In Kooperation mit Zwickroell : Wie Zwickroell Forschungsaufgaben von K1-MET an der Montanuniversität Leoben unterstützt

Ein zentraler Forschungsschwerpunkt des Lehrstuhls für Gesteinshüttenkunde an der Montanuniversität Leoben ist die mechanische Charakterisierung feuerfester Baustoffe im Hochtemperaturbereich. Die Gesteinshüttenkunde ist jene technische Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften, der Herstellung und der Anwendung von mineralischen Baustoffen beschäftigt. Dazu gehören mineralische Bindemittel sowie daraus hergestellte Baustoffe, Feuerfestbaustoffe, Keramik und Glas. Feuerfeste Baustoffe werden z.B. in der Stahl-, Glas- und Baustoffindustrie eingesetzt. Sie dienen als feuerfeste Ausmauerung in Gefäßen, Öfen, Pfannen usw. und halten Temperaturen von über 1.500°C stand. Im Labor der MUL werden dazu Kriech-, Druck- und Keilspaltversuche durchgeführt. Aber auch durch Messungen des E-Moduls und in ‚modified shear tests‘ werden Materialkennwerte generiert. Mit all diesen Informationen simulieren die Forscher das mechanische und thermomechanische Verhalten von feuerfesten Baustoffen, insbesondere in Hinblick auf ein Schädigungspotential.

Das metallurgische Kompetenzzentrum K1-MET beschäftigt sich mit der experimentellen Forschung sowie der Modellierung und Simulation von metallurgischen Prozessen. Das übergeordneten Ziel besteht darin, zu einer optimalen Prozesssteuerung in Bezug auf die Produktqualität, zero waste und die Minimierung des Energie- und Rohstoffbedarfs beizutragen. Im Bereich der Feuerfesttechnologie führt K1-MET unter anderem Finite-Elemente-Simulationen durch. Mit diesen Simulationen können thermisch beanspruchte Feuerfestzustellungen analysiert und mögliche Schäden aufgrund thermomechanischer Spannungen vorhergesagt werden.

Zur Bestimmung der Bruchenergie und zur Beobachtung der Rissbildung eignen sich verschiedene bruchmechanische Versuche: einachsige Zugversuche, Drei-Punkt-Biegeversuche, Kompakt-Zugversuche (compact tension CT) und Keilspaltversuche. Das Prinzip eines Keilspaltversuchs besteht darin, einen gekerbten prismatischen Probenkörper (z.B. mit den Maßen 100x100x75mm) zu spalten. Dabei wird ein Keil zwischen zwei beidseitig am Probenkörper befestigte Rollen eingebracht und mit einer vertikalen Kraft beaufschlagt. Aufgrund der Keil-Rollen Anordnung wird diese Kraft in eine Horizontalkraft transformiert. Die aus dem Keilspaltversuch gewonnen Ergebnisse dienen der Berechnung der spezifischen Bruchenergie und der nominellen Kerbzugfestigkeit. Mit der von Zwickroell speziell für den Keilspaltversuch konzipierten Prüflösung kann das Mode-I-Bruchverhalten gewöhnlicher feuerfester Materialien bei Temperaturen bis 1.500°C geprüft werden. Dafür stattete Zwickroell ein bereits vorhandenes Prüfsystem der MUL mit einem präzisen optischen Laser-Messsystem, einem Hochtemperatur-Ofen und einem Temperatur-Regler sowie mit einem Kühlsystem für das Lastgestänge aus. Um die kunstharzgebundenen Magnesiacarbon-Steine (MgO-C) mit einem Kohlenstoffgehalt von 10% vor Oxidation zu schützen, wird der Ofen während des Versuchs mit Inertgas (z.B. Argon) gespült.

Bei erhöhten Temperaturen kann die Dehnungsmessung aufgrund der Konvektion im Ofen und aufgrund der möglichen Reaktionen von feuerfesten Komponenten mit der Umgebungsatmosphäre schwierig sein. Diesen Herausforderungen wird mit dem optischen Dehnungsmesssystem auf Basis des laserXtens HP von Zwickroell begegnet. Dabei kommen zwei Extensometer in der Genauigkeitslasse 0,5 gemäß ISO 9513 zum Einsatz, die je über zwei hochauflösende Kameras und je zwei grüne Laserdioden verfügen. Die Verformung wird berührungslos an der Vorder- und Rückseite der Probe gemessen. Das Anbringen von Messmarken an der Probe ist nicht erforderlich, da die Messpunkte durch das Laserlicht auf die Probe appliziert werden und im Laufe des Keilspaltversuchs im Kamerabild verfolgt werden.

Mit dieser Prüflösung von Zwickroell kann die bruchmechanische Charakterisierung von feuerfesten kunstharzgebundenen Magnesiacarbon-Steinen bis zu 1.500°C durchgeführt werden. K1-MET und der Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde an der MUL verwenden die Ergebnisse dieses Keilspaltversuchs in einer Finite-Elemente-Simulation zur Berechnung der spezifischen Bruchenergie und der nominellen Kerbzugfestigkeit. Mit diesen Kennwerten ist eine zuverlässigere Einschätzung der Lebensdauer von feuerfesten Ausmauerungen z.B. für Stahlpfannen in der Sekundärmetallurgie möglich.

Mit der Entwicklung dieses einzigartigen Versuchsaufbaus für die Analyse der Verschleißeigenschaften von feuerfesten Materialien zur Erhöhung der Lebensdauer wird die langjährige Zusammenarbeit zwischen der MUL, K1-MET und Zwickroell in Fürstenfeld erfolgreich fortgesetzt. Mit der schnellen Projektumsetzung stellte Zwickroell die Kompetenz in der Hochtemperaturprüfung und der optischen Dehnungsmessung abermals unter Beweis, bekräftigt Martin Stückelschweiger, ehemaliges Forschungsmitglied der K1-MET und verantwortlich für die Projektumsetzung an der MUL, dessen Forschungstätigkeit mit diesem stabilen und zuverlässigen Prüfsystem unterstützt wird.