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Temperatur- und Spannungsberechnungen zur Analyse und Optimierung der Aufheiz- und Abkühlphase beim Brand von Schamottesteinen

Funke, Thomas

Der Brennprozess feuerfester Steine ist sehr zeitaufwändig und kostenintensiv. Begrenzend für einen rissfreien Brand sind die in der Aufheiz- und Abkühlphase im Brenngut entstehenden Temperaturdifferenzen. Diese Temperaturdifferenzen sind neben den stoffspezifischen Volumenänderungen, z. B. bei Modifikationswechseln, die wichtigste Ursache von thermomechanischen Spannungen im Brenngut. Zur Vermeidung von Aufheiz- und Abkühlrissen müssen die Temperatur- und Spannungsfelder für den ungebrannten Stein in der Aufheizphase und für den gebrannten Stein in der Abkühlphase für den jeweils vorliegenden Gefügezustand ermittelt und mit der zulässigen Spannung verglichen werden. Dafür wird ein FEM-Simulationsmodell mit dem Programm ANSYS erstellt. Anschließend wird das Modell auf den Brand von zwei typischen Schamottestein-Qualitäten angewendet. Dabei werden der derzeitige Stand des Brennprozesses analysiert und Optimierungsvorschläge abgeleitet, die die kritischen Temperaturbereichen in der Aufheiz- und Abkühlphase sowie die Temperaturbereiche mit Reserven in der Aufheiz- und der Abkühlgeschwindigkeit berücksichtigen. Als Voraussetzung dafür müssen die thermoanalytischen Eigenschaften sowie die wärmetechnischen und mechanischen Stoffwerte der betrachteten feuerfesten Werkstoffe in Abhängigkeit von den Brennparametern und dem damit jeweils vorliegenden Gefügezustand für die Aufheizphase (Grünkörper) und für die Abkühlphase (gebranntes Produkt) möglichst genau bekannt sein und deshalb überwiegend experimentell ermittelt werden.

The firing process of refractory bricks is very time-consuming and cost-intensive. Restrictive factors for the firing of bricks without cracks are the temperature differences in the refractory materials during heating and cooling. These temperature differences are the most important reason for thermo-mechanical stresses in the material, besides the material-specific volume changes, such as during modification changes. In order to avoid cracks during the heating or cooling-down phases, the temperature fields and stress fields for the green brick (in the unfired state) during the heating-up stage as well as for the fired brick during the cooling-down phase need to be determined considering the state of the microstructure, and must be compared to the admissible stresses. For this purpose a FEM simulation model is generated with the ANSYS program. Then this model is applied to the firing process of two typical qualities of fireclay bricks. In doing so the state of the firing process is analyzed and proposals for optimization of the process are derived which take into account the critical temperature ranges during heating and cooling-down phases as well as temperature ranges with reserves in the rate of heating and cooling-down. Basis for these calculations is the knowledge of the thermo-analytical characteristics as well as the thermophysical and mechanical properties of the refractory materials as a function of the firing parameters and the state of the microstructure for both the heating phase (green body) and the cooling-down (fired material). Thus, these characteristics must be mainly determined by experimental measurements.

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Funke, Thomas: Temperatur- und Spannungsberechnungen zur Analyse und Optimierung der Aufheiz- und Abkühlphase beim Brand von Schamottesteinen. 2008.

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