Auf der Suche nach dem Optimum
Vom Labor zum Computer, vom Computer ins Labor – seit drei Jahren: Wer Simulationen mit guter Datengrundlage durchführen möchte, braucht einen langen Atem. „Einen reinen Bürojob wollte ich sowieso nie haben“, sagt Maximilian Klopf (28), Absolvent der Gesteinshüttenkunde an der Montanuniversität Leoben. „Aber eine gewisse Geduld muss man dafür schon mitbringen.“
Klopf hat sich für seine Dissertation ein besonderes Spezialgebiet ausgesucht: Beim metallurgischen Kompetenzzentrum K1-MET, mit Arbeitsplatz Leoben, versucht er, feuerfeste Behälter zu optimieren. Seine Aufgabe besteht darin, das feuerfeste Innenleben von Behältnissen – im Fachausdruck „Zustellungen“genannt –, in denen flüssiges Eisen oder Stahl produziert oder transportiert werden, zu verbessern.
Sein spezielles Forschungsobjekt ist dabei die Stahlpfanne. Sie bietet Platz für 150 Tonnen Stahl bei 1500 Grad Celsius und dient im Stahlwerk hauptsächlich als Transportgefäß. Bis jetzt wurde das Thema aus thermomechanischer Hinsicht noch nicht im Detail untersucht. „Die Ingenieure arbeiteten oft mit empirischen Ansätzen, die auf Erfahrungswerten basierten“, sagt Klopf, „jedes Stahlwerk verfolgt da seine eigenen Konzepte.“Zustellungen können daher sehr unterschiedlich aufgebaut sein. Verwendet werden etwa verschiedene Feuerfestmaterialien oder Konzepte für Schichten und Steinformen, aber auch fugenlose feuerfeste Massen. Allerdings ist zu bedenken: „Ob die eigene Methode auch wirklich das Optimum für die Produktionsbedingungen darstellt, ist oft nicht klar“, sagt Klopf.
Das Ziel der Arbeit von Klopf ist es nun, Richtlinien für den Aufbau von feuerfesten Zustellungen zu entwickeln, die möglichst allgemein angewandt werden können. Um Eingangsdaten für die Simulationen zu erhalten, hat er dafür feuerfeste Materialien im Labor geprüft und unterschiedliche Materialparameter ermittelt – etwa den Zusammenhang zwischen Spannung, Dehnung und Verformung im Temperaturverlauf von 20 bis 1500 Grad. Die ermittelten Materialdaten verknüpft er anschließend in der Computersimulation mit „geometrischen Faktoren“, zum Beispiel mit Steinformen, Stärken von Dehnfugen oder dem Vorhandensein einer Isolierschicht.
Für die Simulation verwendet Klopf ein mathematisches Verfahren, das auf dem numerischen Lösen eines komplexen Systems aus Differenzialgleichungen basiert. Mit der sogenannten Finite-Elemente-Methode (FEM) hat Klopf hunderte Simulationen durchgerechnet und so Richtlinien für die Zustellung ermitteln können.
Aber Vorsicht sei geboten, sagt Klopf: „Bei der Optimierung kommt es immer darauf an, nach welchen Kriterien beziehungsweise mit welchem Ziel man eine Optimierung erreichen will.“Ist das Ziel eine geringere Temperatur im Stahlmantel der Pfanne, wird die Lösung eine andere sein, als wenn möglichst geringe Spannungen in der Feuerfestzustellung erzielt werden sollen.
„Man braucht für meine Arbeit schon eine gewisse Liebe zum Detail“, meint Klopf. „Umso schöner ist dann das Endergebnis.“In einem Jahr soll es so weit sein.