herkömmlicher Bauart durchgeführt werden. Parallel wird mit einem Finite-Elemente-Modell das Ausmaß der Scherbelastung für die beiden unterschiedlich gekerbten Prismen bestimmt. Aus den beiden Ergebnissen kann nun die Scherfestigkeit ermittelt werden.

Mit den Ergebnissen lassen sich nun feuerfeste Materialien bei ihrer Anwendungstemperatur anhand der Scherfestigkeit klassifizieren. Darüber hinaus können die Ergebnisse als Eingabewerte für Finite-Elemente Simulationen von feuerfesten Auskleidungen herangezogen werden. Der wirtschaftliche Nutzen besteht vor allem in der Senkung des Verbrauches von Feuerfestmaterial und in weiterer Folge einem reduzierten CO2-Ausstoß beim Herstellungsprozess feuerfester Baustoffe.

Das Projekt wurde zusammen mit der RHI AG (Leoben), Pyrotek Inc. (Montreal), der voestalpine Stahl Linz GmbH (Linz), GEMH Limoges (Limoges) und dem Institut für Gesteinshüttenkunde der Montanuniversität Leoben durchgeführt.

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