Lebensdaueranalysen

Im industriellen Einsatz sind Feuerfestwerkstoffe extremen mechanischen, thermischen oder chemischen Belastungen ausgesetzt. Die Belastung kann in einfachen Fällen, z.B. einem Feuerleichtstein als Bestandteil einer Ofenisolierung, ein stationärer Temperaturgradient sein, der zu thermischen Spannungen führt. Vielfach kommen zyklische thermische Beanspruchungen durch schnelle Aufheiz- und Abkühlzyklen hinzu. Außerdem tragen Feuerfestwerkstoffe häufig mechanische Lasten – z.B. im Fall von Brennhilfsmitteln das Erwärmungsgut. Beim Umgang mit geschmolzenen Werkstoffen, etwa in der Glas- oder Stahlherstellung werden die Feuerfestmaterialien massiven Thermoschocks durch schlagartiges Aufheizen beim Kontakt mit der Schmelze ausgesetzt. Durch den Kontakt mit Schmelzen oder Schlacken, bei anderen Prozessen mit aggressiven Gasen, werden die Feuerfestwerkstoffe von Korrosionsprozessen angegriffen. Alle genannten Beanspruchungen machen einen regelmäßigen Austausch der Feuerfestkomponenten erforderlich, um Schäden am Erwärmungsgut und an den Ofenanlagen zu vermeiden bzw. die Arbeitssicherheit beim Umgang mit flüssigen Schmelzen zu gewährleisten. Aus wirtschaftlicher Sicht sollte der Ersatz so spät wie möglich, jedoch ohne erhöhtes Schadensrisiko erfolgen. Das Fraunhofer-Zentrum HTL bietet verschiedene Analysen und Verfahren an, um die Lebensdauer von geformten Feuerfesterzeugnissen genauer einschätzen zu können.

Zur Bestimmung der Temperaturwechselbeständigkeit werden am HTL Thermoschock-Versuche nach Norm (DIN EN 993-11) an Feuerfest-Steinen durchgeführt. Zusätzlich kann am HTL nach jedem Thermoschock-Zyklus der relative Grad der Schädigung durch Messung der Restschallgeschwindigkeit mit einem mobilen Ultraschallmessgerät gemessen werden. Die Begrenzung der Lebensdauer durch Rissbildungen im Feuerfest-Stein wird so genauer ermittelt. Flankierend werden Ausgangsfestigkeit und Restfestigkeit des Feuerfestmaterials nach definierter Zyklenzahl bestimmt und mit den Schallgeschwindigkeiten korreliert. Ist diese Korrelation für einen Feuerfestwerkstoff bekannt, kann bei Revisionszyklen die Vor-Ort-Messung der Schallgeschwindigkeit als Kriterium für den fälligen Austausch von Feuerfest-Steinen genutzt werden. In Verbindung mit Lebensdauermodellen kann auch eine Abschätzung der möglichen Restnutzungsdauer erarbeitet werden.

Wesentlich flexiblere Thermoschock- und Temperaturwechsel-Versuche sind am HTL mit der eigens entwickelten ThermoOptischen-Messanlage TOM_wave möglich. In TOM_wave werden scheibenförmige Proben (Durchmesser bis 35 mm und Dicke bis 20 mm) auf eine Ausgangstemperatur von bis zu 1750°C vorgeheizt und dann durch ein- oder beidseitige Bestrahlung mit einem leistungsstarken (600W) CO₂-Laser nahezu beliebigen Temperaturbelastungen unterzogen. Durch diese Art der Thermozyklierung lassen sich reale Belastungen der Feuerfestwerkstoffe besser nachbilden als bei den normgerechten Thermoschock-Versuchen. In TOM_wave können die während der Temperaturbelastung auftretenden Schäden (Risse) unmittelbar akustisch detektiert werden. Weiterhin besteht die Option, die fortschreitende Degradation des Materials zwischen den einzelnen Thermozyklen über akustische Resonanzen zu charakterisieren. Dazu werden mit kurzen Pulsen des CO₂-Lasers Schwingungen in der Probe angeregt und akustisch detektiert. Im Nachgang können die akkumulierten Schäden auch durch bildgebende, zerstörungsfreie Prüfverfahren am HTL charakterisiert werden. Mit Hilfe von Finite-Elemente (FE)-Simulationen werden die bei den realen Temperaturzyklen in den Bauteilen auftretenden thermischen Spannungen berechnet. Daraus werden die Temperaturzyklen für TOM_wave ermittelt, die in den zu untersuchenden Proben zu vergleichbaren Belastungen führen. Diese werden dann im Zeitraffer nachgestellt, um die Lebensdauer zu ermitteln. Zusätzlich können die ohne Bruchgefahr möglichen, maximalen stationären Temperaturgradienten bzw. Aufheiz- und Abkühlraten an Feuerfestwerkstoffen bestimmt werden.

Für quantitative Vorhersagen zur Versagenswahrscheinlichkeit eines Feuerfest-Bauteils unter definierter Belastung wird am HTL ein mehrstufiges Verfahren genutzt. Experimentelle Basis des Verfahrens sind Festigkeitsexperimente, die unter verschiedenen Bedingungen (Belastungsrate, Temperatur, Probengeometrie) durchgeführt werden. Aus einer statistischen Auswertung der Messdaten nach Weibull werden mit der Software WeibPar sogenannte Lebensdauer-Parameter ermittelt, die zusammen mit einer über FE-Simulation berechneten Spannungsverteilung im Bauteil unter Last an die von der NASA entwickelte Software CARES übergeben werden. CARES errechnet daraus die zeitliche Entwicklung der Versagenswahrscheinlichkeit des Bauteils unter Last. Liegt für einen Feuerfestwerkstoff eine hinreichend gute Datenbasis und eine Validierung für einen Spezialfall vor, können am HTL zuverlässige Prognosen über die Lebensdauer von Feuerfest-Bauteilen erstellt werden.

Neben den thermomechanischen Belastungen limitiert in Anwesenheit korrosiver Medien häufig auch die chemische Veränderung von Feuerfestwerkstoffen deren Lebensdauer. Um die Korrosion der betroffenen Feuerfest-Bauteile verhindern oder zumindest verringern zu können, bietet das HTL eine Reihe von Verfahren zur Analyse von Korrosionsvorgängen an. Zunächst werden vielfältige analytische Verfahren wie Röntgenfluoreszenzanalyse, Röntgenbeugung, Elektronenmikroskopie etc. eingesetzt, um die chemischen Reaktionen, die zur Korrosion des Feuerfestwerkstoffes beitragen, aufzuklären. Durch Versuche in der Messanlage TOM_chem, in der verschiedenste Ofenbedingungen hinsichtlich Temperatur, Gaszusammensetzung und Strömungsgeschwindigkeit nachgestellt werden können, werden Korrosionsmechanismen identifiziert und der zeitliche Verlauf der korrosiven Degradation bestimmt. Daraus werden am HTL fallspezifisch mögliche Abhilfemaßnahmen abgeleitet wie z.B. Tausch des Feuerfestwerkstoffes, Aufbringung von Schutzschichten, oder geänderte Prozessbedingungen. Deren Wirksamkeit kann dann ebenfalls in Messöfen wie TOM_chem realitätsnah getestet werden. Daraus lassen sich schließlich Abschätzungen zur korrosionsbedingten Lebensdauer der Feuerfestwerkstoffe erstellen.