DE102021118888B4

DE102021118888B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers

Info

Publication number: DE102021118888B4
Application number: DE102021118888.1A
Authority: DE
Inventors: Georg Ankerhold; Peter Kohns; Joshua Klose; Sarah Esch; Christian Dannert; Erwan Brochen
Original assignee: Hochschule Koblenz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hochschule Koblenz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2023-04-13
Anticipated expiration: 2041-07-22
Also published as: DE102021118888A1

Abstract

Vorrichtung zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers (20), wenigstens aufweisend:- eine erste Prüfkammer (11) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser ersten Prüfkammer (11) mit ersten Temperaturbedingungen;- wenigstens eine weitere Prüfkammer (12; 13) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser weiteren Prüfkammer (12; 13) mit weiteren Temperaturbedingungen, die sich von den ersten Temperaturbedingungen unterscheiden;- Transportmittel (30) zum Bewegen eines Prüfkörpers (20) wenigstens zwischen einer ersten Prüfposition im Innenraum der ersten Prüfkammer (11) und einer weiteren Prüfposition im jeweiligen Innenraum der wenigstens einen weiteren Prüfkammer (12; 13);- Prüfmittel (40;41) ausgebildet zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20), wenn sich dieser in der ersten Prüfposition befindet, und ausgebildet zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20), wenn sich dieser in der weiteren Prüfposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum jeder Prüfkammer (11; 12; 13) über wenigstens eine jeweilige Transportöffnung (14;15) mit dem Innenraum einer anderen Prüfkammer (11; 12; 13) verbunden ist, wobei die Transportmittel (30) zum Bewegen eines Prüfkörpers (20) zwischen den verschiedenen Prüfpositionen dazu ausgebildet sind, einen Prüfkörper (20) durch die jeweilige Transportöffnung (14,15) zu transportieren, um einen Prüfkörper (20) von einer Prüfposition in eine andere Prüfposition zu bewegen; und dass die Prüfmittel (40; 41) dazu ausgebildet sind, einen Laserstrahl (44) wenigstens durch eine der Transportöffnungen (14; 15) hindurch auf einen Prüfkörper (20) einzustrahlen, der sich an einer Prüfposition in einer der Prüfkammern (11; 12; 13) befindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers gemäß Anspruch 1, wobei ein Prüfkörper mit verschiedenen Temperaturbedingungen beaufschlagt und laseroptisch untersucht wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers mit einer solchen Vorrichtung. Mit der Erfindung lässt sich insbesondere die Temperaturwechselbeständigkeit von feuerfesten Werkstoffen ermitteln bzw. durch eine Kennzahl abschätzen.
Feuerfeste Werkstoffe sind die Grundvoraussetzung für viele industrielle Prozesse, die hohe Temperaturen erfordern. Hierzu zählen zum Beispiel die Eisen- und Stahlerzeugung, die Zement- und Glasherstellung oder auch der Betrieb von Feuerungsanlagen. Im Betrieb unterliegen feuerfeste Werkstoffe und die daraus erstellten Bauteile erheblichen thermomechanischen Beanspruchungen, die schließlich zu einem Versagen der Bauteile führen können. Insbesondere schnelle Temperaturwechsel, wie sie in industriellen Prozessen stattfinden können, führen durch hervorgerufene thermo-mechanische Spannungen zu einer allmählichen Schädigung der feuerfesten Bauelemente. Stillstände der Fertigungsanlagen mit einer unmittelbaren Auswirkung auf Arbeitskosten und Produktionsausfall zur Erneuerung der Bauteile und ein zwangsläufig hoher Verbrauch an feuerfesten Erzeugnissen sind die unmittelbaren Folgen. Entstehende Verunreinigungen wie z. B abgeplatzte Schichten an der Oberfläche der feuerfesten Werkstoffe können ferner die Qualität des produzierten Gutes signifikant vermindern.
Höhere Ansprüche an eine flexible, auch bedarfsgesteuerte Betriebsweise führen allerdings zunehmend dazu, dass Thermoprozessanlagen unregelmäßig betrieben werden. Für diese flexiblen Betriebsweisen werden Feuerfestwerkstoffe erforderlich, die über eine lange Lebensdauer eine besonders gute Temperaturwechselbeständigkeit (im Folgenden auch „TWB“) aufweisen.
Um solche Werkstoffe zielgerichtet zu entwickeln, bedarf es konkreter, im Labor ermittelbarer Daten zur Lebensdauer unter betrieblichen Bedingungen. Es werden also Kennzahlen über die Zuverlässigkeit feuerfester Werkstoffe unter zyklischer thermomechanischer Beanspruchung bei hohen Temperaturen benötigt. Eine derartige Kennzahl soll angeben, welche Abfolge von Wärmespannungen ein feuerfester Werkstoff erträgt, bis ein definierter Schädigungszustand eintritt.
Beispielsweise wurden zur Prüfung der Temperaturwechselbeständigkeit von Werkstoffen bereits empirische Prüfmethoden entwickelt. Viele dieser Verfahren bilden die Verhältnisse in der betrieblichen Praxis allerdings nur sehr unzureichend ab. Insbesondere bilden sie oftmals einen praxisfremden Temperaturwechsel ab. Zugleich erfolgen die Temperaturwechsel in der Praxis üblicherweise nicht zwischen ca. 1.000 °C und Raumtemperatur, wie es bei einigen Prüfmethoden der Fall ist, sondern eher zwischen zwei unterschiedlich hohen Temperaturen wie z. B. beim Befüllen von Stahlwerkspfannen. Es wurden deshalb auch anwendungsspezifische TWB-Prüfverfahren entwickelt, wie z. B. der Koltermann-Test. Bei diesem Test wird ein Prüfkörper bis auf 1.350 °C aufgeheizt und auf einer wassergekühlten Kupferplatte abgekühlt. Beim Abkühlen liegt ein starker, quasiunidirektionaler und daher nicht praxisgerechter Temperaturgradient vor. Der sogenannte Dip-Spalling-Test sieht hingegen vor, dass ein prismatischer Probekörper 5-mal in ein Metallbad bei etwa 1.600 °C eingetaucht, in Wasser abgeschreckt und 30 min an Luft abgekühlt wird. Die Bewertung der resultierenden Schädigung erfolgt durch die Messung der Ultraschalllaufzeit im Probekörper. Der Dip-Spalling-Test ist jedoch sehr aufwändig und damit auch kostenintensiv.
Anwendungsspezifische TWB-Prüfverfahren sind folglich bisher mit einem sehr hohen Aufwand verbunden, erlauben oft lediglich nur die qualitative Bewertung der Prüfergebnisse („Blackbox-Verfahren“) und sind somit nur ein Hilfsmittel zur erfahrungsabhängigen Beurteilung der TWB.
Bisher bekannte, konventionelle Verfahren zur Prüfung der TWB erlauben es daher nicht, betrieblich relevante Prüfbedingungen zufriedenstellend abzubilden. Außerdem kann nach Stand der Technik der resultierende Schädigungszustand bislang nur mit hohem Aufwand bei schnellen Temperaturwechseln während der Prüfung gemessen werden. Daher besteht der dringende Bedarf nach einem anwendungsnahen Prüfverfahren zur schnellen in-situ Bestimmung der Hochtemperatur-TWB eines Werkstoffs.
Die CN 1 08 760 470 A offenbart beispielsweise eine Vorrichtung zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers in drei Prüfkammern mit unterschiedlichen Temperaturen, während die CN 1 03 293 076 A eine Vorrichtung mit zwei Prüfkammern zeigt. Die JP H03 - 144 343 A offenbart eine Vorrichtung zur Ermittlung der Verformung eines Prüfkörpers unter Druck und bei Wärme, wobei die Verformung durch laseroptische Verfahren ermittelt wird. Aus der DE 43 36 405 A1 ist eine Anordnung zum Prüfen von Gegenständen bei sich schnell ändernden Temperaturen bekannt, wobei die Anordnung zwei übereinander angeordnete Kammern aufweist, welche auf unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind. Es wird dabei auf das spezielle Problem der bis dahin problematischen Druckdifferenz zwischen den Kammern eingegangen. Zum Verfahren der Gegenstände ist eine Hubeinrichtung offenbart. Die DE 10 2015 214 292 A1 offenbart eine vakuumdichte Vorrichtung und ein Verfahren zur thermo-optischen Untersuchung von Proben, wobei ein Schattenwurfverfahren eingesetzt wird.
Ausgehend hiervon ist es die Aufgabe der Erfindung, ein aussagekräftiges, anwendungsnahes und berührungsfreies Prüfverfahren zur in-situ Charakterisierung der Hochtemperatur-Temperaturwechselbeständigkeit von Werkstoffen bereitzustellen, mit dem quantitative und praxisgerechte Kennzahlen hinsichtlich der Eignung feuerfester Werkstoffe für spezifische Einsatzzwecke ermittelt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-11. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 13 und 14.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zur Ermittlung der TWB eines Prüfkörpers und ist auch als Prüfanordnung oder Prüfvorrichtung zu bezeichnen. Bei dem zu untersuchenden Prüfkörper handelt es sich insbesondere um einen Prüfkörper aus einem keramischen Werkstoff, der sich grundsätzlich als feuerfester Werkstoff eignet. Der Werkstoff soll darauf hin untersucht werden, ob und wie sich seine mechanischen Eigenschaften bei Beaufschlagung von schnellen Temperaturwechseln ändern. Die Vorrichtung weist wenigstens zwei Prüfkammern auf, in denen jeweils unterschiedliche Temperaturbedingungen einstellbar sind, um einen Prüfkörper unter diesen unterschiedlichen Temperaturbedingungen laseroptisch zu untersuchen. Die Vorrichtung kann auch als Ofen mit wenigstens zwei Prüfkammern angesehen werden. Beispielsweise wird durch die laseroptische Untersuchung der sich ändernde Elastizitätsmodul (E-Modul) des Prüfkörpers ermittelt, der in den Prüfkammern starken Temperaturwechseln ausgesetzt wird. Der E-Modul belasteter Probekörper wird vorzugsweise mit dem E-Modul unbelasteter Probekörper verglichen, um so die TWB eines Prüfkörpers zu ermitteln. Mit der Erfindung lässt sich insbesondere die TWB von feuerfesten Werkstoffen durch eine resultierende Kennzahl abschätzen. Eine derartige Kennzahl gibt an, welche Abfolge von Wärmespannungen ein feuerfester Werkstoff erträgt, bis ein definierter Schädigungszustand eintritt.
Die Vorrichtung weist hierzu wenigstens eine erste Prüfkammer mit Mitteln zur Beaufschlagung eines innenraums dieser ersten Prüfkammer mit ersten Temperaturbedingungen auf. Wenigstens eine weitere Prüfkammer weist mit Mittel zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser weiteren Prüfkammer mit weiteren Temperaturbedingungen, die sich von den ersten Temperaturbedingungen unterscheiden. Ferner sind Transportmittel vorgesehen, die zum Bewegen eines Prüfkörpers wenigstens zwischen einer ersten Prüfposition im Innenraum der ersten Prüfkammer und einer weiteren Prüfposition im jeweiligen Innenraum der wenigstens einen weiteren Prüfkammer ausgebildet sind. Darüber hinaus weist die Vorrichtung Prüfmittel auf, die zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper ausgebildet sind, wenn sich dieser in der ersten Prüfposition befindet. Die Prüfmittel sind ferner ausgebildet zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper, wenn sich dieser in der weiteren Prüfposition befindet. Dadurch kann bei verschiedenen Temperaturbedingungen eine laseroptische Untersuchung am Prüfkörper erfolgen, ohne dass der Prüfkörper zwischen den laseroptischen Untersuchungen der Prüfanordnung bzw. dem Ofen entnommen werden muss.
Die Temperaturunterschiede in den wenigstens zwei Prüfkammern können ausreichend groß gewählt werden, um den Prüfkörper wiederholt schnellen starken Temperaturschwankungen auszusetzen. Dabei kann ein Prüfkörper direkt von einer ersten Prüfposition in eine zweite Prüfposition in einer anderen Prüfkammer bewegt werden, so dass der Prüfkörper ohne Unterbrechung den nächsten Temperaturbedingungen ausgesetzt wird. Die laseroptische Untersuchung ermöglicht dabei eine berührungslose Untersuchung bei sehr hohen Temperaturen. Die Erhitz- und Abkühlvorgänge können in großer Anzahl wiederholt und auch in ihrer Reihenfolge variiert werden, um den Prüfkörper einer zyklischen thermomechanischen Beanspruchung bei hohen Temperaturen auszusetzen, die für den zu prüfenden feuerfesten Werkstoff möglichst praxisrelevant ist.
Für die laseroptische Untersuchung hat sich die berührungslose Ultraschallmessung mittels Laser als vorteilhaft erwiesen. Die Flexibilität, die durch eine kontaktlose Ultraschallmessung möglich wird, hat sich bereits in Raumtemperaturanwendungen bei metallischen Werkstoffen bewiesen und wurde auch für grobkörnige keramische Werkstoffe eingesetzt. Berichte über Hochtemperaturanwendungen erstrecken sich auch auf keramische Werkstoffe. Hier wurden Laser-Interferometer erfolgreich bis 1.600 °C validiert und reproduzierbar betrieben. In einer Ausführungsform der Erfindung umfassen die Prüfmittel zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung daher insbesondere ein Laser-Doppler-Vibrometer (LDV).
Die von den Prüfmitteln erzeugten Prüfergebnisse werden beispielsweise einer Auswerteeinheit übermittelt, welche aus den Prüfergebnissen die TWB des Prüfkörpers ermittelt und z. B. eine aussagekräftige Kennzahl erzeugt. Dies kann durch Auswertemittel erfolgen, die in direkter kommunikativer Verbindung mit den Prüfmitteln stehen und so zur Prüfanordnung gehören. Auf diese Weise können die Prüfergebnisse insbesondere direkt ausgewertet und die TWB ermittelt werden. Die Auswertemittel können jedoch auch getrennt von der Prüfanordnung ausgebildet sein und die Prüfergebnisse werden den Auswertemitteln indirekt auf andere Weise übermittelt.
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung daher Auswertemittel auf, die im Datenaustausch mit den Prüfmitteln stehen, wobei die Auswertemittel dazu ausgebildet sind, aus den von den Prüfmitteln erzeugten Prüfergebnissen die TWB des untersuchten Prüfkörpers zu ermitteln, wobei Prüfergebnisse von laseroptischen Untersuchungen an einem Prüfkörper in wenigstens zwei Prüfpositionen auswertbar sind.
Die in einem Prüfkörper erzeugbare Temperatur in der wenigstens einen weiteren Prüfposition bei den beaufschlagten weiteren Temperaturbedingungen liegt folglich oberhalb oder unterhalb der im Prüfkörper erzeugbaren Temperatur in der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen. Beispielsweise handelt es sich bei der zu erzeugenden Temperatur um eine Oberflächentemperatur oder eine Kerntemperatur des Prüfkörpers. Werden beispielsweise zwei Prüfkammern vorgesehen, wird in einer ersten Prüfkammer am Prüfkörper eine erste Standardtemperatur eingestellt und einer zweiten Prüfkammer zweite Temperaturbedingungen, durch welche ein Prüfkörper erhitzt oder abgekühlt wird. Bei der Beaufschlagung einer Prüfkammer mit Temperaturbedingungen kann eine bestimmte Temperatur innerhalb der Atmosphäre einer Prüfkammer erzeugt werden, welcher der Prüfkörper für eine gewisse Zeit ausgesetzt wird, so dass die im Prüfkörper erzeugbare Temperatur im Wesentlichen der Temperatur in der Atmosphäre des Prüfkammer entspricht. Alternativ kann der Prüfkörper z. B. durch Konvektion oder Strahlung Temperaturbedingungen ausgesetzt werden, welche eine Erwärmung oder Abkühlung des Prüfkörpers bewirken. Beispielsweise erfolgt ein Anblasen mit kalter Luft, um eine schnelle Abkühlung des Prüfkörpers zu bewirken. Die in einem Prüfkörper zu erzeugende Temperatur beinhaltet daher neben der direkten Einstellung einer Temperatur innerhalb der Atmosphäre einer Prüfkammer auch die indirekte Erzeugung einer Temperatur am Prüfkörper durch Abkühlung und/oder Erwärmung.
Vorzugsweise sind mindestens drei Prüfkammern mit drei Prüfpositionen und unterschiedlichen Temperaturbedingungen vorgesehen. In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung daher wenigstens drei Prüfkammern auf, d. h. neben einer ersten Prüfkammer mit einer ersten Prüfposition für den Prüfkörper gibt es wenigstens zwei weitere Prüfkammern mit entsprechenden Prüfpositionen. Von den weiteren Prüfkammern ist dann eine zweite Prüfkammer mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser zweiten Prüfkammer mit zweiten Temperaturbedingungen und eine dritte Prüfkammer mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser dritten Prüfkammer mit dritten Temperaturbedingungen ausgebildet, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Temperaturbedingungen unterscheiden. So ist es möglich, dass die im Prüfkörper erzeugbare Temperatur an der dritten Prüfposition bei den beaufschlagten dritten Temperaturbedingungen unterhalb der im Prüfkörper erzeugbaren Temperatur an der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen liegt, während die im Prüfkörper erzeugbare Temperatur an der zweiten Prüfposition bei den beaufschlagten zweiten Temperaturbedingungen oberhalb der im Prüfkörper erzeugbaren Temperatur an der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen liegt. Der Prüfkörper kann dann aus einer Prüfkammer mit mittlerer Temperatur wahlweise in einer zweiten Prüfkammer erhitzt oder in einer dritten Prüfkammer abgekühlt werden.
Beispielsweise ist dabei die im Prüfkörper erzeugbare Temperatur an der ersten Prüfposition in der ersten Prüfkammer größer als 500 °C, vorzugsweise größer oder gleich 1.000 °C. Die Standardtemperatur in der ersten Prüfkammer liegt insbesondere im Bereich von 1.500 °C. Die im Prüfkörper erzeugbaren Temperaturen an den verschiedenen Prüfpositionen in den Prüfkammern bei den beaufschlagten Temperaturbedingungen unterscheiden sich dabei jeweils um mehrere 100 Kelvin. Beispielsweise kann eine Erhitzung auf 2.000 °C oder eine Abkühlung auf 1.000 °C erfolgen.
Die Erfindung verfolgt den Ansatz, einen Prüfkörper diesen wechselnden Temperaturbedingungen möglichst schnell ohne große Unterbrechungen und Zwischenschritte auszusetzen. Hierfür wird der Prüfkörper möglichst direkt von einer Prüfkammer in eine andere Prüfkammer bewegt. Um dies zu ermöglichen, sind zwischen den Prüfkammern erfindungsgemäß Transportöffnungen vorgesehen. Die Prüfkammern grenzen dann direkt aneinander an und ihre Innenräume sind über diese Transportöffnungen miteinander verbunden. Insbesondere ist der Innenraum jeder Prüfkammer über wenigstens eine jeweilige Transportöffnung mit dem Innenraum einer anderen Prüfkammer verbunden, wobei die Transportmittel zum Bewegen eines Prüfkörpers zwischen den verschiedenen Prüfpositionen dazu ausgebildet sind, einen Prüfkörper durch die jeweilige Transportöffnung zu transportieren, um einen Prüfkörper von einer Prüfposition in eine andere Prüfposition zu bewegen. Diese Transportöffnungen sind entweder permanent geöffnet, oder sie sind temporär verschließbar. Bei verschließbaren Transportöffnungen sind diese in einer Ausführungsform wenigstens teilweise transparent ausgebildet, um je nach Aufbau der Prüfanordnung eine laseroptische Untersuchung durch die Transportöffnung hindurch durchführen zu können. Beispielsweise ist hierzu ein Fenster in den temporär verschlossenen Transportöffnungen vorgesehen. Die Prüfmittel sind erfindungsgemäß dazu ausgebildet, einen Laserstrahl wenigstens durch eine der Transportöffnungen hindurch auf einen Prüfkörper einzustrahlen, der sich an einer Prüfposition in einer der Prüfkammern befindet. Dabei kann sowohl die Lasereinstrahlung als auch die Schallechoerfassung durch die Transportöffnung erfolgen. Eine Vorrichtung, bei der ein Messlaserstrahl durch mindestens eine Transportöffnung geführt wird, ist aus dem Stand der Technik bisher nicht bekannt.
Die Vorrichtung kann auf verschiedene Arten ausgeführt sein, wobei insbesondere die Anordnung der Prüfkammern im Ofen variieren kann. Beispielsweise sind die Prüfkammern vertikal übereinander oder in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene nebeneinander angeordnet. Vorzugsweise werden die Prüfkammern hierzu in einer Reihe angeordnet, d. h. in einer vertikalen Reihe oder einer horizontalen Reihe. Doch auch Mischformen sind möglich, bei denen eine Anordnung übereinander mit einer Anordnung nebeneinander kombiniert ist. Entsprechend sind die Transportmittel ausgebildet, um einen Prüfkörper zwischen den Prüfkammern zu bewegen. Bei übereinanderliegenden Prüfkammern sind die Transportmittel dazu ausgebildet, einen Prüfkörper in vertikaler Richtung zu bewegen. Dies kann beispielsweise durch eine Zug- oder Hebeeinrichtung erfolgen. Bei nebeneinanderliegenden Prüfkammern sind die Transportmittel dazu ausgebildet, einen Prüfkörper in einer im Wesentlichen horizontalen Ebene zu bewegen, wobei verschiedene Transportmechanismen zur Anwendung kommen können. Auch hier ist eine Kombination aus vertikal und horizontal betriebenen Transportmitteln möglich, oder auch Transportebenen in einem Winkel zwischen 0° und 90° können realisiert werden.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist jede Prüfkammer mit eigenen Prüfmitteln zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung in der jeweiligen Prüfkammer ausgestattet. Die Untersuchung kann beispielsweise durch ein oder mehrere Fenster im Gehäuse einer Prüfkammer erfolgen. In einer bevorzugten alternativen Ausführungsform ist die Vorrichtung jedoch dazu ausgebildet, mit den gleichen Prüfmitteln eine laseroptische Untersuchung an einem Prüfkörper an wenigstens zwei Prüfpositionen durchzuführen. Auch diese Untersuchung erfolgt vorzugsweise durch ein oder mehrere Fenster im Gehäuse der Prüfanordnung. Die Prüfmittel sind aber dazu geeignet, einen Laserstrahl auf einen Prüfkörper in jeder der Prüfkammern einzustrahlen und auch ein Schallecho aus jeder der Prüfkammern zu empfangen. Auf diese Weise lässt sich eine Vielzahl von Prüfgeräten reduzieren.
Bei Prüfkammern in einer Reihe kann ein Laserstrahl durch alle Prüfkammern hindurch eingestrahlt werden, wobei er durch die Transportöffnungen zwischen den Prüfkammern verläuft. Das gleiche gilt für den Laserstrahl, mit dem die in dem Prüfkörper induzierten Schallwellen gemessen werden. Hierzu fluchten die Transportöffnungen zwischen den Prüfkammern entsprechend miteinander. In einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Transportöffnungen daher einen transparenten Bereich auf, durch welchen eine laseroptische Untersuchung hindurch durchführbar ist. Bei permanent offenen Transportöffnungen bildet die jeweilige Transportöffnung selbst diesen transparenten Bereich. Bei temporär verschließbaren Transportöffnungen können diese ein geeignet platziertes Fenster aufweisen.
Von der Erfindung umfasst ist auch ein Verfahren zur Ermittlung der TWB eines Prüfkörpers, das insbesondere mit einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung durchführbar ist. Das Verfahren weist wenigstens die folgenden Schritte auf:

a) Einbringen eines Prüfkörpers in eine erste Prüfposition in einer ersten Prüfkammer der Vorrichtung;
b) Beaufschlagung des Innenraums dieser ersten Prüfkammer mit ersten Temperaturbedingungen;
c) Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper in der ersten Prüfposition mit Prüfmitteln;
d) Beaufschlagung des Innenraums wenigstens einer weiteren Prüfkammer der Vorrichtung mit weiteren Temperaturbedingungen, wobei sich die ersten und die weiteren Temperaturbedingungen unterscheiden;
e) Bewegen des Prüfkörpers von der ersten Prüfposition in wenigstens eine weitere Prüfposition im Innenraum einer weiteren Prüfkammer der Vorrichtung;
f) Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper in der jeweiligen weiteren Prüfposition mit Prüfmitteln.

Dabei müssen die einzelnen Schritte a) bis f) des Verfahrens nicht in dieser Reihenfolge durchgeführt werden, sondern einzelne Schritte können in ihrer Reihenfolge auch variieren und/oder einzelne Schritte werden wiederholt, bis ein nächster Verfahrensschritt erfolgt. Einige Verfahrensschritte können auch während der Durchführung eines anderen Verfahrensschritts andauern. Bei den Verfahrensschritten a) und b) besteht beispielsweise die Möglichkeit, dass ein Prüfkörper zuerst in einer Prüfkammer platziert wird und die Prüfkammer anschließend mit den gewünschten Temperaturbedingungen beaufschlagt wird, d. h. beispielsweise aufgeheizt oder abgekühlt wird. Alternativ können die Temperaturbedingungen zuerst eingestellt (Schritt b) und der Prüfkörper anschließend eingebracht werden (Schritt a). Dies bietet sich insbesondere bei sich wiederholenden Messungen an, bei denen eine Prüfkammer mit bestimmten Temperaturbedingungen beaufschlagt und nacheinander mehrere Prüfkörper in der Prüfanordnung untersucht werden. Dann würde z. B. die erste Prüfkammer nicht immer wieder hoch- und heruntergeheizt, sondern die Beaufschlagung der ersten Prüfkammer mit ersten Temperaturbedingungen könnte weitestgehend konstant bleiben.
Ferner würde ein Prüfkörper für eine laseroptische Untersuchung typischerweise zuerst in der ersten Prüfkammer platziert und anschließend in eine andere Prüfkammer transportiert, um ihn dort anderen Temperaturbedingungen auszusetzen und z. B. abzukühlen. Anschließend könnte er wieder in die erste Prüfkammer zurück transportiert und wieder den dort herrschenden Temperaturbedingungen ausgesetzt werden, um ihn wieder zu erwärmen, und ihn anschließend wieder in eine andere Prüfkammer zu transportieren, um ihn dort weiter zu erhitzen. Doch auch ein direkter Übergang von Abkühlen zu Erhitzen wäre möglich ohne den Zwischenschritt in der ersten Prüfkammer.
Darüber hinaus muss der Schritt d) nicht nach den Schritten a), b) und c) erfolgen, sondern die wenigstens eine weitere Prüfkammer könnte bereits vor oder während dieser Schritte mit den jeweiligen weiteren Temperaturbedingungen beaufschlagt werden, bevor der Prüfkörper eingebracht wird. Auch kann die Reihenfolge der Schritte d) und e) umgekehrt werden. Ferner wiederholen sich die Schritte d), e) und f), wenn ein Prüfkörper wie zuvor beschrieben in mehr als zwei Prüfkammern transportiert und dort laseroptisch untersucht wird. Insgesamt wiederholen sich die Schritte a) bis f) mehrmals, wenn eine große Anzahl von Temperaturwechselzyklen ausgeführt werden soll.
In jedem Fall kann vorgesehen sein, dass aus den von den Prüfmitteln erzeugten Prüfergebnissen die TWB des untersuchten Prüfkörpers ermittelt wird, wobei Prüfergebnisse von laseroptischen Untersuchungen an einem Prüfkörper in wenigstens zwei Prüfpositionen ausgewertet werden. Diese Auswertung kann durch Auswertemittel durchgeführt werden, welche der Prüfanordnung direkt zugehörig sind. Alternativ können die Prüfergebnisse auch externen Auswertemitteln zugeführt werden. In beiden Fällen können die Auswertemittel neben den Prüfergebnissen der Prüfanordnung auch weitere Informationen berücksichtigen, z. B. mechanische Parameter von unbelasteten Vergleichsprüfkörpern.
Um eine berührungslose Schädigungsbewertung durchführen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Laser zur Ultraschallanregung des Prüfkörpers zu verwenden. Ein gezielter und fokussierter Laserpuls auf eine der Stirnflächen des Prüfkörpers bewirkt eine Schwingungsanregung, die berührungslos ist. Die bestrahlte Oberfläche absorbiert einen Teil der Laserstrahlung und wird dadurch lokal so stark erhitzt, dass Teile des Oberflächenmaterials verdampfen. Der Temperaturanstieg ist dabei von der Wärmeleitfähigkeit des jeweiligen bestrahlten Materials abhängig. Aufgrund der hohen Temperatur beinhaltet das verdampfte Material einige freie Elektronen, die ihre kinetische Energie durch Stöße an weitere Atome abgeben können und dadurch aus diesen Atomen freie Elektronen und Ionen erzeugen. Aufgrund der lokalen thermischen Expansion des Materials innerhalb weniger Mikrosekunden entsteht eine sich radial ausbreitende Schockwelle, die mit einer Schlaganregung des Prüfkörpers vergleichbar ist.
Somit führt die Absorption der Strahlungsenergie zu einem lokalen Temperaturanstieg und damit zu thermoelastischer Ausdehnung. Die resultierende Kraft wirkt horizontal entlang der Oberfläche des Prüfkörpers und sorgt für eine überwiegend transversale Schwingungsanregung. Die Verdampfung des Oberflächenmaterials hingegen erzeugt eine entgegengerichtete vertikale Kraft in Richtung des Prüfkörpers und begünstigt daher überwiegend longitudinale Schwingungen.
Die Detektion der Schwingungssignale erfolgt beispielsweise über die Laser-Doppler-Vibrometrie, die für den Hochtemperaturbetrieb geeignet ist. Ein Laser-Doppler-Vibrometer dient der lasergestützten Schwingungsdetektion an Oberflächen und ist daher eine berührungslose Alternative zu den herkömmlichen Detektionsverfahren z.B. mit einem Piezoelement. Typischerweise besteht ein LDV aus einem kontinuierlich strahlenden Pilotlaser als sichtbare Lichtquelle zur Positionsmarkierung für den späteren Messort und einem Infrarot-Laser mit einer Wellenlänge von zum Beispiel 1550 nm für die eigentliche Schwingungsmessung, sowie einem Mach-Zehnder-Interferometer und einem Fotodetektor.
Der optische Aufbau eines LDV sieht beispielsweise wie folgt aus: Die Strahlung eines Lasers mit der Frequenz f₀ wird über Strahlteiler in einen Mess- und einen Referenzarm aufgeteilt. Der Messstrahl trifft auf den schwingenden Prüfkörper und erfährt eine Dopplerverschiebung um die Frequenz f_D. Diese Frequenzverschiebung ergibt sich aus der Schwingungsgeschwindigkeit der Oberfläche ϑ und der Wellenlänge des einfallenden Lichtes λ durch folgenden Zusammenhang: $f_{D} = \frac{2 | ϑ |}{λ}$
Der Referenzstrahl läuft durch eine Bragg-Zelle, wo er um die Braggfrequenz f_B, typischerweise 40 MHz, verschoben wird. Eine Bragg-Zelle, auch Akustooptischer Modulator (AOM) genannt, ist ein optisches Bauelement. Ein Piezokristall im Inneren erzeugt ein optisches Gitter aus Ultraschallwellen, woran einfallendes Licht gebeugt und in den Beugungsordnungen um die Ultraschallfrequenz verschoben wird. Dieser Aufbau mit Bragg-Zelle wird auch heterodynes Interferometer genannt. Anschließend werden der reflektierte Anteil des Messstrahls und der frequenzverschobene Referenzstrahl überlagert und auf einen Photodetektor gelenkt. Der Detektor wandelt das optisch interferierende Signal in ein elektrisches Signal um, so dass ein Dekodierer daraus die Geschwindigkeit ϑ berechnen kann, wobei sich die ergebene Spannung des Detektors proportional zur Geschwindigkeit ϑ verhält.
Die Bragg-Zelle spielt bei diesem Aufbau eine entscheidende Rolle, denn ohne sie wäre es nicht möglich, eine Aussage über die Richtung der Schwingbewegung zu treffen. Da sich die Frequenzen der beiden Teilarme nur geringfügig unterscheiden, kommt es bei der Interferenz zur Schwebung. Dies bedeutet, dass sich die überlagernden Frequenzen gegenseitig periodisch verstärken und abschwächen, so dass die Einhüllende der resultierenden Schwingung wieder einer einfachen Schwingung mit einer geringeren Frequenz, der Schwebefrequenz fs, entspricht. Die Schwebefrequenz ergibt sich aus dem Betrag der Differenz beider überlagerter Frequenzen, so dass sich folgende Gleichung für einen Aufbau ohne Bragg-Zelle ergeben würde: $f_{S} = | f_{0} - (f_{0} \pm f_{D}) | = f_{D}$
Die Schwebefrequenz entspricht dem Betrag der Dopplerfrequenz, da keine negativen Frequenzen existieren. Sie gibt also keine Auskunft, in welche Richtung die Verschiebung der Frequenz stattfindet, denn sowohl negative als auch positive Dopplerverschiebung liefert dieselbe Schwebefrequenz. Durch die Bragg-Zelle findet in der ersten Beugungsordnung des Gitters eine Addition der Referenzfrequenzfo mit der Braggfrequenz f_B (diese entspricht der Ultraschallfrequenz in der Bragg-Zelle) statt. Für die Berechnung der Schwebefrequenz verändert sich die Gleichung nun zu: $ƒ_{S} = | (ƒ_{0} + ƒ_{Β}) - (ƒ_{0} \pm ƒ_{D}) | = | ƒ_{B} \pm ƒ_{D} |$
Die maximale Geschwindigkeit, die ein LDV aufnehmen kann, beträgt typischerweise 10 m/s und die maximale Dopplerverschiebung ƒ_Dmax= 32 MHz. Aus Gleichung (3) ergibt sich nach Einsetzen der typischen Werte für ƒ_B und ƒ_D, dass die Schwebefrequenz $ƒ_{S} = | ƒ_{B} \pm ƒ_{D} | = | 40 M H z \pm 32 M H z |$
je nach Richtung der Schwingbewegung größer oder kleiner als 40 MHz ist, aber niemals negativ wird. Anhand der Schwebefrequenz kann nun die Schwingungsrichtung bestimmt werden.
Unter Verwendung z. B. eines Infrarot-Lasers mit einer Wellenlänge von 1.550 nm als Lichtquelle entspricht eine Geschwindigkeit von 1 mm/s nach Gleichung (1) in etwa 1,29 kHz als Dopplerverschiebung im Messstrahl. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaus ist, dass aufgrund der Schwebung nicht die Frequenz der Lichtquelle im Terahertz-Bereich detektiert werden muss. Es genügt, die Schwebefrequenz im Megahertz-Bereich zu betrachten, um eine Aussage über Schwingungsrichtung und Amplitude zu treffen.
Die Prüfmittel führen insbesondere eine laseroptische Untersuchung mit einem LDV durch, wobei dieser Untersuchung ein Echoverfahren oder ein Laufzeitverfahren zugrunde liegt. Das Laufzeitverfahren wird verwendet, um die Laufzeit der longitudinalen und transversalen Schallwellen durch einen Prüfkörper zu bestimmen. Bei Longitudinalwellen muss der mechanische Impuls senkrecht zur Oberfläche des Prüfkörpers erfolgen, bei Transversalwellen hingegen parallel dazu. Wie weiter oben beschrieben, werden durch den eingestrahlten Laserpuls beide Schwingungsformen angeregt. Aus den Laufzeiten der beiden Schallkomponenten lassen sich ihre Geschwindigkeiten ϑ_l (Geschwindigkeit der longitudinalen Schallwelle) und ϑ_t (Geschwindigkeit der transversalen Schallwelle) im Medium bestimmen und anschließend der E-Modul E des Prüfkörpers, unter Berücksichtigung seiner Dichte ρ, wie folgt berechnen: $E = ρ \frac{3 ϑ_{l}^{2} ϑ_{t}^{2} - 4 ϑ_{t}^{4}}{ϑ_{t}^{2} - ϑ_{t}^{2}}$
Wichtig bei dieser Messung ist eine ausreichende Länge des Prüfkörpers, um die Schallkomponenten zeitlich auseinander halten zu können. Als Richtwert kann gelten, dass der Prüfkörper in Messrichtung länger als 5 mm sein muss, mit der Bedingung: L > 10 · ϑ_l · τ_l mit L als Länge (m), ϑ_l als Geschwindigkeit (m/s) der Longitudinalwelle und τ_l als Ultraschallpulsbreite (s) des Anregungspulses. Die typische Messunsicherheit des resultierenden E-Moduls liegt bei ±2 %.
Das Echoverfahren basiert auf dem gleichen Prinzip wie das Laufzeitverfahren, jedoch wird nicht die Zeit eines Schalldurchlaufs von einer Stirnfläche des Prüfkörpers zur anderen gemessen, sondern die Zeitdifferenz der Schallechos, die an den Stirnflächen des Prüfkörpers reflektiert werden. Aus der Zeitdifferenz der Echos, der Länge des Prüfkörpers L und seiner Dichte ρ kann anschließend wieder der E-Modul E wie folgt berechnet werden: $ϑ_{E} = \frac{2 * L}{τ}$
$E = ρ * ϑ_{E}^{2}$
τ beschreibt in diesem Verfahren nicht die Ultraschallpulsbreite, sondern die Zeitdifferenz zweier aufeinander folgender Echos, gemessen an derselben Stirnfläche des Prüfkörpers. Die Schallgeschwindigkeit ϑ_E ergibt sich aus der Zeitdifferenz τ und der Länge L des Prüfkörpers. Da das Echoverfahren auf dem gleichen Prinzip wie das Laufzeitverfahren beruht, liegt die übliche Messunsicherheit ebenfalls bei ±2 %.
In die Bestimmung der TWB des Prüfkörpers können neben einem so ermittelten E-Modul ferner mechanische Parameter unbelasteter Prüfkörper einfließen.
Mit der Erfindung ist es daher möglich, eine berührungsfreie Bestimmung mechanischer Parameter feuerfester Werkstoffe unter Beaufschlagung definierter schneller Temperaturwechsel bereitzustellen. Die Erfindung bietet diese Möglichkeit der Messung zusammen mit einem schnellen industrienahen Wechsel zwischen verschiedenen Temperaturen, die alle deutlich höher als die Raumtemperatur liegen können. Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung ist dabei die Kombination aus einem Ofen mit mehreren Prüfkammern und einer berührungslosen laseroptischen Untersuchung. Dies erlaubt die schnelle Beaufschlagung der Probe mit zyklischen Temperaturänderungen und die schnelle Messung der Auswirkung dieser Wechsel auf die mechanischen Eigenschaften der Probe. Durch die Abfolge unterschiedlicher Lasthorizonte bis zum Eintreten eines definierten Versagens wie z. B. Bruch oder Anriss lassen sich Schlussfolgerungen über die Lebensdauer feuerfester Werkstoffe oder Bauteile entwickeln. Mit der Erfindung besteht damit eine Prüfmethodik, die eine Aussage über die Lebensdauer feuerfester Werkstoffe unter betrieblichen Bedingungen erlaubt.
Das beschriebene neue Verfahren lässt dabei insbesondere die Möglichkeit zu, den Schädigungszustand verschiedener Feuerfestmaterialien auch bei sehr hohen Temperaturen zu bestimmen und damit viel genauer die zu erwartende Lebensdauer abzuschätzen. Bei hohen Temperaturen erlaubt das berührungslose laseroptische Messverfahren, über den sich deutlich ändernden E-Modul den Schädigungszustand zu beurteilen.
Zur Schädigungsbewertung sind Werkstoffeigenschaften wie die Schallgeschwindigkeit oder der E-Modul belasteter Probekörper mit denen unbeschädigter Probekörper zu vergleichen. Für solche Messungen muss der Probekörper aber bei bisherigen Verfahren üblicherweise aus der TWB-Prüfeinrichtung entnommen werden. Dabei treten durch den damit verbundenen Abkühlprozess unerwünschte Veränderungen im Probekörper auf, die sich auf die ermittelten Werkstoffeigenschaften auswirken. Darüber hinaus ist dieses Vorgehen mit dem Bedarf, die Schädigungsentwicklung feuerfester Werkstoffe über eine große Anzahl von Temperaturwechselzyklen auch zwischen hohen Temperaturen zu verfolgen, schwer vereinbar.
Mit der Erfindung kann dagegen eine Methode der Ermittlung einer TWB feuerfester Werkstoffe zur Verfügung gestellt werden, mit der neue Werkstoffe zielgerichtet für flexibel betriebene Thermoprozessanlagen entwickelt werden können. Ein Prüfkörper aus dem betreffenden Werkstoff wird in der erfindungsgemäßen Vorrichtung untersucht und so seine TWB ermittelt. Gegenüber einigen der bisher bekannten zerstörungsfreien Prüfverfahren zur Bewertung der Schädigung feuerfester Werkstoffe hat die Erfindung insbesondere den Vorteil, dass sie mit weniger Aufwand verbunden ist.
Zeiten durch den Stillstand einer Anlage mit feuerfesten Materialien können stark reduziert werden. Zustellungen aus verbesserten feuerfesten Erzeugnissen erreichen höhere Standzeiten im Einsatz und müssen daher seltener erneuert werden. Zudem können die Auswirkungen von Prozessänderungen wie z. B. höhere Prozesstemperaturen und schnellere Prozesszyklen auf die zu erwartende Lebensdauer feuerfester Zustellungen mit der Erfindung abgeschätzt werden, was von Vorteil ist, da Nutzer-Industrien schon seit langer Zeit typische Kennwerte fordern, die eine Aussage zur Standzeit feuerfester Erzeugnisse direkt auf ihre eigenen Prozessbedingungen ermöglichen.
Die Erfindung lässt sich dabei unabhängig vom Werkstoffsystem einsetzen, Das neue TWB-Prüfverfahren wurde so ausgelegt, dass insbesondere alle Arten feuerfester keramischer Werkstoffe untersucht werden können.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Prüfanordnung mit drei Prüfkammern;
2 die Prüfanordnung gemäß 1 bei einem aufsteigenden Temperaturschock; und
3 die Prüfanordnung gemäß 1 bei einem absteigenden Temperaturschock.

Die erfindungsgemäße Prüfanordnung und das zugehörige Prüfverfahren werden anhand der 1 bis 3 beispielhaft erläutert. Die in 1 schematisch dargestellte Prüfanordnung 10 besteht dabei aus drei miteinander verbundenen Prüfkammern 11, 12, und 13, die zusammen in einem Gehäuse 16 einen Ofen bilden. Die erste Prüfkammer 11 ist darin ein Warmhalteofen, der einen Prüfkörper 20 mit einer geeigneten Heizeinrichtung 60 auf eine definierte Temperatur heizen oder abkühlen kann. In der zweiten Prüfkammer 12 befindet sich eine weitere Heizeinrichtung, die ein schnelles Erwärmen eines Prüfkörpers 20 ermöglicht. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Kohlenstoffring 61, der durch eine ihn umgebende Induktionsspule 62 zum Glühen gebracht wird und so den Prüfkörper 20 schnell auf Oberflächentemperaturen von über 1.700 °C erhitzen kann. Die dritte Prüfkammer 13 dient zur Abkühlung eines Prüfkörpers 20, beispielsweise zur Luftabschreckung des Prüfkörpers z. B. über Luftdüsen 63, wobei dies in Anlehnung an die zum Anmeldetag geltende DIN EN 993-11 erfolgen kann.
Ferner ist zwischen der ersten Prüfkammer 11 und der zweiten Prüfkammer 12 eine erste Transportöffnung 14 vorgesehen, während zwischen der ersten Prüfkammer 11 und der dritten Prüfkammer 13 eine zweite Transportöffnung 15 vorgesehen ist. Die drei Prüfkammern 11, 12, 13 sind in dieser Ausführungsform vertikal übereinander angeordnet. Die erste Prüfkammer 11 liegt somit in der Mitte, die zweite Prüfkammer 12 darüber und die dritte Prüfkammer darunter. Beispielsweise liegt die gesamte Anordnung auf einer Abstützung 70 auf, was jedoch nicht einschränkend zur verstehen ist, sondern lediglich die vertikale Ausrichtung der Prüfanordnung 10 verdeutlichen soll.
Der zu untersuchende Prüfkörper 20 liegt z. B. auf einer transparenten oder mit einem Loch zur Durchstrahlung eines Laserstrahls versehenen Auflage 31, die in Verbindung mit einer Transporteinrichtung 30 zur Bewegung des Prüfkörpers 20 zwischen den einzelnen Prüfkammern 11, 12, 13 steht. Für die Einbringung des Prüfkörpers 20 in die Vorrichtung 10 ist beispielsweise ein nicht dargestellter Zugang vorgesehen. In dieser Ausführungsform handelt es sich bei der Transporteinrichtung 30 um eine Hubvorrichtung. Über diese Hubvorrichtung kann die Auflage 31 und damit der darauf befindliche Prüfkörper 20 zwischen den jeweiligen Prüfkammern verfahren werden, um dort entweder aufsteigende Temperaturschocks (2) oder absteigende Temperaturschocks (3) zu erzeugen. Die Transportmittel 30 sind dazu ausgebildet, die Auflage 31 mit einem Prüfkörper 20 zwischen den Prüfpositionen in den Prüfkammern 11, 12, 13 zu bewegen.
Die Hubeinrichtung 30 kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein, wobei die Figuren lediglich eine mögliche Ausführungsform zeigen. Die Hubeinrichtung 30 umfasst in der dargestellten Ausführungsform beispielsweise eine vertikal verlaufende Röhre 32, die mit der Auflage 31 den Prüfkörper 20 trägt. Die Röhre 32 sollte hitzebeständig und insbesondere hohl im Inneren sein, damit die Messung durch das Innere der Röhre 32 hindurch erfolgen kann. Beispielsweise wird daher eine Korundröhre verwendet. An der unteren Seite der Prüfanordnung 10 und damit auf der Unterseite der dritten Prüfkammer 13 befindet sich eine Öffnung 33, durch welche die Röhre 32 beweglich geführt ist. An den Umfang dieser Öffnung 33 schließt sich der obere Rand eines elastischen Verbindungselementes an. Beispielsweise handelt es sich hierbei um einen Federbalg 18, dessen untere Öffnung mit einem Boden 17 verschlossen ist. Die Röhre 32 stützt sich an diesem Boden 17 ab und das elastische Verbindungselement 18 verbindet das Gehäuse 16 der Prüfanordnung möglichst dicht mit dem Boden 17. Außerhalb der dritten Prüfkammer 13 ist die Röhre 32 daher koaxial von einer geeigneten Dichtung mit variabler Länge 18 umgeben. Diese Dichtung kann zum Beispiel ein Federbalg 18 oder eine gasgespülte Labyrinthdichtung sein.
Ein Antrieb der Transporteinrichtung 30 ist in den schematischen Figuren nicht explizit gezeigt, und dieser kann neben Antriebsmitteln auch Führungen, Lager, etc. aufweisen, mit denen die Röhre 32 vertikal auf und ab bewegbar ist. Die Länge und der Hub der Röhre 32 sind dabei so ausgelegt, dass sich durch das vertikale Verfahren der Röhre 32 ein Prüfkörper 20 auf der Auflage 31 in den gewünschten Prüfpositionen in den drei Prüfkammern 11, 12, 13 platzieren lässt. 1 zeigt den Prüfkörper 20 dabei in einer Prüfposition in der mittleren ersten Prüfkammer 11. In dieser Position ragt die Röhre 32 unten durch die Öffnung 33, wobei sich der Boden 17 in einem gewissen Abstand unterhalb der dritten Prüfkammer 13 befindet. Der Federbalg 18 ist entsprechend verformt, um den Abstand zwischen der Öffnung 33 und dem Boden 17 zu überbrücken.
2 zeigt die Transporteinrichtung 30 in einem Zustand, in welchen die Röhre 32 nach oben verfahren wurde, um den Prüfkörper 20 auf der Platte 31 in eine Prüfposition in der zweiten Prüfkammer 12 zu bringen. In diesem Zustand schließt der Boden 17 annähernd mit dem Gehäuse 16 ab, wobei der Federbalg 18 stark komprimiert ist. 3 zeigt die Transporteinrichtung 30 dagegen in einem Zustand, in welchen die Röhre 32 nach unten verfahren wurde, um den Prüfkörper 20 auf der Platte 31 in eine Prüfposition in der dritten Prüfkammer 13 zu bringen. In diesem Zustand liegt der Boden 17 in einem großen Abstand zum Gehäuse 16, wobei der Federbalg 18 stark auseinandergezogen ist.
Der gesamte Aufbau befindet sich in dem vorzugsweise geschlossenen Gehäuse 16, so dass alle Versuche unter kontrollierter Atmosphäre stattfinden können. Oberhalb von der zweiten Prüfkammer 12 und im Boden 17 befindet sich jeweils ein kleines Fenster. Diese Fenster 42 und 43 dienen zur berührungslosen laseroptischen Untersuchung durch die Prüfmittel 40, 41. Die Prüfmittel umfassen dabei in dieser Ausführungsform einen Laser 40, der durch das obere Eintrittsfenster 42 in die Prüfanordnung 10 einstrahlt. In dieser Anordnung liegen die Transportöffnungen 14, 15 und die jeweiligen Prüfpositionen in den Prüfkammern 11, 12, 13 in etwa auf einer Linie. Auf dieser Linie kann der Laserstrahl 44 ungestört durch die Prüfanordnung 10 strahlen und in jeder Prüfposition auf den Prüfkörper 20 treffen.
Beispielsweise zeigt 3, wie ein Laserstrahl 44 durch die beiden Prüfkammern 11, 12 und die beiden Transportöffnungen 14, 15 bis in die untere Prüfkammer 13 verläuft und dort für eine laseroptische Untersuchung am Prüfkörper 20 genutzt wird. Die laseroptische Untersuchung kann beinhalten, dass das durch den Prüfkörper 20 erzeugte Schallecho auf der Seite des Lasers 40 wieder aus der Anordnung austritt und dort erfasst wird. Das mit der Bezugsziffer 40 bezeichnete Prüfmittel auf der Oberseite würde dann sowohl als Sender als auch als Detektor agieren. Es würde in diesem Fall sowohl den anregenden Pulslaser als auch das LDV enthalten.
In der Ausführungsform der Erfindung ist jedoch auf der gegenüberliegenden Seite, d.h. auf der Unterseite der Anordnung 10, ein weiteres Prüfmittel 41 vorgesehen, welches als Detektor für die Schwingung der vom Pulslaser abgewandten Stirnfläche des Prüfkörpers agiert. Hierzu wird ein Laserstrahl 45 durch die hohle- Röhre 32 gestrahlt. In einer alternativen Ausführung agiert das Prüfmittel 41 als Sender in Form eines Lasers, der von unten durch die Röhre 32 auf den Prüfkörper 20 trifft. Die Ultraschallwelle kann dann auf der Oberseite der Anordnung von dem Prüfmittel 40 detektiert werden, bzw. das Schallecho wird auf der Unterseite von dem Prüfmittel 41 detektiert.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Prüfkörper 20 beispielsweise mit der Hubeinrichtung 30 zunächst in der mittleren Prüfkammer 11 platziert, wo er durch die Heizeinrichtung 60 mit ersten Temperaturbedingungen beaufschlagt wird. Hierdurch stellt sich im Prüfkörper 20 eine Temperatur von z. B. etwa 1.500 °C ein, wobei es sich hierbei um eine Oberflächentemperatur oder eine Kerntemperatur handeln kann. In diesem Zustand wird von den Prüfmitteln 40, 41 eine laseroptische Untersuchung am Prüfkörper 20 durchgeführt, wobei es sich um eine berührungslose Ultraschalluntersuchung mittels Laser handelt (1). Anschließend wird der Prüfkörper 20 mit der Hubeinrichtung 30 z. B. durch die Transportöffnung 14 nach oben in die zweite Prüfkammer 12 bewegt und dort stark erhitzt. Hier kann eine Temperatur von zum Beispiel etwa 2.000 °C erreicht werden. Dann wird in dieser Prüfposition ebenfalls eine berührungslose Ultraschalluntersuchung mittels Laser durchgeführt (2). Daraufhin wird der Prüfkörper 20 z. B. durch beide Transportöffnungen 14, 15 in die untere dritte Prüfkammer 13 bewegt und dort mit den Luftdüsen 63 abgekühlt, wobei sich beispielsweise eine Temperatur von etwa 1.000 °C erreichen lässt. Dann wird in dieser Prüfposition ebenfalls eine berührungslose Ultraschalluntersuchung mittels Laser durchgeführt (3). Diese Erhitz- und Abkühlvorgänge können in großer Anzahl wiederholt und auch in ihrer Reihenfolge variiert werden, um den Prüfkörper einer zyklischen thermomechanischen Beanspruchung bei hohen Temperaturen auszusetzen, die für den zu prüfenden feuerfesten Werkstoff möglichst praxisrelevant ist.
Die Figuren zeigen schematisch, dass die Prüfmittel 40, 41 mit einer Auswerteeinheit 50 verbunden sein können. Diese direkte oder indirekte Verbindung ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Die Auswerteeinheit 50 ermittelt aus den Prüfergebnissen der Prüfmittel 40, 41 die TWB des Prüfkörpers, indem aus den Prüfergebnissen wenigstens der E-Modul des Prüfkörpers bei den verschiedenen Bedingungen ermittelt und berücksichtigt wird. Dieser E-Modul eines mit Temperaturschwankungen belasteten Prüfkörpers 20 kann dabei auf bekannte Weise mit dem E-Modul eines unbelasteten Prüfkörpers verglichen werden, um eine Kennzahl zu ermitteln, welche angibt, welche Abfolge von Wärmespannungen ein feuerfester Werkstoff erträgt, bis ein definierter Schädigungszustand eintritt.
Bezugszeichenliste

10: Prüfanordnung
11,12,13: Prüfkammer
14,15: Transportöffnung
16: Gehäuse, Ofenwand
17: Boden
18: Dichtung, Federbalg
20: Prüfkörper
30: Transporteinrichtung, Hubeinrichtung
31: Auflage
32: Röhre
33: Öffnung
40,41: Prüfmittel
42,43: Fenster
44: Laserstrahl des Prüfmittels 40
45: Laserstrahl des Prüfmittels 41
50: Auswerteeinheit
60: Heizeinrichtung
61: Kohlenstoffring
62: Induktionsspule
63: Luftdüse
70: Abstützung

Claims

Vorrichtung zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers (20), wenigstens aufweisend: - eine erste Prüfkammer (11) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser ersten Prüfkammer (11) mit ersten Temperaturbedingungen; - wenigstens eine weitere Prüfkammer (12; 13) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser weiteren Prüfkammer (12; 13) mit weiteren Temperaturbedingungen, die sich von den ersten Temperaturbedingungen unterscheiden; - Transportmittel (30) zum Bewegen eines Prüfkörpers (20) wenigstens zwischen einer ersten Prüfposition im Innenraum der ersten Prüfkammer (11) und einer weiteren Prüfposition im jeweiligen Innenraum der wenigstens einen weiteren Prüfkammer (12; 13); - Prüfmittel (40;41) ausgebildet zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20), wenn sich dieser in der ersten Prüfposition befindet, und ausgebildet zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20), wenn sich dieser in der weiteren Prüfposition befindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum jeder Prüfkammer (11; 12; 13) über wenigstens eine jeweilige Transportöffnung (14;15) mit dem Innenraum einer anderen Prüfkammer (11; 12; 13) verbunden ist, wobei die Transportmittel (30) zum Bewegen eines Prüfkörpers (20) zwischen den verschiedenen Prüfpositionen dazu ausgebildet sind, einen Prüfkörper (20) durch die jeweilige Transportöffnung (14,15) zu transportieren, um einen Prüfkörper (20) von einer Prüfposition in eine andere Prüfposition zu bewegen; und dass die Prüfmittel (40; 41) dazu ausgebildet sind, einen Laserstrahl (44) wenigstens durch eine der Transportöffnungen (14; 15) hindurch auf einen Prüfkörper (20) einzustrahlen, der sich an einer Prüfposition in einer der Prüfkammern (11; 12; 13) befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfmittel (40;41) zur Durchführung einer laseroptischen Untersuchung ein Laser-Doppler-Vibrometer umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Auswertemittel (50) aufweist, die im Datenaustausch mit den Prüfmitteln (40;41) stehen, wobei die Auswertemittel (50) dazu ausgebildet sind, aus den von den Prüfmitteln (40;41) erzeugten Prüfergebnissen die Temperaturwechselbeständigkeit des untersuchten Prüfkörpers (20) zu ermitteln, wobei Prüfergebnisse von laseroptischen Untersuchungen an einem Prüfkörper (20) in wenigstens zwei Prüfpositionen auswertbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prüfkörper (20) erzeugbare Temperatur in der wenigstens einen weiteren Prüfposition bei den beaufschlagten weiteren Temperaturbedingungen oberhalb oder unterhalb der im Prüfkörper (20) erzeugbaren Temperatur in der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens drei Prüfkammern (11;12;13) aufweist, von denen eine zweite Prüfkammer (12) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser zweiten Prüfkammer (12) mit zweiten Temperaturbedingungen und eine dritte Prüfkammer (13) mit Mitteln zur Beaufschlagung eines Innenraums dieser dritten Prüfkammer (13) mit dritten Temperaturbedingungen ausgebildet ist, wobei sich die ersten, zweiten und dritten Temperaturbedingungen unterscheiden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prüfkörper (20) erzeugbare Temperatur an der dritten Prüfposition bei den beaufschlagten dritten Temperaturbedingungen unterhalb der Temperatur an der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen liegt, während die im Prüfkörper (20) erzeugbare Temperatur an der zweiten Prüfposition bei den beaufschlagten zweiten Temperaturbedingungen oberhalb der im Prüfkörper (20) erzeugbaren Temperatur an der ersten Prüfposition bei den beaufschlagten ersten Temperaturbedingungen liegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Prüfkörper (20) erzeugbare Temperatur an der ersten Prüfposition in der ersten Prüfkammer (11) größer als 500 °C, vorzugsweise größer oder gleich 1.000 °C ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die im Prüfkörper (20) erzeugbaren Temperaturen an den verschiedenen Prüfpositionen in den Prüfkammern (11; 12; 13) bei den beaufschlagten Temperaturbedingungen jeweils um mehrere 100 Kelvin unterscheiden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfkammern (11; 12; 13) vertikal übereinander oder horizontal nebeneinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist, mit den gleichen Prüfmitteln (40;41) eine laseroptische Untersuchung an einem Prüfkörper (20) an wenigstens zwei Prüfpositionen durchzuführen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportmittel (30) einen transparenten Bereich aufweisen, durch welchen eine laseroptische Untersuchung hindurch durchführbar ist.
Verfahren zur Ermittlung der Temperaturwechselbeständigkeit eines Prüfkörpers (20) mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wenigstens aufweisend die folgenden Schritte: - Einbringen eines Prüfkörpers (20) in eine erste Prüfposition in einer ersten Prüfkammer (11) der Vorrichtung (10); - Beaufschlagung des Innenraums dieser ersten Prüfkammer (11) mit ersten Temperaturbedingungen; - Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20) in der ersten Prüfposition mit Prüfmitteln (40; 41); - Beaufschlagung des Innenraums wenigstens einer weiteren Prüfkammer (12; 13) der Vorrichtung (10) mit weiteren Temperaturbedingungen, wobei sich die ersten und die weiteren Temperaturbedingungen unterscheiden; - Bewegen des Prüfkörpers (20) von der ersten Prüfposition in wenigstens eine weitere Prüfposition im Innenraum einer weiteren Prüfkammer (12;13) der Vorrichtung (10), wobei Transportmittel (30) den Prüfkörper (20) durch eine jeweilige Transportöffnung (14; 15) zwischen zwei Prüfkammern (11; 12; 13) transportieren; - Durchführung einer laseroptischen Untersuchung an dem Prüfkörper (20) in der jeweiligen weiteren Prüfposition mit Prüfmitteln (40; 41), dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einer der Prüfpositionen ein Laserstrahl (44) wenigstens durch eine der Transportöffnungen (14; 15) hindurch auf einen Prüfkörper (20) eingestrahlt wird, der sich an der Prüfposition in einer der Prüfkammern (11; 12; 13) befindet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass aus den von den Prüfmitteln (40;41) erzeugten Prüfergebnissen die Temperaturwechselbeständigkeit des untersuchten Prüfkörpers (20) ermittelt wird, wobei Prüfergebnisse von laseroptischen Untersuchungen an einem Prüfkörper (20) in wenigstens zwei Prüfpositionen ausgewertet werden.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfmittel (40;41) eine laseroptische Untersuchung mit einem Laser-Doppler-Vibrometer durchführen.