Der Einsatz von feuerfesten Baustoffen bei Anwendungstemperaturen erfordert besondere Materialeigenschaften, die sich auf den Materialverschleiß, den Energieverbrauch und die Produktionskosten auswirken. Daher ist die Untersuchung des Versagensmechanismus von feuerfesten Materialien von großer Bedeutung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, das mögliche thermomechanische Versagen der in einer Stahlpfanne in der Sekundärmetallurgie der Stahlerzeugung verwendeten feuerfesten Zustellung mit Hilfe einer Finite-Elemente-Analyse zu untersuchen. Zur Ermittlung der zur Simulation erforderlichen Materialparameter wurde eine Versuchsreihe geplant und durchgeführt. Daher setzt sich diese Arbeit aus zwei Teilen zusammen: aus der mechanischen Charakterisierung und der thermomechanischen Simulation.
Die mechanische Charakterisierung des geformten Aluminiumoxidspinell-Feuerfestbaustoffes, der in der feuerseitigen Zustellung der untersuchten Stahlpfanne verwendet wird, wurde bei Temperaturen bis 1500°C durchgeführt. Die Arbeiten umfassten die Ermittlung des Elastizitätsmoduls, einachsige Druck- und Zugkriechversuche, modifizierte Scherversuche und Keilspaltversuche. Es wurden mehrere Verbesserungen an den bereits vorhandenen Methoden zur Materialcharakterisierung vorgenommen. Zum ersten wurde eine statistische Auswertung bei der Untersuchung des Kriechverhaltens angewendet, da die Versuchsergebnisse aufgrund der Heterogenität des Materials eine große Streuung aufwiesen. Die zweite Verbesserung fand bei der Charakterisierung des Zugversagens Anwendung. Ein neues Materialversagensmodell wurde entwickelt und zusammen mit Keilspalttests eingesetzt, um die Bruchparameter des feuerfesten Baustoffes bei hohen Temperaturen zu ermitteln. Das Modell überwindet Nachteile des in Abaqus implementierten Concrete Damaged Plasticity Modells und konnte durch die gleichzeitige Betrachtung von Kriechen und Bruchverhalten wertvolle Ergebnisse liefern.
Im zweiten Teil der Arbeit wurden die erhobenen Materialparameter in die thermomechanische Simulation der Stahlgießpfanne implementiert. Es wurde ein Einheitszellenmodellierungsansatz gewählt und drei verschiedene Materialversagensmodelle betrachtet, die jeweils irreversibles Materialverhalten abbilden. Das Kriechverhalten wurde mittels Norton-Bailey Kriechmodell simuliert, das Scherversagen mittels Drucker-Prager Fließkriterium und das Zugversagen mit dem Concrete Damaged Plasticity Modell. Die Ergebnisse der drei Modelle wurden verglichen, um den jeweiligen Einfluss auf das thermomechanische Verhalten der Zustellung und des Stahlmantels zu zeigen.