Simulation und Sensitivitätsanalyse der effektiven Wärmeleitfähigkeit neuer kohlenstoffarmer oder kohlenstofffreier Feuerfestmaterialien für die Stahlindustrie

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Thema des vorgeschlagenen Forschungsvorhabens ist die numerische Simulation der effektiven Wärmeleitfähigkeit neuer Feuerfestmaterialien für die Stahlindustrie sowie die Untersuchung der relevanten Einflussgrößen. Im Rahmen des DFG Schwerpunktprogramms werden Materialien entwickelt, die einen niedrigen Kohlenstoffgehalt aufweisen, bzw. kohlenstofffrei und sowohl korrosions- als auch thermoschockbeständig sind. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit solcher Feuerfestmaterialien führt dabei zu einem unerwünschten Wärmeverlust, während eine geringe Wärmeleitfähigkeit hohe Temperaturgradienten zur Folge hat, die möglicherweise zu einem thermomechanischen Versagen führen. Für ein optimales Werkstoffverhalten ist daher eine Ausgewogenheit zwischen diesen Extremen anstrebenswert. Die temperaturabhängige effektive Wärmeleitfähigkeit solcher Kompositmaterialien hängt im Allgemeinen stark vom Typ, von der Größe und von der räumlichen Anordnung der einzelnen Bestandteile ab. Im Rahmen des vorgeschlagenen Fortsetzungsvorhabens sollen diese Abhängigkeiten systematisch und umfassend untersucht werden. Zu diesem Zweck ist geplant, neue Algorithmen für die Erzeugung entsprechender synthetischer geometrischer Strukturen zu entwickeln und zu implementieren, ein verbessertes MRT-TLBM-Programm, das mit gekrümmten Grenzflächen umgehen kann, einzusetzen und zu parallelisieren sowie sehr kleinskalige Komponenten der Strukturen geeignet zu modellieren. Abschließend soll mit Hilfe von systematischen parametrischen numerischen Experimenten eine Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden. Basierend auf der physikalischen Interpretation der Ergebnisse und den so gewonnenen Erkenntnissen werden Vorschläge für strukturelle Verbesserungen der Kompositmaterialien gemacht.