Fraunhofer ISC, Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth
Feuerfestwerkstoffe umfassen dichte geformte Feuerfesterzeugnisse, Feuerleicht- und Isoliersteine, faserbasierte Feuerfesterzeugnisse sowie ungeformte Erzeugnisse. Sie haben in erster Linie tragende und isolierende Funktion. Feuerfeste Erzeugnisse müssen hohen Temperaturen und korrosiven Medien standhalten - z.B. als Ofenzustellung in Hochtemperaturöfen. Je nach Einsatzort sind sie mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt. In Ofenzustellungen verwendete Feuerfestwerkstoffe benötigen eine gewisse Mindestfestigkeit und Kriechbeständigkeit, um nicht unter Eigenlast zu brechen oder zu kriechen. Eine hohe thermische bzw. Druckfeuerbeständigkeit sind ferner Voraussetzung für die benötigte Formbeständigkeit, d.h. Kriechen und Nachsintern der Feuerfestwerkstoffe sind unzulässig. Die im Einsatz geplanten Temperaturzyklen erfordern zudem eine hohe Temperaturwechselbeständigkeit und Beständigkeit gegen Thermoschock. Eine hohe Verschlackungsbeständigkeit ist darüber hinaus eine wichtige Voraussetzung für Anwendungen, bei welchen die Feuerfestwerkstoffe direkten oder mittelbaren Kontakt mit korrosiven Gasen oder Schmelzen haben. Für isolierende Komponenten, z.B. in Hintermauerungen, sind dagegen niedrige Wärmeleitfähigkeiten und Wärmekapazitäten ausschlaggebend, um Feuerfestzustellungen kompakt und energieeffizient auslegen zu können.
Die oben genannten Eigenschaften sind in einem Feuerfestwerkstoff nicht alle realisierbar und teilweise sogar gegenläufig. Eine hohe Festigkeit erfordert in der Regel eine hohe relative Dichte, was jedoch zu einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit und volumenbezogenen Wärmekapazität führt. Eine Verringerung der relativen Dichte durch Erzeugung von zusätzlicher Porosität resultiert zwar in einer geringeren Wärmeleitfähigkeit, jedoch verschlechtern sich hiermit in der Regel die mechanischen Eigenschaften und die Abrasionsbeständigkeit. Dichte Werkstoffe mit niedrigen Wärmeleitfähigkeiten sind wiederum häufig anfällig gegen Thermoschock. Für die Eigenschaftsoptimierung in diesem Zielkonflikt werden systematische Bewertungskriterien benötigt.
Am HTL werden Feuerfestwerkstoffe mit optimierten Eigenschaftsprofilen entwickelt, um ressourcen- und energieeffiziente Lösungen für verschiedenste Feuerfestanwendungen zu finden und Herstellern sowie Endanwendern technologische und ökonomische Vorteile zu erschließen. Die entwickelten Feuerfestwerkstoffe umfassen saure, basische sowie kontaktindifferente Materialien aus oxidischen und nichtoxidischen Komponenten sowie Kombinationen hiervon. Das HTL deckt mit seinen Versuchsanlagen und Computerprogrammen die gesamte Herstellkette für die Entwicklung von Feuerfestkomponenten ab: von der Materialauswahl und dem Bauteildesign über die Versatzaufbereitung und Formgebung sowie der Wärmebehandlung bis zur Prüfung. So stehen z.B. zur Formgebung neben gängigen Verfahren wie Pressen, Stampfen und Gussverfahren auch spezielle Eigenentwicklungen des HTL zur Verfügung.
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