Projektziel

Die Erforschung einer neuen Generation von kohlenstoffgebundenen Erzeugnissen auf der Basis vordergründig von Gelatine mit möglichen Tannin- oder Laktose-Zusätzen mit Al₂O₃-C und MgO-C Rezyklaten entfaltet einen neuartigen Ansatz von ´Green Refractories´. Die Gefügemodifizierung im Sinne einer hohen Thermoschockbeständigkeit wird a) durch nanoskalige und halbleitende Additive oder b) durch recycelte Kohlenstofffasern oder recycelte Kohlestofffaserstrukturen angestrebt. Der Zusatz von nanoskaligen und halbleitenden Additiven soll eine Erhöhung der Restkohlenstoffgehalts bewirken, während die Kohlenstofffaserstrukturen als Rissablenkungszentren fungieren sollen.

In einem speziellen Stahlgusssimulator werden die Thermoschockbeständigkeit und die chemischen Wechselwirkungen mit dem Stahl erforscht. Mit Hilfe einer AFA (Automatic Feature Analysis) im P-REM werden die signifikanten Einschlusspopulationen im Stahl ermittelt. Durch das gleichzeitige Gießen der Stahlschmelze durch eine Referenz-Ausgussdüse und eine Düse auf Basis der umweltfreundlichen Feuerfesterzeugnisse können Benetzungs- und insbesondere Anti-Clogging-Phänomene material- und strömungstechnisch erforscht werden.

Projektziel

Im Rahmen dieses Promotionsprojektes werden sowohl das spannungsrelaxations- und Kriechverhalten als auch das thermozyklische und mechanische Ermüdungsverhalten der Rezyklat-Werkstoffe bei hohen Temperaturen bis 1500 °C untersucht. Von besonderem Interesse ist dabei der Einfluss von Verunreinigungen im Vergleich zur Verwendung neuer Rohstoffe als auch die Evaluierung weiterer, funktionaler Zusätze, wie z.B. nanoskalige Additive oder recycelte Faserstrukturen. Daneben spielt die Verwendung umweltfreundlicher Bindemittel in den Feuerfestwerkstoffen und deren Auswirkung auf die thermomechanischen Eigenschaften eine wichtige Rolle. Die Hochtemperatureigenschaften werden mit auftretenden Schädigungsmechanismen, wie z.B. Ermüdungsschädigung bzw. Rissbildung korreliert.

Projektziel

Feuerfest-Rezyklate weisen durch ihren Ersteinsatz bei hohen Temperaturen und Schmelzkontakt starke Veränderungen thermophysikalischer Stoffdaten, insbesondere der Wärmeleitfähigkeit, gegenüber den Ursprungsmaterialien auf (Verunreinigungen, Änderungen der Struktur und der Phasenzusammensetzung etc.). Ziel ist eine Vorhersage der temperaturabhängigen Wärmeleitfähigkeit, sowie den damit verbundenen Größen Temperaturleitfähigkeit, Wärmekapazität und Thermoschockverhalten der Rezyklate und Verbundwerkstoffe in Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und Vorgeschichte. Methoden sind die Nutzung und Weiterentwicklung von unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeits-Messmethoden für eine möglichst schnelle Bewertung in einem großen Temperaturbereich, gekoppelt mit der Entwicklung von mathematischen Modellen zur quantitativen Bewertung der wichtigsten Einflussfaktoren.

Projektziel

Die Erforschung der Wechselwirkung von Elektrostählen (Trafostähle), mitlaufschlackefreien hochsilikathaltigen Reinheitsgradpfannenschlacken mit MgO-C Erzeugnissen auf der Basis von Rezyklaten und umweltfreundlichen Bindemitteln liegt im Fokus dieses Promotionsprojektes. Durch das Eintauchen eines MgO-C Erzeugnisses in eine tracermarkierte Schlacke während eines Tauchversuchs kann die Bildung von Ladle Glaze studiert werden. Die Untersuchungen der thermophysikalischen Eigenschaften der flüssigen, beruhigten/unberuhigten Elektrostähle und flüssiger Schlacke als Funktion der Temperatur und des SiO₂-Gehaltes verknüpft mit thermodynamischen Berechnungen mittels der Software FactSage ermöglichen die Ermittlung ihres Einflusses auf die Wechselwirkung mit MgO-C und der Ladle Glaze Entstehung. Durch die Ladle Glaze Auflösung in der Elektrostahlschmelze begleitet durch eine chemische Analyse und der Lichtmikroskopie in Kombination mit AFA (Automatic Feature Analysis) im P-REM wird der Einfluss von Ladle Glaze auf die oxidische Einschlusspopulation, auf den Pick-up-Effekt (unerwünschter Anstieg von Legierungselementen) und Reoxidation der Legierungselemente erforscht. Die Erforschung der Auswirkung der oxidischen, nichtmetallischen Einschlüsse, die sich aus Ladle Glaze bilden, auf das Clogging in der Ausgussdüse auf der Basis von recycelten Al₂O₃-C ist ein weiterer Schwerpunkt. 

Projektziel

Im Fokus dieses Promotionsprojektes steht die Erforschung der Wechselwirkung von einem niedrigschwefelhaltigen Mangan-Bor-Stahl MBW1500 und einer hochbasischen Entschwefelungsschlacke mit MgO-C Erzeugnissen auf der Basis von Rezyklaten und umweltfreundlichen Bindemitteln. Um den Einfluss der thermophysikalischen Eigenschaften auf die Wechselwirkung mit neuen Feuerfestmaterialien zu bestimmen, werden die Viskosität, die Oberflächenspannung und die Dichte des flüssigen aluminiumberuhigten MBW1500-Stahls in unentschwefeltem und entschwefeltem Zustand und der Schlacken mit hoher Schwefelkapazität in Abhängigkeit von [S], (SiO₂), (MgO), (S) und der Temperatur untersucht. Durch den Fingertest eines MgO-C Erzeugnisses in der Stahl- und Schlackenschmelze werden die Feuerfestproben für die weitere Analyse der Wechselwirkungen mittels Lichtmikroskopie und REM gewonnen. Die (S)/[S]- Verteilung zwischen dem MBW1500-Stahl und der Schlacke wird in einem Tiegel aus MgO-C Erzeugnissen auf der Basis von Rezyklaten im MFG-40 erforscht. Die Einschlusspopulation der Stahlproben nach der Untersuchung im MFG-40 wird durch eine chemische Analyse interpretiert bzw. mit optischen Untersuchungsmethoden, wie Lichtmikroskopie kombiniert mit AFA (Automatic Feature Analysis) in P-REM, analysiert. Die Spinell-Bildung zwischen recyceltem FF-Material und flüssigem Stahl wird in einem konfokalen Laser Scanning Mikroskop gezielt studiert.

Projektziel

Ziel des Projektes ist die Etablierung eines Simulationswerkzeuges, welches die Erforschung der neuartigen MgO-C-, Al₂O₃-C-Feuerfestwerkstoffe auf Basis von Feuerfest-Rezyklaten und umweltfreundlichen Bindern modellierungsseitig unterstützt. Es soll vorrangig die festkörpermechanische Bewertung der Thermoschockbeständigkeit der im Graduiertenkolleg ganzheitlich betrachteten Werkstoffe ermöglichen. Darüber hinaus sollen neben der Bewertung der bereits hergestellten Feuerfestmaterialien auch Vorhersagen des thermomechanischen Verhaltens im Sinne eines virtuellen Labors getroffen werden können. Mit Hilfe von numerischen Experimenten (Parameterstudien, Sensitivitätsanalysen) auf Basis experimentell kalibrierter und validierter Modelle werden dann zentrale Einflussgrößen für das Thermoschockverhalten, wie etwa Rezyklat-Anteil, Mikrostruktur, Eigenschaften von recyceltem Korn, Bindemittel und deren Grenzschicht, Mikrorissverteilungen etc., identifiziert.

Methodisch werden Verfahren der Bruch- und Schädigungsmechanik sowie der Kohäsivzonen- und Phasenfeldmodellierung verfolgt, wobei der Forschungsbedarf insbesondere bezüglich deren Kombinationen und Erweiterung auf transiente, thermomechanische Phänomene in mikroheterogenen Materialien besteht. Ein elementarer Bestandteil des Projektes ist deshalb die breit angelegte Doktorandenausbildung in state-of-the-art Methoden der kontinuumsmechanischen Modellierung (theoretische Modellbildung) und Simulation (numerische Umsetzung) des Verhaltens moderner High-Tech-Werkstoffe, mit besonderem Bezug zu Feuerfestmaterialien.

Bearbeiter: M.Sc. Serhii Yaroshevskyi

Projektziel

Mit Hilfe der bildsamen Extrusion bei Raumtemperatur, der Sinterung und einer gezielten nachträglichen Oxidation wird eine neue Generation von inerten Elektroden auf der Basis von grob- und feinkörnigen MgO-Rezyklaten und Cr-Ni-Stahl erforscht. Zur Erreichung einer ausreichenden elektrischen Leitfähigkeit wird der Beitrag von Ni/NiO/TiO₂-Zusätzen als auch das Grenzflächendesign mit REM/FIB/EBSD untersucht. Eine weitere, Erfolg versprechende Variante zur Einstellung der elektrischen Leitfähigkeit ist die Nutzung von MgO-C-Rezyklaten und die Zugabe von vorsynthetisierten bzw. in-situ Generierung von MAX-Phasen, u.a. auf der Basis von Ti₃AlC₂, Ti₂AlC oder Ti₃SiC₂ während des Sinterbrandes. Als Bindemittel, insbesondere bei den MAX-Phasen-basierten Rezepturen, werden bei der bildsamen Urformgebung neben Cellulosen auch die Beiträge von protein- und zuckerbasierten Hilfsstoffen untersucht. Im Sinne einer gezielten Oxidationspassivierungsschicht werden Beschichtungen im System Al₂O₃/MgO/TiO₂ mittels Flammspritzentechnologie aufgebracht. Zyklische Quecksilberdruckporosimetrie, computertomographische Aufnahmen und HT-XRD sollen zur Aufklärung der Gefüge-Evolution als Funktion der Extrusion- und Sinterparameter beitragen.

Projektziel

Die Field-Assisted-Sintertechnik / das Spark-Plasma-Sintern (FAST/SPS) ist eine Technologie, die für schnelle Herstellung von kompakten Verbundwerkstoffen sehr geeignet ist.

Damit sie künftig für die Erzeugung von Verbundwerkstoffen mit gewünschter Mikrostruktur und gewünschten Eigenschaften angewendet werden kann, müssen Zusammenhänge zwischen Mikrostrukturmerkmalen, elektrischer Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen und der Mikrostrukturänderung durch Diffusionsprozesse, Phasenreaktionen, Phasenbildung, Kornwachstum und Erholung der Mikrostrukturdefekte verstanden werden. Daraus ergeben sich die folgenden Ziele des Projektes:

• Beschreibung von temperaturinduzierten Mikrostrukturänderungen in relevanten Verbundwerkstoffen (in feuerfesten Materialien, die aus Rezyklaten hergestellt werden sollen), 
• Beschreibung des elektrischen Widerstandes eines mehrphasigen Werkstoffs unter Berücksichtigung der Bildung elektrisch leitfähiger Pfade, der Streuung von Elektronen an Phasengrenzen, Korngrenzen und an Mikrostrukturdefekten sowie unter Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstandes und der temperaturinduzierten Mikrostrukturänderungen.

Projektziel

Mittels Raman-Spektroskopie (RS) werden Phasen, funktionalisierte Oberflächen und mögliche Verunreinigungen von Feuerfest-Rezyklaten für die Herstellung von neuartigen Feuerfestwerkstoffen unter der Nutzung von umweltfreundlichen Bindemitteln untersucht. Durch in-situ-RS als Funktion der Temperatur können sowohl Phasenübergänge detektiert sowie Zwischen- oder Nebenprodukte identifiziert werden. Die Charakterisierung der kohlenstoffgebundenen Werkstoffe mittels Raman-Spektroskopie und insbesondere ein Verständnis der Reaktionen bei der Verkokung der umweltfreundlichen Bindemittel auf Gelatine-Basis als Funktion der Temperatur ist ein wesentliches Aufgabenfeld. 

Inerte, metallokeramische Anodenmaterialien basierend auf Feuerfest-Rezyklaten werden mittels temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeitsmessungen charakterisiert. Soweit möglich werden Informationen aus der RS (z.B. Spinellbildung von Nickelferriten) und dem Mikrostrukturdesign von Verbundwerkstoffen durch FAST/SPS genutzt, um die gewonnenen Messdaten zu modellieren. Das Ziel ist das Verständnis von temperaturbedingten Struktur- und Kompositionsänderungen in den metallokeramischen Anodenmaterialien.

Projektziel

Inerte Anoden auf Basis von recyceltem Material haben eine signifikante ökologische Auswirkung, da die Vermeidung von CO₂ und CF₄-Emissionen mit Recycling-Ansätzen kombiniert werden kann. Im Fokus steht die Charakterisierung des Verhaltens inerter Anoden auf Basis des Sinter-Verbundwerkstoffes MgO mit Cr-Ni-Stahl/316 L und weiteren Zusätzen u.a. Ni/NiO/TiO₂ in einer Hochtemperatur-Labor-Elektrolysezelle. Die Korrosionswechselwirkungen, die an den Grenzflächen Anode-korrosive Gas-Phase und Anode-Elektrolyt (hier Kryolith) stattfinden, werden erforscht.

Der Zusammenhang von Stromdichte, Temperatur und elektrochemischer Korrosionsrate wird im Rahmen von Langzeitversuchen erfasst. Die elektrische Leitfähigkeit der Grenzfläche (Anode-Elektrolyt) wird erforscht. Weiterhin wird die Benetzbarkeit der Kryolithschmelze mit der Anode an einer vorhandenen Sessile-Drop-Anlage untersucht (eine gute Benetzbarkeit ist entscheidend für die elektrische Leitfähigkeit). Ein weiterer Fokus ist die Erforschung weiterer Elektrolytsysteme, wie z.B. KF-AlF₃, mit dem Ziel durch die niedrigeren Betriebstemperaturen die Korrosionsbeständigkeit inerter Elektroden zu erhöhen.

Projektziel

Kohlenstoff wirkt sich positiv auf die elektrische Leitfähigkeit von Anoden aus und ist in recycelten Ausmauerungsmaterialien enthalten. Zur Reduzierung des CO₂-Fußabdruckes muss die Bildung von CO, CO₂, CF₄ an kohlenstoffhaltigen Anoden minimiert/vermieden werden. Im Vordergrund steht die Evaluation von kohlenstoffarmen Anoden auf der Basis von metallokeramischen Verbundwerkstoffen mit MAX-Phasen und C-Resten aus MgO-C-Rezyklaten. Die Messung der Oxidationsrate des Kohlenstoffs wird mittels kontinuierlicher CO/CO₂-Messung bestimmt. Die Oxidationsmechanismen und Korrosionsvorgänge werden durch RFA, XRD und REM/EDX erforscht. Die elektrische Leitfähigkeit an der Grenzfläche Anode-Elektrolyt wird erfasst. Die C‑armen Anoden werden mit konventionellen Graphitanoden in der Hochtemperatur-Labor-Elektrolysezelle verglichen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Erforschung der kohlenstoffärmeren Verbundwerkstoffe mit flammgespritzter Oxidationspassivierungsschicht in der Elektrolysezelle hinsichtlich ausreichender Leitfähigkeit und thermomechanischer und chemischer Stabilität.

Projektziel

Im Fokus steht die Erforschung der thermomechanischen Eigenschaften der metallokeramischen Verbundwerkstoffe mit MAX-Phasen und C-Resten mit und ohne eine flammgespritzte Oxidationspassivierungsschicht. Im Rahmen der Untersuchungen werden neben dem Spannungsrelaxations- und Kriechverhalten auch das Schädigungsverhalten dieser Werkstoffe unter Druck- sowie unter Biegebeanspruchung, unter anderem auch in Dehnratenwechsel-Versuchen, erforscht. Von besonderem Interesse ist dabei der Einfluss von Reaktionsprodukten der beiden Körnungen (z.B. MAX-Phasen) auf die thermomechanischen Eigenschaften. Auftretende Schädigungsmechanismen werden post mortem mithilfe rasterelektronenmikroskopischer Untersuchungen erforscht.