Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Modellierung der schwindungsbedingten Verformung während der Trocknung von Ziegelrohlingen

Im Institut für Ziegelforschung liegen mathematische Modelle zur Beschreibung der Trocknungskinetik und -energetik vor. Diese ermöglichen u.a. die Berechnung der zeitlichen und örtlichen Feuchteverteilungen sowie der Schwindungsverläufe. Diese haben jedoch den Mangel, die materialspezifische, wassergehaltsabhängige Zugfestigkeit und die Dehnung nicht zu berücksichtigen, so dass es trotz der hohen Praxisrelevanz zu Irritationen in der industriellen Nutzung der neuen Erkenntnisse gekommen ist.

Bekanntermaßen kommt es im Laufe der trocknungsbedingten Rohlingsschwindung zu nicht linearen Veränderungen der Körpergeometrie. Es geht nicht um eine isotrope Längenverkürzung, sondern die von den trocknenden Oberflächen nach innen fort-schreitende Schwindung, welche zu Rohlingsbewegungen, zu unerwünschten bleibenden geometrischen Verzerrungen oder Rissen führt.

Daher werden im Vorhaben wassergehaltsabhängige Materialeigenschaften für sechs Tone bestimmt. Diese dienen als Eingangsgröße für die numerische Modellierung der schwindungsbehafteten Verformungen. Aus der Modellierung werden charakteristische Parameter gewonnen, die in das Simulationsprogramm zur Rohlingstrocknung integriert werden.

Ziel ist es die Trocknung effektiver zu gestalten. Damit kann der Energiebedarf um 12 % gesenkt werden und der Trockenbruch weiter reduziert werden. Dies erhöht die Wettbewerbsfähigkeit vorallem der kmU Ziegelwerke.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel und Ergebnis des Forschungsprojekts bestand darin, ein in der Ziegelindustrie eingesetztes Berechnungs-

Werkzeug (numerisches Simulationsprogramm) durch die Erweiterung trocknungsrelevanter Basisdaten dem realen Trocknungsprozess anzupassen und hinsichtlich seiner Anwendbarkeit und Nutzbarkeit zu optimieren. Dazu wurde basierend auf dem Stand der Forschung in der Bodenmechanik/Geotechnik und einer Fülle von charakteristischen Eigenschaften und Kenndaten ein gekoppeltes hydraulisch-mechanisches Finite- Element-Modell erstellt (FE2),

Die Implementierung daraus gewonnener Erkenntnisse und Zusammenhänge sowie die Ergänzung wassergehaltsabhängiger physikalischer und mechanischer Eigenschaften wie die Plastizität , Steifigkeit, Durchlässigkeit, Zugfestigkeit - Elastizität und Saugspannung in das Programm ZiTro (FE1) ermöglicht die Berechnung der von rohstoffseitig geprägten und verfahrenstechnisch gesteuerten Trocknungsbedingungen abhängigen Schwindungsgradienten. Für die Erarbeitung und Festlegung von maximal zulässigen Randbedingungen als Grenzbedingungen zur Vermeidung von Verformungen oder Rissen ist für die Einarbeitung der Basisdaten zu berück- sichtigen, dass die lineare Trockenschwindung durch Überlagerung asymmetrischer Trocknungsbedingungen erhöht oder erniedrigt werden kann. Die durch die "Scheinbare Schwindung" bzw. Schwindungsdifferenzen hervorgerufenen Spannungszustände können zu nicht mehr tolerierbaren Verzerrungen im Verlauf des Trocknungs- und auch Brennprozess führen.

Das Berechnungstool weist neben den trocknungsrelevanten Variablen bzw. Stellgrößen, die zur Optimierung durch die Programmvorgabe in den betrieblichen Trocknungsprozess zu übertragen sind, die mit den Veränderlichen einhergehenden Auswirkungen auf den spezifischen Energieverbrauch aus. Durch die Forschungsergebnisse wird die KMU dominierende Ziegelindustrie in die Lage versetzt die Bruchquote und auch Energiekosten zu mindern.