Multi-Parameter Optimierung feuerfester Zustellungen unter Anwendung der Finite-Elemente Simulation

In Hochtemperaturaggregaten sind feuerfeste Baustoffe unter Prozessbedingungen thermischen und thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. Durch unterschiedliche Beanspruchungsarten tritt Materialversagen auf und führt zu Verschleiß. Außerdem kann es abhängig vom Zustellkonzept zu erheblichen Wärmeverlusten kommen. Aus diesem Grund sind auf die Einsatzbedingungen abgestimmte feuerfeste Zustellungen notwendig. Ziel dieser Forschungsarbeit ist die thermomechanische Optimierung einer feuerfesten Stahlpfannenzustellung auf Basis verschiedener geometrischer Einflussgrößen unter Zuhilfenahme der Finite-Elemente Methode und Multi-Parameter Optimierungsmethoden. Fundierte Kenntnis des Materialverhaltens von feuerfesten Baustoffen ist die Grundlage für belastbare Simulationsergebnisse. Hierfür wurden die Materialkennwerte eines kunstharzgebundenen MgO-C Baustoffes, welcher als Verschleißfutter in Stahlpfannen Verwendung findet, in Abhängigkeit der Temperatur bis zur Anwendungstemperatur ermittelt. Die Weiterentwicklung und Verbesserung von Prüfmethoden, wie z. B. dem modifizierten Schertest, waren erforderlich, um die Materialkennwerte unter reduzierenden Bedingungen zu bestimmen. Der MgO-C Baustoff zeigt eine deutliche Anisotropie bezüglich der Pressrichtung und stark von der Materialvorbereitung (grüner oder verkokter Zustand) abhängige Materialkennwerte. Zudem erfolgte ein Vergleich von Standard- und feuerfestspezifischen Prüfmethoden zur Bestimmung von Kohäsion und Reibungswinkel bei Raumtemperatur. Neben der Materialprüfung war die Finite-Elemente Simulation als Datenbasis für die Zustellungsoptimierung ein weiterer Schwerpunkt. Die Schlackenzonenzustellung einer sekundärmetallurgischen Stahlpfanne wurde als Einheitszellenmodell umgesetzt und irreversibles Materialversagen anhand der Materialmodelle Norton-Bailey Kriechen und dem Drucker-Prager Modell berücksichtigt. Die Simulationsdatensets für die Multi-Parameteroptimierung mittels TOPSIS und GRA beinhalten die Variation der Verschleißfuttersteingeometrie, der Dehnvorgabe und der Isolierschichtstärke. Zusätzlich zur Zustellungsoptimierung erfolgte eine Analyse der Inputparametertrends, wie z. B. Spannungen oder Dehnungen, bezüglich der Variationsparameter. Das Verständnis der Versagensmechanismen, ob zeitabhängig oder zeitunabhängig, ist von zentraler Bedeutung für die Optimierung und Auslegung feuerfester Zustellungen. Die Auswirkungen der Materialmodelle sind über verschiedene Zeiträume hinweg sehr unterschiedlich stark von den Materialkennwerten beeinflusst und können sich je nach verwendetem feuerfesten Baustoff in Abhängigkeit der weiteren Parameter ändern. Die Optimierungsergebnisse zeigen spezifische Tendenzen bezüglich der Versagensmechanismen, wobei die Zuordnung spezifischer geometrischer Eigenschaften der Zustellungen möglich ist. Die idealen Zustellungskonfigurationen unter Berücksichtigung der Materialkennwerte des grünen MgO-C Baustoffes bestehen aus Steingeometrien mit größerer Umfangsabmessung und geringer Dehnvorgabe bei Anwendung des Norton-Bailey Kriechmodelles. Für das Drucker-Prager Modell ergibt die Kombination aus einer Steingeometrie mit geringer Umfangsabmessung und größeren Dehnvorgaben die günstigsten Zustellungskonfigurationen. Bei Anwendung der Materialkennwerte des verkokten MgO-C Baustoffes sind die Ergebnisse für beide Materialmodelle ident und der Kombinationen des grünen MgO-C Baustoffes mit Norton-Bailey Kriechmodell ähnlich.