Experiment-basierte Simulationsverfahren zur Herstellung ......n 3-Punkt-Biegeversuche (B80 Stäbchen, 19x19x60 mm3), Variation von: nTemperatur –Raumtemperatur (RT) und 800°C (HT)

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Experiment-basierte Simulationsverfahren zur Herstellung und zur Versagens-

wahrscheinlichkeit von Feuerfestbauteilen

Gerhard Seifert, Stefanie Kimmig, Heiko Ziebold

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL, Bayreuth

3. Freiberger Feuerfest-Symposium, 25. April 2018

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Inhalt

n Teil 1: Versagenswahrscheinlichkeiten von FF-Bauteilenn Motivationn Konzept experiment-basierter Simulationenn Ergebnisbeispiele an Feuerfeststeinen

n Teil 2: Simulationen zur Optimierung der FF-Herstellungn Motivationn Konzept zur FE-Simulation von Prozesskinetikn Beispiel: Entbinderung von Schamottesteinen

n Zusammenfassung




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Lebensdauersimulation Feuerfest – Motivation

n Generell: Kosten-, Energie- und CO2-Minimierung durch Nutzung der maximalen Lebensdauer von Feuerfest-Bauteilen

n Speziell: „einfache“ Methode zur Vorhersage der Versagens-wahrscheinlichkeit (Pf) von FF-Steinen / geformten FF-Komponenten

n flexibel: Materialien, Bauteilform, Lastfall

n auf Basis etablierter Versagensmodelle

n Beschränkung auf thermomechanische Lasten

n experimentelle Validierung der Vorhersage




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n Nutzung einer etablierten Methodik für Technische Keramik(1):n Annahmen: Volumendefekte dominieren Bruchverhalten, Degradation

durch unterkritisches Risswachstum (subcritical crack growth - SCG)

n Statische Parameter (Weibull) aus „fast fracture“ Biegebruchversuchen

n Ermüdungsparameter n, B0 (für SCG) aus Biegebruchversuchen mit verschiedenen Belastungsraten ermittelt

n Lastfall für die Komponenten durch FE-Simulation nachgestelltà Vorhersage der lastspezifischen Versagenswahrscheinlichkeit

n Eingesetzte Software Tools:n CARES life (Ceramics Analysis and Reliability Evaluation of Structures)

n Finite-Elemente-Simulationen à COMSOL Multiphysics

(1) Lifetime Reliability Prediction of Ceramic Structures Under Transient Thermomechanical Loads, Noel N. Nemeth, N.N.; Jadaan, O.M.; Gyekenyesi, J.P., NASA/TP-2005-212505, 2005

Lebensdauersimulation Feuerfest – Konzept




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Service-lifetime Prediction

CARES

WeibPar COMSOL

Fractureexperiments

FE simulationloading case

Selection of failure criteria / crack shape

source: Lifetime Reliability Prediction of Ceramic Structures Under Transient Thermomechanical Loads, Noel N. Nemeth, N.N.; Jadaan, O.M.; Gyekenyesi, J.P., NASA/TP-2005-212505, 2005

Lebensdauersimulation Feuerfest – Übersicht




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Materialauswahl und Experimente

n Bauxitsteine mit hoher Thermoschock-Beständigkeit (Alurath B80)

n Thermoschock-Messungen n normgerecht gemäß DIN EN 993-11 (5x, 950°C bis RT, Luft)

n Messung der Ultraschallgeschwindigkeit nach jedem Thermoschock

n 3-Punkt-Biegeversuche (B80 Stäbchen, 19x19x60 mm3), Variation von: n Temperatur – Raumtemperatur (RT) und 800°C (HT)

n Belastungsrate zwischen 0.001 MPa/s und 10 MPa/s

n ”Stufentest“ als zeitabhängiger Lastfall

n Bestimmung der Massendichte der Biegestäbchen




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Thermoschockversuche, Bauxit B80

n beide Verfahren zeigen, dass unter-kritisches Risswachstum vorhanden

0 1 2 3 4 51250

1500

1750

2000

2250

2500

2750100 %

26 %

bauxite alumina magnesia spinel

ultra

soni

c ve

loci

ty (m

/s)

thermal shock cylces

84 %

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Ultraschallgeschwindigkeit Computertomografie (CT)B80, neu

nach 5 Thermoschock-Zyklen




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Vorversuche: 3-Punkt-Biegefestigkeit und Dichte der Biegestäbchen

n Korrelation zwischen Dichte und Festigkeit n deutet ebenfalls auf Volumendefekte als bruchauslösend

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

2,6 2,65 2,7 2,75

F max

[N]

Density [g/cm³]

Strength vs. Density (RT)

60 N/min.

5000 N/min.




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Abschätzung der Weibull-Parameter aus 3 Punkt-Biege-Versuchen

n bei RT: Bruchspannung von Belastungsrate abhängig: SCG Parameter aus doppelt-logarithmischer Auftragung: � �

n bei 800°C: höhere Festigkeit, unabhängig von ; offensichtlich SCG durch Glasphase in Bauxit B80 unterdrückt

0.001 0.01 0.1 1 10

7

8

9

10

11

12

13

14 room temperature

Frac

ture

stre

ss [M

Pa]

Loading rate [MPa/s]

0.001 0.01 0.1 1 10

14

15

16

17

18

19

20

21

T = 800°C

Frac

ture

stre

ss [M

Pa]

Loading rate [MPa/s]




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Stufentest (zeitabhängiger Lastfall)

n Stufentest in 3-Punkt-Biege-Versuch n Start bei » 50-70% der Bruchspannung

n schrittweise Zunahme der Last nach jeweils 30 Minuten

n Bruch bei F=const. (Ermüdung)

n Denkbar als beschleunigter Proof-Test (wurde bereits für techn. Keramik eingesetzt)(2)

n Experimentelles Ergebnis:n niedrigere Festigkeit als bei schneller

Belastung (Bruch nach ca. 10 Sek.)

n SCG relevant auf Zeitskala des Stufentests (einige Stunden) 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

5,0 7,0 9,0 11,0 13,0 15,0Pr

obab

ility

of f

ailu

re P

fσ [MPa]

Step test, Δt=30 min

fast fracture after t » 10 s

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

0 5000 10000 15000

F [N

]

t [s]

(2) P. Nadler, Dissertation, Technical University Freiberg/Germany, 1989




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FE-Simulation des Lastfalls

n Spannungsverteilung für 3-Punkt-Biege-Experiment n COMSOL-Modell, 2 Fälle:n Schneller Bruch – Modell zeitunabhängig n Stufentest – zeitabhängige Zunahme der Last im Modell

n Vorhersage von Pf für beide Fälle via CARES, auf Basis der bei RT ermittelten SCG Parameter

F




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Vorhersage – schneller Bruch

n Validierung mit den kumulierten Ergebnissen (weiterer) 3-Punkt-Biegeversuche

n à hinreichende Genauigkeit der “inerten” Materialparameter

0 5 10 15 20

0

1 cumulative data RT prediction for RT cumulative data 800°C prediction 800°C

Pro

babi

lity

of fa

ilure

Pf

applied stress / MPa




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Prognose – zeitabhängiger Bruch (Stufentest)

n Versagenswahrscheinlichkeit Pf hängt stark vom Risswachstums-Exponenten n ab

n Zuverlässige Prognosen für zeitabhängiges Versagen bedürfen einer hinreichend guten Datenbasis

1,9

2,0

2,1

2,2

2,3

2,4

2,5

2,6

2,7

2,8

-8,0 -6,0 -4,0 -2,0 0,0 2,0 4,0

log σ f

[MPa

]

log (ds/dt) [MPa/s]

n=21

n=63

5 100.01

0.1

0.5

1

data - step test prediction with N=63 prediction with N=21

Pro

babi

lity

of fa

ilure

Pf

maximum stress




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Zusammenfassung des Teils 1:

n Methodik zur Ermittlung der last- und zeitabhängigen Versagens-wahrscheinlichkeit von Feuerfestbauteilen vorgestellt

n Parameter zur Materialermüdung aus Biegebruchexperimenten unter verschiedenen Belastungsraten

n Finite-Elemente-Modell des thermomechanisches Belastungs-szenarios für (beliebiges) Feuerfestbauteil

n Berechnung der Versagenswahrscheinlichkeit Pf für individuellen Lastfall auf Basis etablierter Modelle für Materialermüdung

n Machbarkeit des Ansatzes für Feuerleichtsteine (Bauxit B80) gezeigt

n Unterkritisches Risswachstum als Ermüdungsmechanismus in diesem Fall identifiziert




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Optimierung FF-Herstellprozesse – Motivation

n Ziel der Prozessoptimierung:

n Minimierung von Energieverbrauch, Prozessdauer, Ausschussrate – und natürlich Kosten

n Maximierung Ofendurchsatz

n Nebenbedingung: keine Qualitätseinbußen beim Produkt

n Rein empirische Optimierung sehr zeitaufwändig und teuer

n Ansatz Fraunhofer HTL:

n experiment-basierte Prozess-Simulation

n Optimierung am Computer

n Rückübertragung auf Produktionsofen




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Konzept der Modellierung am Beispiel Entbinderung

n Notwendige physikalische Phänomene im Modell:

n Wärmeübertragung

n Chemische Reaktionen des Binders (Oxidation, Pyrolyse)

n Exo- und endotherme Reaktionen (Reaktionswärmen)

n Gasfluss und Druckaufbau im Prozess

n Mechanische Antwort (Spannungen im Material)

n Gekoppeltes Finite-Elemente Modell der Prozesse im Bauteil

n Basis: präzise In-situ Messungen von Entbinderungskinetik und Materialparametern

n formal-kinetische Beschreibung der Massenabnahme (kinetic field)




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Entbinderungsmodell

n Entbinderung eines Schamottesteins n Finite-Elemente-Simulation mit COMSOL Multiphysics

n Nutzung der Symmetrie für die Modellierung:




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COMSOL-Modell

n Heat transfer equation

� ��n Porous media flow (Darcy-Flow)�� n Transport of diluted species� � � �n Solid mechanics��




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Notwendiger Input / In-situ-Messgrößen

n Für die Simulation benötigte Material- und Prozessparameter:

n Wärmeleitfähigkeit

n Gaspermeation

n Binder-Zusammensetzung (nötige Information kann indirekt aus Zersetzungsprodukten gefolgert werden)

n Reaktionskinetik / kinetic field (Messung des Masseverlustes für mehrere Heizraten)




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Ergebnisse

1

2

3

4

Trocknung (nicht mit modelliert) Relativer

Binderanteil




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Ergebnisse

0 2 4 6 8 10 12

0.0

0.5

1.0

Nor

mie

rte

Rat

e

Zeit [h]

Pyrolyse Oxidation

0 2 4 6 8 10 12300

400

500

600

700

800

900

1000 Max. Temperatur Min. Temperatur

Tem

pera

tur [

K]

Zeit [h]




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Ergebnisse

n Überdruck

n Spannungsverteilung

0 2 4 6 8 10 12

0

50

100

150

200

250

300Ü

berd

ruck

[Pa]

Zeit [h]

0 2 4 6 8 10 120

25

50

75

100Hauptspannungen

s1

s2

s3

Spa

nnun

g [k

Pa]

Zeit [h]

s1 s2 s3




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Ergebnisse

n Zeit- und Energieersparnis durch verschiedene Temperaturzyklen

n Validierung z.B. durch akustische Rissdetektion in TOM_Pyr(s. Vortrag F. Raether)

0 2 4 6 8 10 120

25

50

75

100

125

1. H

aupt

span

nung

s1 [

kPa]

Zeit [h]




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Zusammenfassung des Teils 2:

n Methode zur Optimierung der FF-Herstellprozesse durch experiment-basierte Prozess-Simulation vorgestellt

n Grundlage der Modellierung: In-Situ-Messungen der Prozess- und Materialparameter (z.B. in TOM-Anlagen des Fraunhofer HTL)

n Erarbeitung verkürzter Heizzyklen bei konstanter Produktqualität (Betrachtung der inneren Spannungen im Bauteil während Prozess)

n Konkretes Beispiel: Entbinderung von Schamottesteinen

n Analoge Methodik auch für andere Prozessschritte (Sintern, Trocknung) verfügbar




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Danksagung

n Die hier vorgestellten Forschungsarbeiten wurden vom Bayerischen

Staatsministerium für Wirtschaft, Energie und Technologie (StMWi

Bayern) im Rahmen des Projektes EnerTHERM finanziell unterstützt.

www.htl-enertherm.eu


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