Wie die Forschungsaufgaben von K1-MET an der Montanuniversität Leoben unterstützt werden

Mit der von ZwickRoell speziell für den Keilspaltversuch konzipierten Prüflösung kann das Mode-I-Bruchverhalten gewöhnlicher feuerfester Materialien bei Temperaturen bis 1.500°C geprüft werden. Dafür stattete ZwickRoell ein bereits vorhandenes Prüfsystem der MUL mit einem präzisen optischen Laser-Messsystem, einem Hochtemperatur-Ofen und einem Temperatur-Regler sowie mit einem Kühlsystem für das Lastgestänge aus. Um die kunstharzgebundenen Magnesiacarbon-Steine (MgO-C) mit einem Kohlenstoffgehalt von 10% vor Oxidation zu schützen, wird der Ofen während des Versuchs mit Inertgas (z.B. Argon) gespült.

Bei erhöhten Temperaturen kann die Dehnungsmessung aufgrund der Konvektion im Ofen und aufgrund der möglichen Reaktionen von feuerfesten Komponenten mit der Umgebungsatmosphäre schwierig sein. Diesen Herausforderungen wird mit dem optischen Dehnungsmesssystem auf Basis des laserXtens HP von ZwickRoell begegnet. Dabei kommen zwei Extensometer in der Genauigkeitslasse 0,5 gemäß ISO 9513 zum Einsatz, die je über zwei hochauflösende Kameras und je zwei grüne Laserdioden verfügen. Die Verformung wird berührungslos an der Vorder- und Rückseite der Probe gemessen. Das Anbringen von Messmarken an der Probe ist nicht erforderlich, da die Messpunkte durch das Laserlicht auf die Probe appliziert werden und im Laufe des Keilspaltversuchs im Kamerabild verfolgt werden.

Zur Bestimmung der Bruchenergie und zur Beobachtung der Rissbildung eignen sich verschiedene bruchmechanische Versuche: einachsige Zugversuche, Drei-Punkt-Biegeversuche, Kompakt-Zugversuche (compact tension CT) und Keilspaltversuche. Das Prinzip eines Keilspaltversuchs besteht darin, einen gekerbten prismatischen Probenkörper (z.B. mit den Maßen 100x100x75mm) zu spalten. Dabei wird ein Keil zwischen zwei beidseitig am Probenkörper befestigte Rollen eingebracht und mit einer vertikalen Kraft beaufschlagt. Aufgrund der Keil-Rollen Anordnung wird diese Kraft in eine Horizontalkraft transformiert. Die aus dem Keilspaltversuch gewonnen Ergebnisse dienen der Berechnung der spezifischen Bruchenergie und der nominellen Kerbzugfestigkeit.

Mit dieser Prüflösung von ZwickRoell kann die bruchmechanische Charakterisierung von feuerfesten kunstharzgebundenen Magnesiacarbon-Steinen bis zu 1.500°C durchgeführt werden. K1-MET und der Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde an der MUL verwenden die Ergebnisse dieses Keilspaltversuchs in einer Finite-Elemente-Simulation zur Berechnung der spezifischen Bruchenergie und der nominellen Kerbzugfestigkeit. Mit diesen Kennwerten ist eine zuverlässigere Einschätzung der Lebensdauer von feuerfesten Ausmauerungen z.B. für Stahlpfannen in der Sekundärmetallurgie möglich.

Mit der Entwicklung dieses einzigartigen Versuchsaufbaus für die ‚Analyse der Verschleißeigenschaften von feuerfesten Materialien zur Erhöhung der Lebensdauer‘ findet die langjährige Zusammenarbeit zwischen dem Lehrstuhl für Gesteinshüttenkunde an der MUL, K1-MET und ZwickRoell in Fürstenfeld eine erfolgreiche Fortsetzung. Mit der schnellen Projektumsetzung stellte ZwickRoell die Kompetenz in der Hochtemperaturprüfung und der optischen Dehnungsmessung abermals unter Beweis, bekräftigt Martin Stückelschweiger, ehemaliges Forschungsmitglied der K1-MET und verantwortlich für die Projektumsetzung an der MUL, dessen Forschungstätigkeit mit diesem stabilen und zuverlässigen Prüfsystem unterstützt wird.

Die Gesteinshüttenkunde ist jene technische Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau, den Eigenschaften, der Herstellung und der Anwendung von mineralischen Baustoffen beschäftigt. Dazu gehören mineralische Bindemittel sowie daraus hergestellte Baustoffe, Feuerfestbaustoffe, Keramik und Glas. Feuerfeste Baustoffe werden z.B. in der Stahl-, Glas- und Baustoffindustrie eingesetzt. Sie dienen als feuerfeste Ausmauerung in Gefäßen, Öfen, Pfannen usw. und halten Temperaturen von über 1.500°C stand.

Unter anderen ist die mechanische Charakterisierung feuerfester Baustoffe im Hochtemperaturbereich mittels Laboruntersuchungen einer der zentralen Forschungsschwerpunkte des Lehrstuhls. In Kriech-, Druck- und Keilspaltversuchen sowie durch Messungen des E-Moduls und in ‚modified shear tests‘ werden Materialkennwerte generiert, die in weiterer Folge die Simulation des mechanischen und thermomechanischen Verhaltens von feuerfesten Baustoffen, insbesondere in Hinblick auf ein Schädigungspotential zulassen.

Das metallurgische Kompetenzzentrum K1-MET GmbH beschäftigt sich mit der experimentellen Forschung sowie der Modellierung und Simulation von metallurgischen Prozessen, einschließlich metallurgischen Rohstoffen und Feuerfestmaterialien mit dem übergeordneten Ziel einer optimalen Prozesssteuerung in Bezug auf die Produktqualität, zero waste und die Minimierung des Energie- und Rohstoffbedarfs. Im Bereich der Feuerfesttechnologie führt K1-MET GmbH unter anderem Finite-Elemente-Simulationen durch, um thermisch beanspruchte Feuerfestzustellungen zu analysieren und mögliche Schäden aufgrund thermomechanischer Spannungen vorhersagen zu können.

Das COMET-Zentrum K1-MET GmbH wird im Rahmen von COMET - Competence Centers for Excellent Technologies durch BMVIT, BMDW sowie der Länder Oberösterreich, Steiermark und Tirol gefördert. Das Programm COMET wird durch die FFG abgewickelt. Neben der Förderung erfolgt die Finanzierung durch Partner aus Industrie und Wissenschaft.