Thermomechanische Charakterisierung neu entwickelter Feuerfestwerkstoffe

Skiera, Erik; Beck, Tilmann

doi:4389

Thermomechanische Charakterisierung neu entwickelter Feuerfestwerkstoffe = Thermomechanical characterization of novel refractories

Skiera, Erik

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Erik Skiera

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

Umfang133 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Beck, Tilmann (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2012-11-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-43890
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/197436/files/4389.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet für Hochtemperatur-Werkstoffmechanik / Allgemeine Mechanik (FZ Jülich) (418420)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Thermoschock (Genormte SW) ; Rissausbreitung (Genormte SW) ; Keramik <Technik> (Genormte SW) ; Thermoschockverhalten (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei) ; Materialeigenschaften (frei) ; Thermoschockparameter (frei) ; Feuerfestkeramiken (frei) ; thermal shock (frei) ; crack propagation (frei) ; ceramics (frei) ; refractories (frei) ; material properties (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
rvk: ZM3200 * ZM3400 * ZM3600 * ZM3900 * ZM6100

Kurzfassung
In Hochtemperaturprozessen der Grundstoffindustrie, beispielsweise bei der Stahlerzeugung, kommen feuerfeste Materialien zum Einsatz. Um eine ausreichende Thermoschockbeständigkeit zu erzielen werden in Stahlwerken kohlenstoffhaltige Erzeugnisse eingesetzt, wobei die Verwendung des Kohlenstoffs zu erhöhtem Wärmeaustrag sowie erhöhter Kohlenstoffaufnahme führt. Zur Reduzierung des Wärmeaustrags, zur Kontrolle der Kohlenstoffaufnahme und zur Ermöglichung innovativer Prozessroutinen für die „Clean-Steel-Technologie“ werden neue kohlenstoffarme und -freie Feuerfestwerkstoffe entwickelt. In der vorliegenden Arbeit wird das Thermoschockverhalten ausgewählter kohlenstoffarmer und -freier Feuerfestwerkstoffe charakterisiert. Dabei wird deren Weiterentwicklung für den Einsatz in Hochtemperaturprozessen über das Verständnis der mikrostrukturellen Mechanismen des Risswachstums vorangetrieben. Die thermomechanischen Untersuchungen konzentrieren sich dabei auf kontrollierte Rissausbreitungsexperimente und Thermoschocktests. Kontrollierte isotherme Rissausbreitungsexperimente mit makroskopischer und mikroskopischer Beobachtung der Verformung wurden im Keilspalt- und Kompaktzugtest durchgeführt. Für die Bestimmung des Materialwiderstands gegen Risswachstum als Maß der potentiellen Thermoschockschädigung wurden analytische Beziehungen herangezogen. Die Thermoschockuntersuchungen fokossierten sich auf Aufheizthermoschocks mittels Elektronenstrahlanlagen, welche durch schnelle Aufheizung im Vakuum, im Gegensatz zu konventionellen Thermoschocks in Luft oder Wasser, eine chemische Wechselwirkung der Werkstoffe mit einem Testmedium verhinderten. Aufgrund der Probengrößenabhängigkeit der Messergebnisse in den kontrollierten Rissausbreitungsversuchen wurden nur kohlenstofffreie, aluminiumoxidbasierte Werkstoffe untersucht. Hierbei konnte der Einfluss des hinzugegebenen Zirkoniumdioxids und Titanoxids auf das Werkstoffverhalten beobachtet werden. Thermoschockversuche mittels Elektronenstrahl wurden hauptsächlich an kohlenstoffhaltige Materialien durchgeführt, da es bei kohlenstofffreien Materialien zu elektrischer Aufladung kam. Für die untersuchten kohlenstoffhaltigen Materialien wurde die Thermoschockschädigung in Abhängigkeit verschiedener Parameter (Dauer, Anzahl) dargestellt.

In high temperature processes in the basic industry, e.g. steel mining, refractories are applied. To achieve a sufficient thermal shock resistance carbon containing refractories are used in steel mining, despite the fact that the utilization of carbon leads to higher heat losses and carbon pickup. To reduce the heat loss, to govern the carbon pickup and to enable innovative process routines for the clean steel technology novel carbon-reduced and carbon-free refractories are being developed. To assess the application potential and to support the ongoing improvement of selected carbon-reduced and carbon-free refractories the thermal shock performance is investigated focusing on the understanding of the microstructural mechanisms of crack propagation. The thermomechanical investigations concentrate on controlled crack propagation experiments and thermal shock tests. Controlled isothermal crack propagation experiments with macroscopic and microscopic observation are based on wedge splitting and compact tension test. To determine the resistance against crack propagation as an estimation of the potential thermal shock damage analytical relations have been applied. The thermal shock experiments focused on upard mode thermal shocks via electron beam tests facilities. Due to the very fast (ms) upward mode thermal shock in vacuum in contrast to conventional thermal shocks in air or water effects related to chemical interactions can be excluded. Due to a dependency on the sample size only carbon-free, alumina-based refractories were investigated. The influence due to the addition of zirconia and titania is shown. Thermal shock experiments with electron beam were mainly performed on carbon-containing refractories, since carbon-free refractories tended to electrical charging. For the investigated carbon-containing refractories the thermal shock damage is shown in dependence of different parameters (duration, number).

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