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

Maximilian Klopf

doi:10.34901/mul.pub.2025.069

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

Translated title of the contribution: Multi-parameter optimisation of refractory linings applying finite element simulation

Maximilian Klopf

Chair of Ceramics (320)

Research output: Thesis › Doctoral Thesis

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Abstract

In industrial applications, refractory materials are exposed to thermal and thermomechanical stresses under process conditions. Material failure occurs due to different loading types leading to wear. For this reason, refractory linings adapted to the operating conditions are necessary. The aim of this research work is the thermomechanical optimization of a refractory steel ladle lining on the basis of various geometric parameters using the finite element method and multi-parameter optimization methods. A solid understanding of the material behavior of refractory materials is crucial for reliable simulation results. For this purpose, the material properties of a resin-bonded MgO-C material, used as a wear lining in steel ladles, were determined temperature-dependent up to the application temperature. The further development and improvement of test methods, such as the modified shear test, were necessary in order to determine the material properties under reducing conditions. The MgO-C material exhibits significant anisotropy with respect to the pressing direction and material properties that are dependent on the material preparation, green or coked state. Additionally, a comparison of standard and refractory-specific testing methods for determining cohesion and friction angle at room temperature was conducted. Alongside material testing, Finite Element Simulation served as a database for lining optimization. The slag zone lining of a secondary metallurgical steel ladle was implemented as a unit cell model and irreversible material failure was considered using the Norton-Bailey creep and the Drucker-Prager model. To establish simulation datasets for multi-parameter optimization using TOPSIS and GRA, variations of the working lining brick shape, initial expansion allowance and isolation layer thickness were made. In addition to the lining optimization, an analysis of the trends within the input parameters, such as stresses or strains, regarding variation parameters was carried out. Understanding the failure mechanisms, whether time-dependent or time-independent, is crucial for the optimization and design of refractory linings. The effects of the material models vary significantly over different time periods, are strongly influenced by the material properties and can change depending on the refractory material used. The optimization results show specific tendencies regarding the failure mechanisms, whereby the assignment of specific geometric properties of the linings is possible. The ideal lining configurations, taking into account the material properties of the MgO-C material in green state, consist of brick geometries with larger circumferential dimensions and low initial expansion allowance when applying the Norton-Bailey creep model. For the Drucker-Prager model, the combination of a brick geometry with a small circumferential dimension and larger initial expansion allowance results in the most favourable lining configurations. When the material properties of the coked MgO-C material are applied, the results for both material models are identical and similar to the combinations of the green MgO-C material with the Norton-Bailey creep model.

Translated title of the contribution	Multi-parameter optimisation of refractory linings applying finite element simulation
Original language	German
Qualification	Dr.mont.
Awarding Institution	Montanuniversität
Supervisors/Advisors	Harmuth, Harald, Assessor A (internal) Aneziris, Cristos G., Assessor A (external), External person Antretter, Thomas, Co-Supervisor (internal) Gruber, Dietmar, Supervisor (internal)
DOIs	https://doi.org/10.34901/mul.pub.2025.069
Publication status	Published - 2025

Bibliographical note

no embargo

Keywords

lining optimization
multi-parameter optimization
steel ladle
slag zone lining
MgO-C
material testing

Access to Document

10.34901/mul.pub.2025.069Licence: CC BY

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Cite this

@phdthesis{463ceded221e48ddad5f4b8eeb7fa40c,

title = "Multi-Parameter Optimierung feuerfester Zustellungen unter Anwendung der Finite-Elemente Simulation",

abstract = "In Hochtemperaturaggregaten sind feuerfeste Baustoffe unter Prozessbedingungen thermischen und thermomechanischen Belastungen ausgesetzt. Durch unterschiedliche Beanspruchungsarten tritt Materialversagen auf und f{\"u}hrt zu Verschlei{\ss}. Au{\ss}erdem kann es abh{\"a}ngig vom Zustellkonzept zu erheblichen W{\"a}rmeverlusten 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 Einflussgr{\"o}{\ss}en unter Zuhilfenahme der Finite-Elemente Methode und Multi-Parameter Optimierungsmethoden. Fundierte Kenntnis des Materialverhaltens von feuerfesten Baustoffen ist die Grundlage f{\"u}r belastbare Simulationsergebnisse. Hierf{\"u}r wurden die Materialkennwerte eines kunstharzgebundenen MgO-C Baustoffes, welcher als Verschlei{\ss}futter in Stahlpfannen Verwendung findet, in Abh{\"a}ngigkeit der Temperatur bis zur Anwendungstemperatur ermittelt. Die Weiterentwicklung und Verbesserung von Pr{\"u}fmethoden, wie z. B. dem modifizierten Schertest, waren erforderlich, um die Materialkennwerte unter reduzierenden Bedingungen zu bestimmen. Der MgO-C Baustoff zeigt eine deutliche Anisotropie bez{\"u}glich der Pressrichtung und stark von der Materialvorbereitung (gr{\"u}ner oder verkokter Zustand) abh{\"a}ngige Materialkennwerte. Zudem erfolgte ein Vergleich von Standard- und feuerfestspezifischen Pr{\"u}fmethoden zur Bestimmung von Koh{\"a}sion und Reibungswinkel bei Raumtemperatur. Neben der Materialpr{\"u}fung war die Finite-Elemente Simulation als Datenbasis f{\"u}r die Zustellungsoptimierung ein weiterer Schwerpunkt. Die Schlackenzonenzustellung einer sekund{\"a}rmetallurgischen Stahlpfanne wurde als Einheitszellenmodell umgesetzt und irreversibles Materialversagen anhand der Materialmodelle Norton-Bailey Kriechen und dem Drucker-Prager Modell ber{\"u}cksichtigt. Die Simulationsdatensets f{\"u}r die Multi-Parameteroptimierung mittels TOPSIS und GRA beinhalten die Variation der Verschlei{\ss}futtersteingeometrie, der Dehnvorgabe und der Isolierschichtst{\"a}rke. Zus{\"a}tzlich zur Zustellungsoptimierung erfolgte eine Analyse der Inputparametertrends, wie z. B. Spannungen oder Dehnungen, bez{\"u}glich der Variationsparameter. Das Verst{\"a}ndnis der Versagensmechanismen, ob zeitabh{\"a}ngig oder zeitunabh{\"a}ngig, ist von zentraler Bedeutung f{\"u}r die Optimierung und Auslegung feuerfester Zustellungen. Die Auswirkungen der Materialmodelle sind {\"u}ber verschiedene Zeitr{\"a}ume hinweg sehr unterschiedlich stark von den Materialkennwerten beeinflusst und k{\"o}nnen sich je nach verwendetem feuerfesten Baustoff in Abh{\"a}ngigkeit der weiteren Parameter {\"a}ndern. Die Optimierungsergebnisse zeigen spezifische Tendenzen bez{\"u}glich der Versagensmechanismen, wobei die Zuordnung spezifischer geometrischer Eigenschaften der Zustellungen m{\"o}glich ist. Die idealen Zustellungskonfigurationen unter Ber{\"u}cksichtigung der Materialkennwerte des gr{\"u}nen MgO-C Baustoffes bestehen aus Steingeometrien mit gr{\"o}{\ss}erer Umfangsabmessung und geringer Dehnvorgabe bei Anwendung des Norton-Bailey Kriechmodelles. F{\"u}r das Drucker-Prager Modell ergibt die Kombination aus einer Steingeometrie mit geringer Umfangsabmessung und gr{\"o}{\ss}eren Dehnvorgaben die g{\"u}nstigsten Zustellungskonfigurationen. Bei Anwendung der Materialkennwerte des verkokten MgO-C Baustoffes sind die Ergebnisse f{\"u}r beide Materialmodelle ident und der Kombinationen des gr{\"u}nen MgO-C Baustoffes mit Norton-Bailey Kriechmodell {\"a}hnlich.",

keywords = "Zustellungsoptimierung, Multi-Parameter Optimierung, Stahlpfanne, Schlackenzonenzustellung, MgO-C, Materialpr{\"u}fung, lining optimization, multi-parameter optimization, steel ladle, slag zone lining, MgO-C, material testing",

author = "Maximilian Klopf",

note = "nicht gesperrt",

year = "2025",

doi = "10.34901/mul.pub.2025.069",

language = "Deutsch",

school = "Montanuniversit{\"a}t Leoben (000)",

}

TY - BOOK

T1 - Multi-Parameter Optimierung feuerfester Zustellungen unter Anwendung der Finite-Elemente Simulation

AU - Klopf, Maximilian

N1 - nicht gesperrt

PY - 2025

Y1 - 2025

N2 - 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.

AB - 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.

KW - Zustellungsoptimierung

KW - Multi-Parameter Optimierung

KW - Stahlpfanne

KW - Schlackenzonenzustellung

KW - MgO-C

KW - Materialprüfung

KW - lining optimization

KW - multi-parameter optimization

KW - steel ladle

KW - slag zone lining

KW - MgO-C

KW - material testing

U2 - 10.34901/mul.pub.2025.069

DO - 10.34901/mul.pub.2025.069

M3 - Dissertation

ER -