Höchste Qualitätsstandards für Feuerfestwerkstoffe

Für die Herstellung von Feuerfestwerkstoffen kann das HTL den Wärmebehandlungsprozess gezielt optimieren. Dies betrifft besonders geformte Feuerfesterzeugnisse, die über die Pulverroute produziert werden. Angefangen von der Trocknung der Grünteile über den Binderausbrand bzw. die Pyrolyse bis zum Sinterprozess stehen für alle Wärmebehandlungsschritte leistungsfähige Methoden zur Identifikation optimaler Prozessparameter zur Verfügung. Grundlage der Prozessoptimierung sind eigens am HTL entwickelte In-Situ-Messverfahren, so genannte ThermoOptische Messverfahren (TOM), mit denen alle relevanten Materialdaten während der Wärmebehandlung gemessen werden. Die Probengrößen betragen ca. 10 bis 100 cm³, sodass ein für viele Anwendungen ausreichend repräsentatives Volumen erfasst wird. Die Proben werden unter den gleichen Bedingungen erwärmt, wie sie in der Industrie vorliegen. Das heißt, die Ofenatmosphäre der Industrieöfen wird möglichst exakt in den TOM-Öfen reproduziert. Die In-Situ-Messdaten werden mit Hilfe robuster Modelle parametrisiert und dann in eigens entwickelten FE-Modellen verwendet, um den jeweiligen Prozessschritt zu simulieren und die Prozessparameter zu optimieren. Kritische Prozessschritte wie die Quarzumwandlung, die Carbonatzersetzung, die Entwässerung von Tonmineralen oder Hochtemperaturphasenumwandlungen werden mit besonderen Methoden untersucht und optimiert. Die FE-Simulation erlaubt insbesondere das Hochskalieren von Proben auf Bauteildimension, was z.B. für Feuerfeststeine wesentlich ist, um die in den Bauteilen während der Wärmebehandlung auftretenden Gradienten adäquat zu berücksichtigen. Optimiert werden in erster Linie Temperaturzyklen, Atmosphären (Zusammensetzung und Strömung) und ggf. Setzpläne. Die optimierten Prozessparameter werden – soweit möglich – in den Laboröfen verifiziert und dann auf die industriellen Aggregate übertragen. Die Optimierung der Wärmebehandlung von Feuerfestwerkstoffen dient einerseits zur Absenkung der Herstellkosten und andererseits zur Steigerung bzw. Sicherung der Produktqualität.
Für die Prüfung von Feuerfestwerkstoffen entwickelt das HTL spezielle Hochtemperatur-Messverfahren und führt Untersuchungen mit bereits etablierten Verfahren durch. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen neuartige ThermoOptische Messverfahren (TOM), mit denen Hochtemperatureigenschaften von Feuerfestwerkstoffen unter definierten und repräsentativen Bedingungen bestimmt werden können. Der Fokus liegt auf Messverfahren zur Ermittlung von thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften. Alle für das Wärmemanagement von Hochtemperaturprozessen relevanten Materialdaten von Feuerfestwerkstoffen werden mit den TOM-Methoden abgedeckt: Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmedehnung, Wärmekapazität und Emissivität. Darüber hinaus misst das HTL mechanische und thermomechanische Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen, die für die Lebensdauer von Feuerfestkomponenten relevant sind. Dazu zählen elastisches und Kriechverhalten, Hochtemperaturfestigkeit, Thermoschock-, Temperatur- und Last-Wechselverhalten. Neben den TOM-Verfahren werden auch Prüfungen mit kommerziell verfügbaren Hochtemperaturmessverfahren durchgeführt. Nach Möglichkeit werden die Prüfungen nach den für Feuerfestwerkstoffe gültigen Normen vorgenommen. Durch den Einsatz von FE-Verfahren besteht am HTL die Möglichkeit, das Einsatzverhalten von Feuerfestbauteilen zu simulieren und ggf. die Bauteilgeometrie zu optimieren. Darüber hinaus hilft die FE-Simulation bei der Bewertung von Prüfergebnissen, die an kleineren Proben bzw. in kürzeren Belastungszyklen generiert wurden. Hierzu dienen auch Verfahren, die am HTL zur Bewertung von Bauteilschäden genutzt werden. Dazu zählen Computertomografie und Messungen der Ultraschalllaufzeit. Zusammen mit Lebensdauermodellen erlauben diese Verfahren Abschätzungen der maximal möglichen Einsatzzeiten von Feuerfestwerkstoffen und dienen zur Beratung von Anwendern bei der Materialauswahl. Auch chemische Hochtemperaturwechselwirkungen von Feuerfestwerkstoffen mit anderen Medien können am HTL untersucht werden. Nach entsprechenden Auslagerungsversuchen in den Spezialöfen des HTL werden Gefügeanalysen durchgeführt, bei denen die kristallinen Phasen, Diffusionsprofile sowie andere Veränderungen der Mikrostruktur mit modernsten analytischen Verfahren identifiziert werden. Weiterhin können Gewichtsänderungen, Benetzungs- und Hafteigenschaften mit den TOM-Anlagen bei hohen Temperaturen unter definierten Bedingungen gemessen werden, sodass das Einsatzverhalten von Feuerfestwerkstoffen unter sehr vielen Aspekten untersucht werden kann. Weitere Details zur Messung der Hochtemperatureigenschaften von Feuerfestwerkstoffen finden sich unter: Hochtemperatur-Charakterisierung. Weitere Details zu Lebensdauerabschätzungen finden sich unter: Lebensdaueranalysen.