Creep behaviour of refractories under various loading conditions

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

Organisationseinheiten

Abstract

Im Betrieb sind feuerfeste Zustellungen thermomechanischen Belastungen ausgesetzt, die innere Spannungen, wie z. B. uniaxiale Zug- und Druckspannungen, Scherspannungen und multiaxiale Spannungen hervorrufen. Kriechen von Feuerfestmaterialien ist eine Folge dieser Spannungen. Bei hohen Temperaturen tritt primäres Kriechen auf, welches zum sekundären und tertiären Kriechstadium übergehen kann. In der Regel wird das Kriechverhalten von grobkeramischen Feuerfestmaterialien hauptsächlich im primären Stadium unter uniaxialen Druckbelastungen untersucht. Für ein umfassendes Verständnis des thermomechanischen Materialverhaltens und der Entwicklung von Materialmodellen ist es jedoch unerlässlich, Kriechen unter verschiedenen Spannungszuständen zu untersuchen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Kriechverhalten von grobkeramischen Feuerfestmaterialien unter verschiedenen uniaxialen und multiaxialen Spannungszuständen experimentell zu untersuchen und in Finite Elemente (FE) Simulationen zu berücksichtigen. Die Untersuchung des uniaxialen Kriechverhaltens bei unterschiedlichen Spannungsniveaus erfolgte mit zwei fortschrittlichen Druck- bzw. Zugkriechprüfgeräten. Mit diesen konnten Kriechkurven, die alle drei Stadien beinhalten, experimentell bestimmt werden. Mit einem neu entwickelten Verfahren konnte der Beginn der drei Stadien in den Kriechkurven identifiziert und die Norton-Bailey Kriechparameter für jedes Stadium inverse ermittelt werden. Um die Kriechstadien in FE-Simulationen vorauszusagen, erfolgte eine Korrelation der aufgebrachten Spannungen mit den kritischen Dehnungen am Beginn der Kriechstadien. Diese wurde zusammen mit den Norton-Bailey Parametern in einem FE Modell berücksichtigt. Die Simulationsergebnisse zeigten gute Übereinstimmungen mit den experimentellen Ergebnissen. Weiters erfolgte eine Quantifizierung der starken Asymmetrie zwischen Zug- und Druckkriechen. Die Untersuchung des Scherkriechverhaltens erfolgte an prismatischen Probengeometrien mit geneigten Kerben an der Oberfläche. Diese Kerben definieren die Scherebene in der Probe bei uniaxialer Druckbelastung. Die FE-Simulation der Versuche mit den uniaxialen Druck- oder Zugkriechparametern zeigte eine unzureichende Übereinstimmung mit den Testergebnissen. Deshalb wurde ein asymmetrisches Kriechmodell weiterentwickelt, um Scherkriechparameter in Kombination mit den uniaxialen Zug- und Druckkriechparametern, sowie Gewichtungsfunktionen für abweichende Spannungszuständen zu bestimmen. Die Simulationsergebnisse mit diesem Kriechmodell zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Testergebnissen. Ein Vergleich der Scherkriechparameter mit den uniaxialen Zug- und Druckkriechparametern zeigte signifikante Unterschiede und somit eine Asymmetrie zwischen den Spannungszuständen. Außerdem erfolgte die Untersuchung des multiaxialen Druckkriechverhaltens mit einem neu entwickelten Setup. Dieses bietet die Möglichkeit bei uniaxial aufgebrachter Drucklast multiaxiale Druckbelastungen in einer zylinderförmigen Probe zu erzeugen. Bei diesem Setup erfolgte eine Beschränkung der radialen Dehnungen des untersuchten Feuerfestmaterials mit einem steifen Keramikrohr. Das untersuchte grobkeramische Feuerfestmaterial zeigte eine signifikante Abnahme des Volumens während des Kriechversuches. FE Simulationen mit dem auf von Mises-Spannungen basierendem Kriechmodell und dem Drucker-Prager Kriechmodell, lieferten unzufriedenstellende Übereinstimmungen mit den Experimenten. Mit einem neu entwickelten volumetrischen Kriechmodell, welches die Volumenänderung durch Kriechen in FE Simulationen berücksichtigt, konnte eine gute Übereinstimmung mit den Testergebnissen erzielt werden.

Details

Titel in ÜbersetzungKriechverhalten von feuerfesten Baustoffen unter verschiedenen Belastungsbedingungen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2020