Temperaturwechselverhalten tonerdereicher feuerfester Steine im Bereich hoher Temperaturen

148 Pages·1980·3.405 MB·German

by  Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Krönert, Dr. -Ing. Arno Böhm (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Nr. 2928/Fachgruppe Bau/Steine/Erden
Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Kronert
Dr. -Ing. Arno Bohm
Institut fUr Gesteinshuttenkunde
der Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Temperaturwechselverhalten
tonerdereicher feuerfester Steine
im Bereich hoher Temperaturen
Westdeutscher Verlag 1980
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutechen Bibliothek
KrHnert, Wolfgang:
Temperaturwechselverhalten tonerdereicher
feuerfester Steine im Bereich hoher Tempera
turen / Wolfgang KrHnert ; Arno BHhm. -
Opladen : Westdeutscher Verlag, 1980.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 2928 : Fachgruppe Bau,
Steine, Erden)
ISBN-13: 978-3-531-02928-3 e-ISBN-13: 978-3-322-88479-4
DOl: 10.1007/978-3-322-88479-4
NE: BHhm, Arno:
© 1980 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02928-3
- III -
Inhalt
1. Einleitung und Problemstellung
2. Literaturlibersicht 4
2.1 Experimentelle Bestimmung der TI'1B 4
2.2 Rechnerische Verfahren zur Bestimmung der TWB 8
2.3 Die Warmespannungsparameter 10
2.3.1 Theorie der kritischen Spannungen 10
2.3.2 Warmespannungsparameter unter Berlicksichtigung
des visko-elastischen FlieBens bei hohen
Temperaturen 15
2.3.3 Warmespannungsparameter unter Berlicksichtigung
der Bruchmechanik 19
2.4 Statistische Betrachtung der Thermoschock-
bestandigkeit 22
3. Experimentelle Untersuchung der Temperaturwechsel
bestandigkeit und Beschreibung der dazu verwendeten
Apparaturen 24
3.1 Der TWB-Ofen 24
3.2 Die Temperaturwechsel 25
3.3 Die Messung der durch die Temperaturwechsel
aufgetretenen Schadigungen 26
3.3.1 Die Resonanzfrequenzmessung 27
3.3.1.1 Die physikalischen Grundlagen der
Resonanzfrequenzmessung 27
3.3.1.2 Der apparative Aufbau zur Resonanzfrequenz
messung 29
3.3.1.3 Bestimmung der Resonanzfrequenz erster Ordnung,
Frequenzauswahl 30
3.3.2 Die Ultraschallaufzeitmessung 33
3.3.2.1 Der apparative Aufbau 35
3.3.2.2 Die Durchflihrung der Schallaufzeitmessung 35
3.3.3 Der EinfluB zunehmender Zerstorung auf die
Ergebnisse der Resonanzfrequenz- und Ultra
schallaufzeitmessung 36
- IV -
3.3.4 Bestimmung einer mathematischen Beziehung
zwischen dem Abfall der Resonanzfrequenz
und der Anzahl der Temperaturwechsel 39
3.3.5 Uberprufung der Moglichkeit einer Extra
polation des Kurvenverlaufes 42
4. Untersuchung der Proben im Anlieferungszustand 45
4.1 Die chemische Analyse 45
4.2 Die mineralogische Analyse 46
4.3 Die technologischen Eigenschaften 46
4.4 Die thermischen Eigenschaften 46
4.5 Mikroskopische Beurteilung des GefUges
der Proben 47
5. Die Versuchsergebnisse 53
5.1 EinfluB der Versuchsbedingungen auf die
MeBergebnisse 53
5.1.1 EinfluB der Temperaturdifferenz 54
5.1.2 EinfluB der Temperaturhohe 57
5.1. 3 EinfluB der Anzahl der Aufheiz- und Abkuhl-
vorg~nge auf das Ergebnis der TWB-Bewertung 61
5.2 EinfluB der technologischen und thermischen
Eigenschaften der Materialien auf die TWB 62
5.3 EinfluB mineralogischer Zusammensetzung und
der Mikrostruktur auf die TWB 65
6. Temperaturverteilung in den Steinen w~hrend der
Temperaturwechsel 68
6.1 Die experimentelle Bestimmung der Temperatur
verteilung 69
6.2 Die berechnete Temperaturverteilung 70
7. Zusammenh~nge zwischen Messungen des Hochtemperatur-
torsionsverhaltens und des Temperaturwechselverhaltens 75
8. Zusammenhang zwischen Resonanzfrequenzabfall und
Festigkeitsverlust infolge Thermoschocks 78
- v -
9. Die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse 81
9.1 Die Ergebnisse der Doppelversuche 82
9.2 Beurteilung des Fehlers aufgrund des Ver-
gleichs der Einzelwerte zum Gesamtergebnis 82
10. Zusammenfassung 84
11. Literaturverzeichnis 89
12. Formelzeichen und AbkUrzungen 100
13. Anhang: Tabellen und Abbildungen 102
- 1 -
1. Einleitung und Problemstellung
Die Gef~hrdung durch pl5tzliche Ternperaturwechsel ist ein spe
zielles Problem fast aller keramischen Materialien. Diese wer
den wegen ihrer auBergew6hnlichen Eigenschaften wie groBe
H~rte
und Abriebbest~ndigkeit, gute Temperatur- und Korrosionsbest~n­
digkeit in vielen Bereichen der Technik ein~esetzt. Wegen der
guten Hochtemperatureigenschaften kommen dabei naturgem~B be son
ders Einsatzgebiete in Frage, bei denen Metalle wegen ihres meist
niedrigeren Schmelzpunktes versagen. Diese Einsatzmaglichkeiten
werden in vielen Bereichen durch den mangelhaften Widerstand
dieser Materialien gegen pl8tzliche Temperaturwechsel beschr~nkt.
Es ist daher ein wichtiges Entwicklungsziel, insbesondere auch
im Bereich feuerfester Werkstoffe, diese Problematik besser zu
beherrschen und damit die Einsatzmaglichkeiten keramischer Werk
stoffe zu erweitern.
Die feuerfester Werkstoffe wird
Temperaturwechselbest~ndigkeit
nach DIN 51 068 definiert als die "Widerstandsf~higkeit gegen
Zerstarung durch schroffen Temperaturwechseln• Der Begriff
(TWB) beinhaltet dernnach summa
Temperaturwechselbest~ndigkeit
risch alle GraBen, die der Zerstarung eines Materials durch RiB
bildung bei einem schockartigen Temperaturwechsel einen Wider
stand entgegensetzen.
Die die RiBbildung verursachenden Spannungen treten infolge in
station~rer TeMperaturverteilung auf oder werden durch ~uBere
Behinderungen der Ausdehnung verursacht. Vereinbarungsgern~B ver
steht man unter der TWB jedoch nur die F~higkeit eines Materials,
RiBbildunqen zu vermeiden, die infolge eines Tempe
instation~ren
raturfeldes auftreten kannen;
RiBbildungen sind in einem Material dann zu erwarten, wenn an
einer Stelle im Material die Festigkeitswerte Uberschritten wer
den. Dies in infolge SpannungsUberh5hung meist an den Spitzen
schon vorhandener Kerben der Fall.
- 2 -
Bei der Beurteilung der Eigenschaften eines Materials, Thermo
spannungen mit oder ohne Schadigungen zu tiberstehen, sind im
wesentlichen folgende Faktoren zu berticksichtigen:
1. Warmetibergangsbedingungen und Temperaturleitfahigkeit be
stirnrnen die Ternperaturdifferenzen im Stein;
2. Ausdehnungskoeffizient, Warmeleitfahigkeit. sowie Tempe
raturleitfahigkeit bestirnrnen zusarnrnen mit den elastischen
sowie plastischen Eigenschaften die Hohe und den zeitlichen
Verlauf der Spannungen;
3. Bruchfestigkeit, Kerbempfindlichkeit sowie Abmessungen
des Steines bestirnrnen die Auswirkungen der auftretenden
Spannungen auf den Stein.
Eliminiert man den EinfluB der Probekorperabrnessungen, dann kann
die TWB als eine Materialeigenschaft aufgefaBt werden. Sie unter
liegt neben den genannten einer groBen Zahl weiterer EinfluB
groBen.
Fur die Weiterentwicklung und den Einsatz keramischer Werkstoffe
ist es notwendig, diese EinfluBgroBen im voraus experimentell
oder rechnerisch zu bestirnrnen.
Wie spater gezeigt werden wird, sind die Theorien, die sich mit
der TWB beschaftigen, heute schon recht weit entwickelt. Man ist
aufgrund einiger von verschiedenen Autoren aufgestellten Modell
rechnungen weitgehend in der Lage, den zeitlichen und ortlichen
VerI auf der Spannungen bei therrnischen Schockbelastungen zu be
rechnen. Es wurde gezeigt, welche GroBen einen EinfluB auf die
RiBbildung und den RiBfortschritt haben. All diese Theorien be
durfen aber einer experimentellen Uberprufung, die alleine zei
gen kann, ob die Ansatze richtig sind, ob die Gewichtung der Ein
fluBgroBen zueinander zutreffend ist und insbesondere, ob die
forrnelmaBigen Berechnungen tatsachlich aIle EinfluBgroBen er
fassen oder nicht.
- 3 -
Die experimentelle Erfassung des Werkstoffmerkmals TWB steckt
i~ Gegensatz zu den Berechnungsmethoden auch heute noch weit
gehend in den Kinderschuhen. Die fur die Praxis entwickelten
Normverfahren eritsprechen in keiner Weise den Anforderungen,
die an ein wissenschaftliches PrUfverfahren gestellt werden
mussen. Bei den meisten Verfahren werden die Auswirkungen des
Thermoschocks visuell bestimmt oder es werden Methoden der zer
st6renden Werkstoffprufung eingesetzt. In vielen Fallen er
folgt eine Abkuhlun~ bis auf Raumtemperatur rind damit bis in
Temperaturbereiche, die in der Praxis bei Temperaturwechseln
selten erreicht werden. Keines der heute genormten Prufverfahren
gibt die Temperaturwechselbestandigkeit als eine Funktion der
Temperaturh6he an, in der die Temperaturwechsel durchgefuhrt
wurden.
Ein gutes Prufverfahren sollte demnach
- die TWB als Funktion der Temperatur angeben
- gut reproduzierbare Aussagen liefern
- quantifizierbare Ergebnisse er~6glichen
- einen Einblick in den Verlauf der Schadigungen bei
zunehmender Anzahl von Wechseln geben.
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zu entwickeln
und unter den oben aufgefuhrten Bedingungen zu prUfen, und an
tonerdereichen feuerfesten Materialien Messungen der TWB durch
zufUhren.
Anhand dieser Messungen solI ten rechnerische Bestimmungsmethoden
der TWB uberprUft werden. Weiter sollte der EinfluB der Mikro
struktur auf das Temperaturwechselverhalten der untersuchten Ma
terialien Uberpruft werden.
- 4 -
2. LiteraturUbersicht
2.1 Experimentelle Bestimmung der TWB
In Deutschland wird die TWB he ute nach der DIN 51 068 be
stimmt. Dabei werden zylindrische Probekorper von 9500C
durch flieBendes Wasser abgeschreckt. Einzelheiten des Ab
schreckverfahrens sind aus der Norm ersichtlich. Die PrU
fung der Wirkung der Temperaturwechsel auf das Material
erfolgt visuell. Notiert werden leichte sowie schwere
Risse und Abplatzungen. Beim Zylinderverfahren gilt als
MaB fUr die TWB die Anzahl der Wechsel, die ein Stein er
tragen hat ohne zerstort zu werden. Als zerstort gilt der
Zylinder, wenn er in zwei oder mehrere Teile zerfallen ist.
Dieses Verfahren ist nicht zugelassen zur PrUfung von ba
sischen feuerfesten Materialien, Silikatsteinen, schmelz
feuerfesten Produkten, ungebrannten sowie chemisch gebun
denen feuerfesten Materialien und fUr Feuerleichtsteine
mit einer Gesamtporosit~t Uber 45 %.
Zur PrUfung ff. Baustoffe, fUr die das Wasserabschreckver
fahren entweder zu schroff ist oder wegen der Hydratations
gefahr nicht angewendet werden kann, gilt DIN 51 068, Bl. 2,
nach der Luft als KUhlmedium benutzt werden soll. Hierbei
wird der Stein mit 9500C auf eine wassergekUhlte Kupfer
platte gelegt und dann unter genau festgelegten ·Bedingungen
mit PreBluft abgeschreckt. Nach dem Abschrecken wird der
Probekorper einer Biegebelastung von 0,3/Nmm2 ausgesetzt.
H~lt er diese Belastung aus, so wird weiter geprUft, an
sons ten gilt die Zahl der bis dahin Uberstandenen Wechsel
als MaB fUr die TWB.
Neben diesem Normverfahren werden eine Reihe anderer PrUf
verfahren in der Praxis angewandt, die zumeist nur Abwand
lungen dieser Normverfahren darstellen.