-W ramach 29 konkursu CORNET został zatwierdzony do realizacji projekt „RefraPredict:
Przewidywalność długoterminowej ogniotrwałości wysokoglinowych betonów
ogniotrwałych w warunkach dużego obciążenia cieplnego, ze szczególnym uwzględnieniem
zanieczyszczeń pochodzących z materiału z recyklingu” („Predictaibility of long-term
refractoriness of refractory high alumina monolithics under high thermal load with special
regard to impurities introduced by secondary raw materials”) i Stowarzyszenie Producentów
Materiałów Ogniotrwałych uzyskało jego finansowanie z Narodowego Centrum Badań i Rozwoju (NCBR). Partnerami są Forschungsgemeinschaft Feuerfest e.V., (koordynator projektu) Hochschule Koblenz,
(wykonawca badań) oraz Polska Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Ceramiki i Materiałów
Budowlanych O/Materiałów Ogniotrwałych, Polska (wykonawca badań). Termin realizacji
1.01.2021 – 31.12.2022.

Ogólne założenia projektu

W związku z wyczerpywaniem się zasobów naturalnych istnieje potrzeba by w coraz
większym stopniu korzystać z surowców recyklingowych. W przypadku materiałów
ogniotrwałych, pracujących w różnych gałęziach przemysłu, wykorzystanie materiałów po
pracy jako surowców wtórnych nie jest proste. Tworzywo po pracy zawiera najczęściej
domieszki, które nawet przy niewielkim udziale znacząco obniżają parametry ogniotrwałości
materiałów. Dlatego w projekcie przewidziano przeprowadzenie kompleksowych badań,
określających wpływ obecności najczęściej występujących zanieczyszczeń (Na, Si, Fe, Ca, Ti),
w potencjalnych surowcach wtórnych, na wielkości charakteryzujące materiały ogniotrwałe
(np. ogniotrwałość pod obciążeniem, pełzanie, odporność na wstrząs cieplny, wytrzymałość
mechaniczną, własności sprężyste, praca pękania). Uzyskiwane wartości będą analizowane w
porównaniu z wynikami badań mikrostruktury, składu chemicznego, fazowego, porowatości i
gęstości. Szczególna uwaga zostanie też poświęcona badaniom nad wpływem domieszek na
temperaturę przejścia materiału ze stanu kruchego w stan plastyczny i zbadania wpływu
domieszek na mechanizm pełzania materiału monolitycznego. Obniżenie temperatury
przejścia w stan plastyczny oznacza z reguły pogorszenie wysokotemperaturowych własności
odpornościowych, może jednak wpłynąć na poprawę odporności materiału na cykliczne
zmiany temperatury, tj. wstrząs cieplny. Określenie w projekcie, jakie czynniki podczas
wytwarzania materiałów z udziałem surowców wtórnych mają większy wpływ na parametry
ogniotrwałości, a jakie na temperaturę przejścia w stan plastyczny i pełzanie będą miały
znaczenie w projektowaniu pożądanych właściwości materiałów ogniotrwałych z użyciem
surowców wtórnych. Istotne będą też przy doborze materiałów do konkretnych zastosowań
przemysłowych (w zależności od warunków termicznych i ich stabilności). Materiałem
testowym do badań możliwości świadomego kształtowania własności
wysokotemperaturowych materiałów monolitycznych poprzez wprowadzanie do nich
surowców wtórnych zawierających domieszki o określonych wzajemnych proporcjach, będą
w projekcie betony korundowe i korundowo-spinelowe na wiązaniu zol-żel nie zwierającym
krzemionki. Badania prowadzone będą pod kątem doprecyzowania kryteriów określających
maksymalną temperaturę pracy materiału ogniotrwałego oraz poszukiwania wskaźników, na
bazie których, na etapie badań laboratoryjnych, będzie można przewidywać długotrwałe
zmiany własności termomechanicznych materiałów w warunkach pracy.

Zakres badań

Spotkanie otwierające

W dniu 28.01.2021r odbyło się on line spotkanie otwierające realizację projektu RefraPredict.  W spotkaniu uczestniczyły zespoły realizujące badania z Niemiec: FGF i Hochschule Koblenz i z Polski Ł-ICIMB oraz przedstawiciele przemysłu i koordynatorzy ze strony niemieckiej i polskiej.

Po wprowadzeniu i scharakteryzowaniu celu projektu przedstawiciele poszczególnych zespołów przedstawili przewidziany zakres badań:

1. L. Erbar, K.Sarnow (HS Koblenz) – Opracowanie modelowych betonów ogniotrwałych zsystematycznie zanieczyszczoną osnową przy użyciu spreparowanych „prekursorów” oraz badania wpływu zanieczyszczeń na własności betonów „na zimno”;
2. E.Brochen – Opracowanie innowacyjnego urządzenia umożliwiającego równoczesne badanie wpływu gradientu temperaturowego i obciążenia mechanicznego oraz badania własności wysokotemperaturowych betonów modelowych;
3. J.Podwórny (Ł-ICIMB) – Opracowanie metody badań prędkości pełzania w oparciu o
   koncepcję Norton-Bailey’a i badania mikrostruktury i własności betonów modelowych.
   W dyskusji wiele miejsca poświęcono preparatyce betonów modelowych.

2-gie spotkanie realizatorów i użytkowników projektu 6.07.2021 (on line)

Prezentowano wyniki badań z okresu od 01.2021 r. do 06.2021 r. oraz przewidywane kolejne działania na okres od lipca do końca grudnia 2021

1. Laura Erbar, Katharina Sarnow (Hochschule Koblenz): – Opracowanie i produkcja materiału referencyjnego; – Wprowadzenie krytycznych zanieczyszczeń w ogniotrwałych surowcach o wysokiej zawartości tlenku glinu – przygotowanie prekursorów
2. Jacek Podwórny, Robert Kusiorowski (Łukasiewicz – ICiMB): – Symulacje termochemiczne (FactSage) w celu zidentyfikowania krytycznej kombinacji zanieczyszczeń: -Badanie maksymalnej temperatury pracy („ogniotrwałość”) betonów referencyjnych – tworzenie strategii testowania
3. Erwan Brochen (FGF): – Badanie łącznego wpływu gradientu termicznego i obciążenia mechanicznego na betony ogniotrwałe; – Termomechaniczna charakterystyka betonu referencyjnego

Prezentacja realizacji projektu w czasie zebrania SPMO w dniu 25.11.2021r w Krakowie

Spotkanie dotyczące projektu odbyło się on line w drugiej części posiedzenia członków SPMO i obejmowało:

1. Ogólny zakres badań i uczestnicy projektu – dr inż. J.Czechowski                                                            2.Prezentacja stanu zaawansowania badań – dr hab. J. Podwórny

 3-cie spotkanie realizatorów projektu z użytkownikami 19.06.2022

 Spotkanie odbyło się w Wiśle w trakcie XIX Międzynarodowej konferencji: „Materiały ogniotrwałe:wytwarzanie, metody badań, stosowanie”. W jego trakcie stan zaawansowania prac omówili kolejno:

                   1. L.Ebar (Hochschule Koblenz) omówiła preparatykę 5-ciu rodzajów prekursorów zanieczyszczeń oraz wyniki badań własności „na zimno” przygotowanych betonów korundowych. Zwróciła uwagę na problemy na jakie natrafiono przygotowując zsyntetyzowane dodatki zanieczyszczeń. Ich wysoki stopień spieczenia, a często nadtopienie, powodowały trudności z rozdrabnianiem i mieleniem do uziarnienia zapewniającego równomierne rozproszenie prekursorów zanieczyszczeń w osnowach przygotowywanych próbek betonów korundowych. Wpłynęło to na opóźnienie dostarczenia próbek do dalszych badań.                                                                                                                                                                                                    2. J.Podwórny (Łukasiewicz ICIMB OMO) przedstawił wyniki badań termomechanicznych próbek odniesienia.                                                                                                                                                                                           3. E.Brochen (FGF) przedstawił konstrukcję prototypowego urządzenia do badania zachowania materiałów ogniotrwałych poddanych równoczesnemu oddziaływaniu naprężeń wynikających z gradientu temperaturowego i obciążeń mechanicznych.

 Upowszechnianie – konferencje 2022r

Prezentacje:

• Jerzy Czechowski: The refractory industry in the EU – as it stands and in view of future expectations – Konferencja “Ceramics in Europe 2022”, połączone 9ICC (International Congress on Ceramics), XVII ECerS Congress i Electroceramics XVIII. przedstawiona w sesji 9ICC; Kraków 10 – 14.07.2022 (przedstawiono m.in. znaczenie recyklingu i projekt RefraPredict). Zobacz prezentację.

• J. Podwórny, O. Krause, E. Brochen, K. Dudek, R. Kusiorowski, M. Kujawa, L. Erbar, K. Sarnov: Improved sinterability of the matrix of corundum concrete by high reactive alumina additive. – International Colloquium on Refractories ICR® 2022, 28-29.09.2022, Aachen, Niemcy.

4-te spotkanie realizatorów projektu z użytkownikami 27.01.2023

           Na wstępie koordynator projektu E. Brochen powitał wszystkich uczestników i przypomniał o zasadach antymonopolowych, których należy przestrzegać podczas spotkania. Następnie przedstawiciele zespołów badawczych przedstawili wyniki:

1. Prezentacja wyników B+R Hochschule Koblenz/Niemcy

Katharina Sarnow zaczęła od przypomnienia, że ​​Hochschule Koblenz skupiła się na opracowaniu modelowych betonów ogniotrwałych z systematycznie zanieczyszczaną osnową oraz badaniu wpływu zanieczyszczeń na ich właściwości „na zimno”  . Opisała preparatykę prekursorów i modelowych betonów ogniotrwałych z systematycznie zanieczyszczaną matrycą. Następnie przedstawiła badanie wpływu domieszek na właściwości modelowych odlewów ogniotrwałych „na zimno”. Wszystkie modelowe betony ogniotrwałe bez cementu o wysokiej zawartości tlenku glinu wykazywały porównywalne właściwości płynięcia. CMOR po suszeniu w temperaturze 110°C betonu referencyjnego (bez prekursorów spinelu i zanieczyszczających surowców) okazał się nieco wyższy niż betonów z zanieczyszczeniami, ale nie stwierdzono wyraźnej korelacji pomiędzy rodzajem domieszek a spadkiem pojawił się CMOR. Dodatek prekursorów spinelu doprowadził do wzrostu CMOR, zwłaszcza betonów z dodatkami wprowadzającymi zanieczyszczenia i występowała oczywista korelacja między rodzajem zanieczyszczeń a wzrostem CMOR.

2. Prezentacja wyników prac B+R Łukasiewicz-ICiMB/Polska.

Jacek Podwórny rozpoczął od przypomnienia, że zespół zajmował się obszerną charakterystyką betonów opracowanych przez Hochschule Koblenz, obejmującą badania mineralogiczne, mikrostrukturalne i termomechaniczne. Odniósł się szerzej do następujących zagadnień:

– Ogniotrwałość pod obciążeniem (RuL): próbki wypalone w temperaturze powyżej 1650 °C wykazały znacznie wyższą RuL (T0,5 > 1700 °C) niż próbki, które zostały wygrzane w 450 °C (T0,5 > 1420 °C) C). Wprowadzenie prekursorów zanieczyszczeń prowadziło do obniżenia T0,5 do 60 °C.

– Resonant Frequency & Damping Analyze (RFDA): usunięcie hydratów powyżej 500°C doprowadziło do znacznego spadku sztywności badanej próbki, co najmniej do około 1000°C, następnie proces spiekania (od około 1000 °C) sprzyjał zwiększeniu sztywności, która jest utrzymywana podczas chłodzenia. Równolegle tłumienie pozostaje dość stabilne do 700°C, a następnie wzrosło dość stabilnie do 1200°C, podczas gdy niepewność pomiaru drastycznie wzrosła, zwłaszcza w okolicach 1100°C. Może to mieć związek z przejściem materiału z kruchego w plastyczny. Dodatek zanieczyszczeń do betonu prawie nie wpłynął znacząco na te obserwacje.

– Pełzanie przy ściskaniu (CiC): Po krótkim przypomnieniu trzech etapów pełzania dla danej temperatury według Nortona-Baileya  Jacek Podwórny wyjaśnił, że w celu zwiększenia przyłożonego naprężenia przy zastosowaniu standardowego układu badawczego należy zmniejszyć zewnętrzną średnicę badanego elementu, a co za tym idzie grubość jego ścianki. Zgodnie z oczekiwaniami, im wyższe zastosowane naprężenie pozorne i/lub temperatura badania, tym intensywniejsze są szybkości pełzania. Zastosowanie dodatków spinelotwórczych zwiększyło odporność na pełzanie, podczas gdy zanieczyszczenia, co nie jest zaskoczeniem, wydają się ją zmniejszać.

3. Prezentacja wyników prac badawczo-rozwojowych Forschungsgemeinschaft Feuerfest/Niemcy.

FGF opracowuje system zdolny do połączonego badania  wpływu gradientu temperatury i obciążenia mechanicznego w celu symulacji obciążenia termomechanicznego próbek testowych, podobnego do tego, jakim poddawane są materiały ogniotrwałe jako część kompletnej wykładziny w warunkach eksploatacji.

Pierwszy test wykazał, że swobodna rozszerzalność cieplna badanego elementu w pobliżu gorącej powierzchni (odlew odniesienia) ogrzanej do 1200°C doprowadziła do poziomu naprężeń prawie 20 MPa w obu kierunkach. W kolejnej serii badań stosowano stałe obciążenie i monitorowano zmianę wymiarów badanego elementu. W porównaniu z pomiarem bazowym przy ograniczonym obciążeniu w obu kierunkach (0,15 MPa), wzrost obciążenia w jednym kierunku (10 MPa, 20 MPa i 30 MPa) utrudniał swobodną rozszerzalność cieplną (w kierunku obciążenia) przy podwyższonej temperaturze.

Równolegle FGF prowadził badania pomocnicze na rzecz Ł-ICiMB. Dzięki testom „rozłupywania klinem” (WST) stabilny proces pękania badanych próbek jest monitorowany i określany ilościowo, a tym samym oceniana jest odporność betonu na uszkodzenia. Beton referencyjny (modelowy beton ogniotrwały bez cementu o wysokiej zawartości tlenku glinu) wykazuje względnie umiarkowaną wytrzymałość i właściwą energię pękania, które ulegają obniżeniu wraz ze wzrostem temperatury. Dodatek prekursorów spinelu do betonu sprzyja zwiększeniu wytrzymałości materiału i energii właściwej pękania oraz zmniejszeniu jego kruchości.

Dodatek zanieczyszczeń do betonów prawie systematycznie powodował pogorszenie ich właściwości mechanicznych i zwiększenie kruchości. Jedynym godnym uwagi wyjątkiem jest łączne wprowadzenie Fe i Ca, które najwyraźniej utwardzają materiał i zmniejszają jego kruchość, co jest skorelowane z kombinacją zanieczyszczeń, która powinna tworzyć najmniejszą ilość cieczy w temperaturze badania.

4. Dyskusja

W dyskusji zwrócono uwagę na przyczyny zaobserwowanych różnic w pomiarach ultradźwiękowych, różnice w pełzaniu w próbach ściskania oraz podatność na eksplozję spinelu betonów bezcementowych z dodatkami spinelotwórczymi.  

5 – te spotkanie realizatorów projektu z użytkownikami 17.05.2023   

W dniu 17.05.2023 (czyli po zakończeniu realizacji części finansowanej przez NCBiR) kierownik całego projektu dr Erwan Brochen zorganizował 5-te spotkanie z Użytkownikami w siedzibie FGF w Hoehr-Grenzhausen. Na prośbę kierownika części polskiej projektu spotkanie miało charakter hybrydowy i uczestniczyli w nim on-line przedstawiciele dwóch krajowych Użytkowników i kierownik projektu. Również on-line uczestniczyli przedstawiciele zespołu realizatorów z Łukasiewicz-ICIMB CMO. Na spotkaniu przedstawiono:

• Brochen – “Introduction to the project”
• Ebar, K.Sarnow (Hochschule Koblenz)- “ Introduction of critical impurities in refractory high alumina raw materials – preparation of precursors” and “Production and characterisation of the reference material”
• Podwórny (Łukasiewicz-ICIMB) – “Investigation of the maximum service temperature (“refractoriness”) of the reference castables – setting up a testing strategy”.

• Brochen (FGF) – “Investigation of the combined effect of thermal gradient and mechanical load on refractory castables – development of a new testing method”and “Thermomechanical and thermochemical characterization of the reference castables”.

Po przedstawieniu prezentacji miała miejsce dyskusja nad uzyskanymi wynikami i sugestiami partnerów przemysłowych odnośnie dalszych kierunków badań.

 

 

 

Kontakt

tel: +48 693 999 987
spmo@spmo.gliwice.pl