Ermittlung der Schädigung feuerfester Werkstoffe nach Thermoschock durch Resonanzfrequenz-Dämpfungsanalyse
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Bei hoher thermischer Belastung von typischerweise heterogen aufgebauten Feuerbetonen bilden sich unterkritische Gefügedefekte und Risse. Das Auftreten dieser Effekte wird durch unterschiedliches Wärmeausdehnungsverhalten von Bindematrix und Zuschlagskörnern sowie möglichen allotropen Phasenumwandlungen wesentlich beeinflusst. Schnelle Temperaturwechsel führen bei feuerfesten Werkstoffen zu Bildung, Wachstum und Vereinigung von Mikrorissen, was die mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Festigkeit und Bruchenergie nachteilig beeinflusst. Allerdings ist das Anfangstadium der Schädigung nach den herkömmlichen Methoden wie Prüfung der Restfestigkeit nicht eindeutig bestimmbar. Diese Vorgänge im Gefüge können über die zerstörungsfreie Resonanzfrequenzdämpfungsanalyse (RFDA) detektiert werden. Die empfindliche Bestimmung der inneren Reibung enthält Informationen über die charakteristischen Temperaturdifferenzen, bei denen bestimmte Schädigungsmechanismen auftreten und Einfluss auf die Lebensdauer der Werkstoffe nehmen. Anhand von Al2O3-Ca-PSZ-Feuerbetonen mit sukzessiver Zugabe von Zuschlagskörnern unterschiedlicher Größe zu einer ausschließlich feinkörnig strukturierten Modellwerkstoffmatrix wurde die Ausbildung von Defekten als Funktion der Thermoschocktemperaturen und Zyklenzahlen untersucht werden. Die RFDA-Ergebnisse reagieren dabei äußerst sensibel auf die experimentellen Rahmenbedingungen, die sorgfältig ausgewählt werden müssen, um die Reproduzierbarkeit zu garantieren und Fehler bei der Interpretation der Dämpfung im Bezug auf Gefügeveränderungen zu vermeiden. So konnte nachgewiesen werden, dass unterschiedliche Auswertesoftware auch zu anderen Ergebnissen führte. Auch die Abhängigkeit der Messgenauigkeit von der Lage des elektromagnetischen Hammers, des Mikrofons, sowie die Intensität des ausgelösten Impulses wurde untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass sich mittels RFDA der Fortschritt der Gefügedegradation sensibler identifizieren lässt (Rissbildung, zeitabhängige Rissverlängerung, ZrO2-Umwandlung) als mit der Bestimmung des E-Moduls. Die Dämpfungszunahme ist nicht nur abhängig vom Schädigungsgrad der thermisch belasteten Proben, sondern auch von der Beschaffenheit der Ausgangsstoffe. Die Gefügeauswertung mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie ermöglicht die Korrelation der Dämpfungsveränderung mit der Mikrostrukturveränderung. Im Gegensatz zu normgerechten Thermoschockuntersuchungen durch Luftabschreckung erleiden die Probekörper bei Thermoschock in flüssigem Aluminium über die gesamte Oberfläche einen großen Temperaturgradienten. Laut Norm werden die Temperaturwechselbeständigkeiten feuerfester Materialien miteinander vergleichen, indem die Abnahme der E-Moduls über die Thermoschockzyklen gemessen und verglichen werden. Die hier ermittelten Dämpfungswerte zeigen demgegenüber, dass ein bestimmter Feuerbeton zwar als thermoschockresistent an Luft, nicht aber in flüssigem Aluminium bezeichnet werden kann. Außerdem ermöglicht die Bestimmung der Dämpfung einer jeden Resonanzfrequenz die Vorzugsrichtung der Mikrorisse in der Matrix des Feuerbetons. Der Versatz des verwendeten Feuerbetons konnte durch die entwickelte zerstörungsfreie Prüfmethode hinsichtlich der elastischen Materialeigenschaften bei Einsatzbedingungen optimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Impact of Thermal Shock on Mechanical, Elastic and Structural Properties of High-Alumina Castables with ZrO2 Additions. Proc. 52nd Int. Colloq. on Ref., Aachen Sept. 23rd-24th, 2009; ISBN 978-3-00-028128-0 (2009) 13-16
Schickle, B., Telle, R., Tonnesen, Th., Traon, N.
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Changes of the mechanical and elastic properties of castable as a function of thermal shock cycles. In: Refractories for Industrials, Proc. 53rd Int. Colloquium on Refractories, Aachen, 2010, (ISBN 978-3-00-030240-4), pp. 86-89
Schickle, B., Telle, R., Tonnesen, Th., Miyaji, D.Y., de Anchieta Rodrigues, J.
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Proc. 53rd Int. Colloquium on Refractories, 2010, “Comparison of the elastic properties determined by different devices in a refractory castable based on partially stabilized zirconia”, (ISBN 978-3-00-030240-4), pp. 98-101
Traon, N., Tonnesen, Th., Telle, R.
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Proc. 12th biennial worldwide congress Unitecr, 2011, “Correlation of different quenching techniques and resulting elastic properties of refractory castable formulations”
Traon, N., Tonnesen, Th., Telle, R.
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Proc. 54th Int. Colloquium on Refractories, 2011, “Characterization of crack formation in refractory concrete by the use of different methods”, (ISBN 978-3-00-034419-0), pp. 68-71
Haufe, J., von Gynz-Rekowski C., Bier, T. A., Traon, N., Tonnesen, Th., Telle, R.
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Proc. 54th Int. Colloquium on Refractories, 2011, “Relevance of the addition of PSZ and FSZ in high alumina refractory castables on elastic, thermo-mechanical and structural properties”, (ISBN 978-3-00-034419-0), pp. 30-33
Traon, N., Tonnesen, Th, Telle, R.
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Refractories Manual (Interceram), 02/2011, “The influence of nonlinear elasticity on the accuracy of thermal shock damage evaluation by the impulse excitation technique”, (ISSN 0020-5214), pp. 98-102
Pereira, A.H.A., Otani, L.B., De Anchieta Rodrigues, J., Traon, N., Tonnesen, Th., Telle, R.
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Refractories Worldforum 4, 01/2012, “The understanding of the microstructural changes of refractory castables after thermal shocks through damping measurements”, (ISSN 1868-2405), pp. 119-124
Traon, N., Tonnesen, Th., Telle, R.
