Numerische Simulation des mechanischen und thermomechanischen Verhaltens der Feuerfestzustellungen von Stahlpfannen

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1 Numerische Simulation des mechanischen und thermomechanischen Verhaltens der Feuerfestzustellungen von Stahlpfannen K. Andreev 1) und H. Harmuth 2) 1) Christian-Doppler Labor am Institut für Gesteinshüttenkunde Montanuniversität Leoben A-8700 Leoben 2) Institut für Gesteinshüttenkunde Montanuniversität Leoben A-8700 Leoben Kurzfassung Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit Untersuchungen mechanisch und thermomechanisch verursachter Schäden feuerfester Baustoffe, wobei insbesondere die Rissbildung und der Bruch betrachtet werden. Dafür wurden numerische Simulationen der thermomechanischen Beanspruchung und des Versagens der Zustellung einer Stahlpfanne während unterschiedlicher Betriebsphasen durchgeführt. Die Schadensarten und Schädigungsmechanismen von Pfannen mit Massen- und Steinzustellungen werden gegenübergestellt. Die Ergebnisse von Simulationsrechnungen werden mit im Betrieb beobachteten Schadensbildern verglichen. 1. Einführung Die Feuerfestzustellungen von Stahlpfannen sind unterschiedlichen thermomechanischen Beanspruchungsprofilen unterworfen, z.b. der durch den Pfannenmantel restringierten thermischen Dehnung oder dem Thermoschock beim Befüllen oder Entleeren der Pfanne. Daraus folgen Anforderungen an die Materialauswahl, die Zustellungstechnik und den Pfannenbetrieb. Finite-Elemente Simulationen bieten eine Möglichkeit, diese zu ermitteln sowie mögliche Schädigungsmechanismen und Verschleißbilder genauer kennen und verstehen zu lernen. Es wurden Pfannen mit Stein- sowie Massenzustellungen im Verschleißfutter untersucht. Die vorliegende Arbeit betrachtet insbesondere die Resultate für monolithische Zustellungen. Ergebnisse der Untersuchung des Verhaltens der Steinzustellung werden nur angeführt, um einen Vergleich zwischen den beiden Zustellungsarten zu ermöglichen. Eine ausführlichere Darstellung der Ergebnisse für die Steinzustellung findet sich in [1, 2].

2 Für die meisten Fragestellungen waren Modelle erforderlich, die folgende Voraussetzungen erfüllen: - Es werden möglichst realistische Materialgesetze verwendet, die oft erheblichen Abweichungen vom rein linear elastischen Materialverhalten berücksichtigen. - Die Schädigung durch Rissbildung wird einbezogen. - Die Modelle ermöglichen die Berücksichtigung der Beanspruchungsgeschichte, etwa bei zyklischer Thermoschockbeanspruchung. 2. Untersuchung von Schadensfällen Um die Praxisrelevanz von numerischen Berechnungen zu prüfen, wurden die charakteristischen Schadensfälle für eine Pfanne in situ untersucht. Zwei Zustellungsvarianten wurden betrachtet. Eine 150-Tonnen Pfanne ist im gesamten Verschleißfutter mit einer zementarmen Gießmasse auf Basis Korund zugestellt. Bei der zweiten Pfanne (67 t Fassungsvermögen) wurde der Boden mit einer durch Stahlnadeln armierten spinellhaltigen Gießmasse zugestellt. Für die Wand wurde eine spinellbildende Tonerdemasse eingesetzt. In beiden Pfannen ist die Schlackenzone mit Magnesiacarbonsteinen ausgemauert. Während der Beobachtung beider Pfannen wurden ähnliche Schadensfälle festgestellt, die im folgenden beschrieben werden und in Abb. 1 schematisch dargestellt sind. *- Ansicht ohne obere Steinlage Abb. 1: Schematische Darstellung der beobachteten Schädigungsarten An der Feuerseite der Massenzustellung von Boden und Wand treten Netzrisse auf (Abb. 2.a), die an der Wand vorwiegend parallel und senkrecht zum Boden sind (Abb. 2.b). Diese Risse entstehen feuerseitig schon während des Trocknens der Masse, die Rissbildung ist im unteren Drittel der Wand ausgeprägter. Die Trocknungsrisse breiten sich während des Betriebes weiter aus. Ein typischer daraus entstehender Schadensfall ist eine diskontinuierliche Abplatzung bzw. Ablösung des Materials zwischen den Rissen ( Schuppe ).

3 a. b. Abb. 2: Ausbildung der Risse am Pfannenboden (a) und in der Wand (b) Verschiedene Risstypen waren auch häufig am Übergang des Bodens zur Wand zu beobachten. Ein über den Umfang verlaufender Riss war an der Stelle des ursprünglichen Bodenniveaus zu finden. Senkrecht dazu traten kürzere Risse auf, deren Beginn im Ausgangsniveau des Bodens lag. Eine Schädigung aufgrund dieser Risse kann durch die Infiltration von Stahl- bzw. Schlacke sowie durch die Vorbereitung von Abplatzungen erfolgen. Spuren von Stahlinfiltrationen haben die Existenz von Rissen während des Betriebes auch auf der Kaltseite der Ausmauerung gezeigt. Diese Beobachtung kann bedeuten, dass die auf der Feuerseite entstandenen Risse sich in der Wand bis zum kalten Ende ausbreiten können, oder dass eigene Risse am kalten Ende entstanden sind. In der mit Steinen zugestellten Schlackenzone wurden häufig zwei Schadensfälle beobachtet. Der erste Fall war Spalling von Steinteilen, das durch Risse verursacht wurde, die parallel zur Feuerseite entstanden sind. Der zweite Fall zeigte schlackeninfiltrierte Risse, die senkrecht zur Feuerseite ausgebildet waren (Abb. 3). Abb. 3: Rissbildung in den Steinen der Schlackenzone

4 3. Modellbildung Für die Modellbildung und Simulation wurde die Methode der Finiten Elemente verwendet. Es kam ein kommerzielles Programm (DIANA, Fa. TNO [3]) zur Anwendung. Ein besonderes Augenmerk wurde auf die Modellierung des Materialversagens gelegt. Bei thermomechanischen Problemen erfolgt zunächst die Berechnung der in der Regel instationären Temperaturverteilung auf Basis der vorgegebenen Rand- und Anfangsbedingungen (z.b. die Temperaturkurve für den Trocknungsvorgang). Für die Berechnung des Versagens werden folgende Materialmodelle angewendet. Bei reiner Zugbeanspruchung wurde das Rankine- und bei reiner Druckbeanspruchung das Drucker-Prager Kriterium verwendet. In allen übrigen Fällen vermutet man eine lineare Interpolation zwischen diesen beiden Kurven. Für das Versagen unter Zugbeanspruchung wurde ein auf bruchmechanischen Untersuchungen basierendes Entfestigungsverhalten ( strain-softening behaviour ) herangezogen und in ein Rissmodell ( crackband model ) integriert. Die Beschreibung des Versagens unter reiner Druckbeanspruchung erfolgte durch ein experimentell bestimmtes Verfestigungs/Entfestigungsverhalten. 4. Simulationsergebnisse 4.1 Pfannen mit monolithischer Zustellung Das thermomechanische Verhalten der Zustellungen von beiden oben genannten Pfannen wurde numerisch simuliert. Auf Grund des ähnlichen Verhaltens beider Gefäße werden hier nur Resultate von den Untersuchungen der 67-Tonnen Pfanne gezeigt. Für diese Pfanne wurde folgende Temperaturkurve als Randbedingung angenommen (Abb. 4): Temperatur, C Zeit, Std. Abb. 4: Thermische Randbedingungen der Simulationsrechnungen an der Feuerseite Das Aufheizen der Ausmauerung von Raumtemperatur auf 1100 C erfolgte in sechs Stunden, nach dreistündiger Haltezeit begann der reguläre Betrieb. Die Trocknung nach Neuzustellung erfolgte in ca. 47 Std., in dieser Zeit wurde die Temperatur an der Feuerseite von 20 auf 1000 C in drei Stufen erhöht. Die Temperatur des Stahlbades betrug 1580 C.

5 Zwei Modelltypen wurden benutzt, um das Verhalten der monolithischen Pfannenzustellung zu untersuchen: Zweidimensionales Modell von einem Viertel der Zustellung im Grundriss (Kreissegment im ebenen Verformungszustand). Achsensymmetrisches Modell des ganzen Gefäßes Diese Modelle wurden zur Berechnung des Spannungsverlaufs und der Rissbildung in der Zustellung während der gesamten Pfannenreise verwendet. Die thermomechanische Beanspruchung der monolithischen Zustellung beginnt mit der Trocknung nach der Neuzustellung. Die durchgeführte Simulation zeigt Rissbildungen an der Feuerseite der Zustellung (Abb. 5). Diese Risse werden durch die Schwindung der Masse im Zuge der Trocknung verursacht. Wie die Simulation zeigt, entstehen die ersten Risse im Bereich des Überganges vom Boden zur Wand, wo die Verformungen von Boden und Wand die freie Dehnung einschränken. Für die in Abb. 4 gezeigte Trocknungskurve ist die Entstehung von Rissen ab ca. 400 C zu erwarten. Ein weiterer Temperaturanstieg verursacht eine Rissbildung im unteren Wandbereich, der obere Wandbereich bleibt frei von Rissen. Dies ist darauf zurückzuführen, dass im oberen Wandbereich Verformungen der Masse nicht durch den Boden begrenzt sind und deswegen die axialen Zugspannungen kleiner als im unteren Wandbereich sind. Diese Prognosen stimmen mit den Beobachtungen im Betrieb, bei denen sich eine im unteren Drittel der Wand ausgeprägtere Rissbildung zeigte, überein. Abb. 5: Rissbildung während der Trocknung; a Risse nach dem Ende der Trocknung (gerissene Elemente schattiert dargestellt); b. Spannungen senkrecht zum Boden; c Spannungen parallel zum Boden, Zeit: 42 Std.

6 Nach dem Trocknen wurde die Zustellung für den Betrieb aufgeheizt. Während des Aufheizens und in jenen Betriebsphasen, in denen die Pfanne mit flüssigem Stahl gefüllt ist, entstehen Druckspannungen an der Feuerseite (Abb. 6.a). In der monolithischen Zustellung verursacht das Aufheizen eine Ausdehnung der gesamten Ausmauerung und führt aufgrund des Temperaturgradienten zu Zugspannungen an der kalten Seite, die Risse verursachen können (Abb. 6.b). Hier ist ein wesentlicher Unterschied zwischen monolithischer und Stein-Zustellung zu sehen. Die Zugspannungen am kalten Ende werden im Fall der Steinzustellung durch Fugenöffnung abgebaut. Die Ausbildung von Rissen in der monolithischen Ausmauerung hängt jedoch auch von der Nachgiebigkeit des Mantels ab. Ist dieser steif genug, kann die Ausdehnung unterdrückt und die Entstehung schädigender Zugspannungen verhindert werden. Abb. 6: Spannungsverteilung (σ yy ) (a) und Rissbildung (b) während des Aufheizens; Viertelmodell der Zustellung im Grundriss, 16,5 Std. nach Aufheizbeginn a. b. Abb. 7: Verformung während des Aufheizens einer monolithische (a) und Steinzustellung (b)

7 Die Behinderung der freien Dehnung beeinflusst auch die Entstehung von Rissen im Bereich des Überganges Boden - Wand (Abb. 8). Die thermische Dehnung des Bodens ist in radialer Richtung durch die Wand und den Stahlpanzer eingeschränkt. Dadurch entstehen senkrecht wirkende Biegespannungen am kalten Ende der Wand. Abb. 8: Rissbildung im Bereich des Übergangs vom Boden zur Wand, 13 Std. nach dem Aufheiz- Beginn; a Risse (gerissene Elemente schattiert dargestellt); b Verteilung der radialen Spannungen; c - Verteilung der axialen Spannungen Aa. Bb. Abb. 9: Schematische Darstellung der Rissbildung während der Abkühlung; a Spannungsverteilung in der Zustellung (+ Zugspannungen, - Druckspannungen); b resultierende Risse Während des Abgusses und der folgenden Periode, in der die Pfanne leer ist, kühlt die Feuerseite ab. Dabei tritt eine thermische Schwindung ein, und deshalb ist die

8 Beanspruchung in dieser Betriebsphase ähnlich wie bei der Trocknung der Masse. Die Abkühlung verursacht Zugspannungen an der Feuerseite (Abb. 9), die zur Ausbreitung bereits bestehender Trocknungsrisse sowie zur Entstehung von neuen Risse führen können. Die Spannungen wirken in Umfangs- und axialer Richtung, weswegen eine netzartige Rissbildung zu erwarten ist. Durch die Behinderung der Schwindung kommt es zu besonders intensiver Rissbildung im Bereich des Übergangs vom Boden zur Wand. 4.2 Pfannen mit Steinzustellung Bei der Steinzustellung kann es zur Rissbildung, sowohl beim Aufheizen als auch beim Abkühlen, kommen. Thermoschock durch Aufheizen verursacht Zugspannungen im Steininneren, beim Abkühlen sind Bereiche an der Feuerseite und auch auf den radialen Seitenflächen vorhanden, die Zugspannungen aufweisen. Bei zweitgenanntem Fall handelt es sich um Biegezugspannungen aufgrund der thermischen Schwindung der Feuerseite, die Risse hervorrufen können. Die Untersuchung des Einflusses der Abkühlgeschwindigkeit auf die Rissbildung zeigt, dass die Position der maximalen Spannungen im Stein nicht von der Abkühlrate abhängt, schnelleres Abkühlen verursacht erwartungsgemäß größere Zugspannungen. Maximale Zugspannungen und damit auch die größten Risse traten in einer Entfernung von 40%, bezogen auf die Steindicke, von der Feuerseite auf. 5. Zusammenfassung Es wurde festgestellt, dass zwei unterschiedliche Beanspruchungsprofile Schädigungen in der monolithischen Ausmauerung von Stahlpfannen verursachen können. Die Trocknung der Masse nach Neuzustellung sowie Betriebsphasen, bei denen die Temperatur der Feuerseite abnimmt, verursachen Zugspannungen und können feuerseitige Risse hervorrufen. Die Zugspannungen verlaufen parallel zur Feuerseite und bewirken eine netzartige Rissbildung. Das Abplatzen größerer Ausmauerungsstücke und intensive Rissbildung in der Übergangszone von Boden zur Wand sind für diese Beanspruchungsphase typische Schadensfälle. Das zweite Beanspruchungsprofil entsteht während den Betriebsphasen, bei denen die Temperatur an der Feuerseite des Gefäßes ansteigt. In diesem Fall entstehen Zugspannungen am kalten Ende des Verschleißfutters, die zur Rissbildung führen können. Eine Steinzustellung hat während dieser Beanspruchungsphase den Vorteil, dass die Öffnung der Fugen zwischen den einzelnen Steinen Zugspannungen abbaut bzw. vermeidet. Ein anderes schadensverursachendes Phänomen ist eine Behinderung der thermischen Dehnung des Bodens, diese führt zu Rissbildungen am kalten Ende im unteren Bereich der Wandzustellung.

9 Danksagung Die Autoren danken den Firmen VOEST Alpine Stahl Linz GmbH und VOEST Alpine Stahl Donawitz GmbH für die Kooperation und der Christian-Doppler Forschungsgesellschaft für die finanzielle Unterstützung. Literatur [1] K. Andreev, H. Harmuth, Modelling of the thermo-mechanical behaviour of the lining materials of teeming ladles ; In: Proc. of 7 th Unified International Technical Conference on Refractories (UNITECR), Nov. 4-8, 2001, Cancun, Mexiko, Vol. II, pp [2] K. Andreev, H. Harmuth, Influence of the heating up schedule and the operation cycles on the thermo-mechanical behaviour of a teeming ladle, In: Proc. of 44 th International Colloquium on Refractories, Sep , 2001, Aachen, Deutschland, pp [3] DIANA-User s Manuel release 7. TNO Building and Construction Research, third edition, 1999