Feuerfesthersteller


Brennhilfsmittel
Feuerfestwerkstoffe
Wärmebehandlung
Hochtemperatur-Charakterisierung
Lebensdaueranalysen

Höchste Qualitätsstandards für Feuerfestwerkstoffe

Das HTL bietet für die Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Feuerfestwerkstoffen zahlreiche Leistungen an. Es entwickelt neue Hochtemperaturmaterialien für besondere Anforderungen, optimiert Wärmebehandlungsprozesse bei der Herstellung von Feuerfestwerkstoffen und führt mit den eigens am HTL entwickelten ThermoOptischen Messverfahren (TOM) Hochtemperatur-Charakterisierungen durch.

Poröser Feuerleichtstein
© Foto Fraunhofer-Zentrum HTL

Feuerleichtstein

Ofeninnenraum der Thermooptischen Messanlage TOM_wave
© Foto Fraunhofer-Zentrum HTL

Ofeninnenraum der Thermooptischen Messanlage TOM_wave

REM-Aufnahme (Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme) eines Vakuumformteil
© Foto Fraunhofer-Zentrum HTL

REM-Aufnahme Vakuumformteil

Feuerfestwerkstoffe bilden die entscheidende Schnittstelle zwischen den Aggregaten der Thermoprozesstechnik und dem Erwärmungsgut. Ihre Funktionalität beeinflusst sowohl die Produktqualität als auch die Kosten der Wärmeprozesse. Dass auch höchste Qualitätsstandards eingehalten werden müssen, zeigt sich in den kritischen Einsatzgebieten der Feuerfestwerkstoffe bei der Metall-, Glas und Keramikherstellung. Feuerfestwerkstoffe müssen sehr unterschiedlichen thermischen, chemischen und mechanischen Beanspruchungen standhalten. Daraus resultiert eine Vielzahl von Feuerfesterzeugnissen: Feuerleicht- und Isoliersteine, dichte geformte Erzeugnisse wie basische, Schamotte- oder Silica-Steine, Brennhilfsmittel, Faserwerkstoffe sowie ungeformte Massen für Verfugungen, Reparaturen oder Beschichtungen. Obwohl ein starker Preisdruck existiert, sind die Folgekosten bei Qualitätsproblemen der Feuerfestwerkstoffe sehr hoch. Das Fraunhofer-Zentrum HTL bietet für die Entwicklung, Herstellung und Prüfung von Feuerfestwerkstoffen zahlreiche Leistungen an.

Für die Entwicklung von Feuerfestwerkstoffen stehen am HTL spezielle Datenbanken und Methoden zur Materialauswahl zur Verfügung. Damit ist es möglich, Benchmarkings zu existierenden Werkstofflösungen durchzuführen und Anforderungsprofile für Neuentwicklungen zu identifizieren. Beispielsweise werden am HTL Isolationsmaterialien für Hochtemperaturanwendungen über Direktschäumverfahren oder Brennhilfsmittel mit sehr niedriger Wärmekapazität entwickelt. Das HTL verfügt über zuverlässige Computersimulationsmethoden, mit denen thermische oder mechanische Materialeigenschaften aufgrund der Mikrostruktur vorhergesagt werden können. Auch Thermodynamikdatenbanken stehen für die Prognose des Hochtemperaturverhaltens von Feuerfestwerkstoffen zur Verfügung. Durch Einsatz entsprechender Computertools lässt sich die Effizienz bei der Entwicklung neuer Feuerfestwerkstoffe wesentlich erhöhen. Alle wesentlichen Formgebungsverfahren wie Trocken- und Feuchtpressen, Schlickergießen oder Extrudieren stehen am HTL im Labor- oder Technikumsmaßstab zur Verfügung. Keramische Faserwerkstoffe werden am HTL mit unterschiedlichen Spinnanlagen sowie Maschinen zur textilen Verarbeitung hergestellt. Damit können im Technikumsmaßstab Prototypen über Spinnen, Flechten, Vliesherstellung, Wickeln oder Prepregtechniken erzeugt werden. Neben keramischen Faserwerkstoffen können auch faserverstärkte Verbundwerkstoffe entwickelt werden. Beschichtungen und Lote werden auf Basis von Dispersionen sowie speziellen metallorganischen sowie glaskeramischen Precursoren entwickelt und mittels Tauchen, Sprühen oder Streichen appliziert. Für den Brennprozess nutzt das HTL oxidische und nichtoxidische Öfen bis zu Einsatztemperaturen von 2400°C mit Nutzvolumina bis 0,4 m³.

Informationen zu spezifischen Entwicklungsmöglichkeiten zu Feuerfestwerkstoffen im Allgemeinen finden sich unter: Feuerfestwerkstoffe. Informationen zu Brennhilfsmitteln im Besonderen finden sich unter: Brennhilfsmittel.

Für die Herstellung von Feuerfestwerkstoffen kann das HTL den Wärmebehandlungsprozess gezielt optimieren. Dies betrifft besonders geformte Feuerfesterzeugnisse, die über die Pulverroute produziert werden. Angefangen von der Trocknung der Grünteile über den Binderausbrand bzw. die Pyrolyse bis zum Sinterprozess stehen für alle Wärmebehandlungsschritte leistungsfähige Methoden zur Identifikation optimaler Prozessparameter zur Verfügung. Grundlage der Prozessoptimierung sind eigens am HTL entwickelte In-Situ-Messverfahren, so genannte ThermoOptische Messverfahren (TOM), mit denen alle relevanten Materialdaten während der Wärmebehandlung gemessen werden. Die Probengrößen betragen ca. 10 bis 100 cm³, sodass ein für viele Anwendungen ausreichend repräsentatives Volumen erfasst wird. Die Proben werden unter den gleichen Bedingungen erwärmt, wie sie in der Industrie vorliegen. Das heißt, die Ofenatmosphäre der Industrieöfen wird möglichst exakt in den TOM-Öfen reproduziert. Die In-Situ-Messdaten werden mit Hilfe robuster Modelle parametrisiert und dann in eigens entwickelten FE-Modellen verwendet, um den jeweiligen Prozessschritt zu simulieren und die Prozessparameter zu optimieren. Kritische Prozessschritte wie die Quarzumwandlung, die Carbonatzersetzung, die Entwässerung von Tonmineralen oder Hochtemperaturphasenumwandlungen werden mit besonderen Methoden untersucht und optimiert. Die FE-Simulation erlaubt insbesondere das Hochskalieren von Proben auf Bauteildimension, was z.B. für Feuerfeststeine wesentlich ist, um die in den Bauteilen während der Wärmebehandlung auftretenden Gradienten adäquat zu berücksichtigen. Optimiert werden in erster Linie Temperaturzyklen, Atmosphären (Zusammensetzung und Strömung) und ggf. Setzpläne. Die optimierten Prozessparameter werden – soweit möglich – in den Laboröfen verifiziert und dann auf die industriellen Aggregate übertragen. Die Optimierung der Wärmebehandlung von Feuerfestwerkstoffen dient einerseits zur Absenkung der Herstellkosten und andererseits zur Steigerung bzw. Sicherung der Produktqualität.
Für die Prüfung von Feuerfestwerkstoffen entwickelt das HTL spezielle Hochtemperatur-Messverfahren und führt Untersuchungen mit bereits etablierten Verfahren durch. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen neuartige ThermoOptische Messverfahren (TOM), mit denen Hochtemperatureigenschaften von Feuerfestwerkstoffen unter definierten und repräsentativen Bedingungen bestimmt werden können. Der Fokus liegt auf Messverfahren zur Ermittlung von thermischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften. Alle für das Wärmemanagement von Hochtemperaturprozessen relevanten Materialdaten von Feuerfestwerkstoffen werden mit den TOM-Methoden abgedeckt: Wärmeleitfähigkeit, Temperaturleitfähigkeit, Wärmedehnung, Wärmekapazität und Emissivität. Darüber hinaus misst das HTL mechanische und thermomechanische Materialeigenschaften bei hohen Temperaturen, die für die Lebensdauer von Feuerfestkomponenten relevant sind. Dazu zählen elastisches und Kriechverhalten, Hochtemperaturfestigkeit, Thermoschock-, Temperatur- und Last-Wechselverhalten. Neben den TOM-Verfahren werden auch Prüfungen mit kommerziell verfügbaren Hochtemperaturmessverfahren durchgeführt. Nach Möglichkeit werden die Prüfungen nach den für Feuerfestwerkstoffe gültigen Normen vorgenommen. Durch den Einsatz von FE-Verfahren besteht am HTL die Möglichkeit, das Einsatzverhalten von Feuerfestbauteilen zu simulieren und ggf. die Bauteilgeometrie zu optimieren. Darüber hinaus hilft die FE-Simulation bei der Bewertung von Prüfergebnissen, die an kleineren Proben bzw. in kürzeren Belastungszyklen generiert wurden. Hierzu dienen auch Verfahren, die am HTL zur Bewertung von Bauteilschäden genutzt werden. Dazu zählen Computertomografie und Messungen der Ultraschalllaufzeit. Zusammen mit Lebensdauermodellen erlauben diese Verfahren Abschätzungen der maximal möglichen Einsatzzeiten von Feuerfestwerkstoffen und dienen zur Beratung von Anwendern bei der Materialauswahl. Auch chemische Hochtemperaturwechselwirkungen von Feuerfestwerkstoffen mit anderen Medien können am HTL untersucht werden. Nach entsprechenden Auslagerungsversuchen in den Spezialöfen des HTL werden Gefügeanalysen durchgeführt, bei denen die kristallinen Phasen, Diffusionsprofile sowie andere Veränderungen der Mikrostruktur mit modernsten analytischen Verfahren identifiziert werden. Weiterhin können Gewichtsänderungen, Benetzungs- und Hafteigenschaften mit den TOM-Anlagen bei hohen Temperaturen unter definierten Bedingungen gemessen werden, sodass das Einsatzverhalten von Feuerfestwerkstoffen unter sehr vielen Aspekten untersucht werden kann. Weitere Details zur Messung der Hochtemperatureigenschaften von Feuerfestwerkstoffen finden sich unter: Hochtemperatur-Charakterisierung. Weitere Details zu Lebensdauerabschätzungen finden sich unter: Lebensdaueranalysen.


Für Rückfragen stehen wir gerne zur Verfügung:

Holger Friedrich

Contact Press / Media

Dr. Holger Friedrich

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth

Telefon +49 921 78510-300

Fax +49 921 78510-001

Gerhard Seifert

Contact Press / Media

PD Dr. Gerhard Seifert

Fraunhofer-Zentrum für Hochtemperatur-Leichtbau HTL
Gottlieb-Keim-Str. 62
95448 Bayreuth

Telefon +49 921 78510-350

Fax +49 921 78510-001