Vorliegende interdisziplinäre Arbeit untersucht im theoretischen Teil existierende Modelle der Wirtschafts- und Ingenieurwissenschaften, erstellt ein eigenes Modell und identifiziert Werkstoffsysteme mit denen durch sie erreichbaren Eigenschaften als entscheidende Parameter. Eigenschaften können sowohl technologischer, als auch anderer Art sein. Die Arbeit zeigt, dass gute technologische Eigenschaften oft nur notwendige Einsatzbedingungen darstellen, während die in den Ingenieurwissenschaften vernachlässigten anderen Eigenschaften oft entscheidende Einsatzfaktoren sind. Im empirischen Teil werden anhand von Querschnitts- und Fallstudienbetrachtungen technologischer, wirtschaftlicher, ökologischer und gesellschaftlicher Faktoren Defizite besonders für das Stahlimage dargestellt, positive Ansatzpunkte aufgezeigt und die herausragenden technologischen Eigenschaften bestätigt. Diese Arbeit stellt fest, dass die bereits gute Position der Stähle durch interdisziplinäres Stahlmanagement noch stark verbessert werden kann.

Das Ziel der Arbeit bestand darin, einen Beitrag zur Verschleißminderung der Arbeitsorgane von Gutbett-Walzenmühlen zu leisten. Ausgehend von einer umfangreichen Literaturrecherche zum Dreikörper-Abrasivverschleiß und auf diesem Gebiet etablierten Verschleißprüfmethoden und einem anschließenden Vergleich mit den gestellten Anforderungen einer möglichst praxisnahen Versuchsdurchführung wurde ein Versuchsstand entwickelt und gebaut. Herzstück der Anlage ist eine Gutbett-Walzenmühle, die mit zahlreichen Messstellen versehen ist, um dem Betreiber zu ermöglichen, verschiedene Betriebsparameter während des Versuches zu erfassen und diese Daten einer umfangreichen Auswertung zugrundezulegen. Nach einführenden Versuchen wurden verschiedene Verschleißschutzwerkstoffe mit unterschiedlichen Abrasiven getestet. Die dimensionslos dargestellten Verschleißbeträge wurden diskutiert. Die Praxisrelevanz der Versuchsergebnisse wurde nachgewiesen.

Die Qualität der beim Vollformgießverfahren hergestellten Gussteile wird in entscheidendem Maße von der Formherstellung beeinflusst. Die Vibrationsparameter haben einen großen Einfluss auf das Sandverhalten: 1. Bei Beschleunigungen unter 1 g ist der Sand im Zustand der Pseudoverflüssigung und bewegt sich nicht intensiv gemeinsam mit dem Behälter. Dies wird für die Nachverdichtung des Sandes empfohlen. 2. Bei Beschleunigungen über 1 g bewegt sich der Sand sehr intensiv mit einer Trennung vom Behälterboden (Zustand des Vibrokochens). Dies ist für den Transport des Sandes in die Vertiefungen und Hohlräume von Modellen geeignet. In der vorliegenden Arbeit werden die Prozesse, die im Sand während der Vibration stattfinden, mathematisch beschrieben und durch Versuche bestätigt.

Gegenstand der Arbeit ist die Entwicklung und Modellierung eines keramischen Filters zur Abscheidung von nichtmetallischen Teilchen aus Stahlschmelzen. Ausgehend von einem Konzept eines Umlenkabscheiders wurde dieser mit Hilfe von Experimenten und numerischen Berechnungen auf seine Wirkungsweise und Einsatzfähigkeit für größere Stahlmengen untersucht. Wassermodellversuche dienten zur Erfassung des Geschwindigkeitsfeldes und der Teilchenbewegungen. Durch Vergleich mit numerischen Berechnungen und die Variation von Parametern wurde die Abscheidewirkung des Filters untersucht. In Technikumsversuchen mit Flüssigstahl erfolgte die Verifizierung der Modellvorstellung aus den numerischen Berechnungen und Wassermodellexperimenten. Eine Abscheidung konnte qualitativ nachgewiesen werden. Die gewonnenen Ergebnisse führten zur Entwicklung und Patentierung eines neuen Typs des Einschlussabscheiders. Der neu entwickelte Spiralabscheider weist zahlreiche technologische Vorteile gegenüber dem Umlenkabscheider auf.

Rotorschleuderbrecher werden zur Herstellung von Natursteinprodukten eingesetzt. Dabei beeinflussen die konstruktiven, betrieblichen und aufgabebezogenen Größen die Produktqualität entscheidend. Die komplexen Zusammenhänge zwischen den am Zerkleinerungsprozess beteiligten Haupteinflussgrößen und den anwenderspezifischen Qualitätsanforderungen wurden mit Hilfe analytischer und mathematisch-statistischer Methoden untersucht. Die Analyse der physikalischen Abläufe im Brecher ermöglichte ein tieferes Verständnis der Funktionsweise der Maschine. Unterstützt durch experimentelle Untersuchungen an einem Rotorschleuderbrecher wurden die Abhängigkeiten zwischen Einfluss- und Zielgrößen mit Hilfe der Methode der neuronalen Netze modelliert. Die Simulationsmodelle ermöglichen die Vorhersage der Produktqualität, die Optimierung der Parametereinstellung, die Beschreibung des Wirkungszusammenhanges und die Identifizierung der dominanten Parameter von Rotorschleuderbrechern.

Metalle, die zyklischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, zeigen bereits vor der Anrissbildung typische Veränderungen des Gefüges. Bei austenitischen Stählen verursacht Ermüdungsbelastung die Bildung charakteristischer Versetzungsanordnungen. Unter bestimmten Umständen tritt die Bildung von Verformungsmartensit auf, die von einer starken Veränderung der magnetischen Werkstoffeigenschaften begleitet wird. Zwischen der aufgebrachten Ermüdungsbelastung und den beschriebenen Gefüge- und Eigenschaftsveränderungen einerseits und Restlebensdauer eines Bauteils andererseits sollten Zusammenhänge systematisch untersucht werden. Hierfür wurden verschiedene zerstörungsfreie Methoden eingesetzt und ihre Empfindlichkeit verglichen. Die Gefüge der ermüdeten Zustände wurden auch mit metallographischen, elektronenoptischen und röntgenographischen Methoden charakterisiert. Zwischen den Ermüdungsparametern und den Gefügeveränderungen wird ein Zusammenhang hergestellt, insbesondere zwischen der Restlebensdauer und dem Volumenanteil an Martensit. Der Einfluss der chargenabhängigen Werkstoffeigenschaften und der Belastungsbedingungen auf das martensitische Umwandlungsverhalten wurde in statischen und zyklischen Experimenten untersucht. Anhand der Entwicklung des Martensitgehaltes im Verlauf der Ermüdung wird ein Bewertungsschema für die Abschätzung der Restlebensdauer vorgeschlagen.

The reclamation of abondend open-cast mines in the region south of Leipzig raises many scientific questions. This research project focus on the simulation of groundwater recharge. The knowledge of the processes of water infiltration is necessary to control the recharge and quality of groundwater. Empirical and mathematical methods will be combined to estimate the groundwater recharge according to substrate, vegetation and landuse. For this purpose on the open-cast mine Espenhain two soil long-term observation stations under different landuse conditions (forest, agricultural area) were installed. The following parameters are measured in different levels up to 2 m depth continuously every 30 minutes: Soil water content, water tension, soil temperature. On the forest station stem flow and precipitation are determined. On the agricultural area open land precipitation, air temperature, air humidity and albedo are registered automatically. Soil water and rainfall are analyzed on heavy metal contents as well as different cations and anions. Parallel to the field measurements on the institute workstation the computer model WASMOD was used for long-term predictions of groundwater recharge. The WASMOD model is calibrated with the measured data of the observation stations and coupled with a geographical information system in order to obtain groundwater recharge for the Espenhain dump.

Die gegenwärtig verfügbaren metallurgischen Verfahren zur Flüssigstahlnachbehandlung ermöglichen eine deutliche Verbesserung des Reinheitsgrades mit Bezug auf die im flüssigen Stahl gebildeten primären und sekundären Oxideinschlüsse. Diese Verfahren können jedoch das Entstehen der während der Erstarrung gebildeten tertiären Oxideinschlüsse nicht ausschließen. Tertiäre Oxideinschlüsse beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Stahls negativ und sind bislang kaum untersucht worden. Den Schwerpunkt der Arbeit bildet die theoretische und experimentelle Untersuchung des Desoxidationsvorganges. Die Ausscheidungen von primären, sekundären und besonders tertiären Oxideinschlüssen werden als Folge der veränderten Sauerstoffaktivitäten bei der Desoxidation erforscht. Es wurden theoretische Ansätze für die Beschreibung der tertiären Oxideinschlüsse bei der einfachen Desoxidation der niedriglegierten Stähle entwickelt und ein auf diesen Ansätzen basierendes Computerprogramm für die Al-Desoxidation modifiziert. Der Al-Desoxidationsvorgang ist unter Anwendung einer Versuchsmethodik zur kontinuierlichen EMK-Messung sowohl im flüssigen als auch darüber hinaus im erstarrenden niedriglegierten Stahl untersucht worden. Die Volumenanteile und Einschlussgrößen von entstandenen Desoxidationsprodukten wurden mittels Licht- und Rasterelektronenmikroskopie ermittelt und in Korrelation zu den gemessenen Sauerstoffaktivitäten im flüssigen und erstarrenden Stahl gebracht.

Im Rahmen der Arbeit wurde die neuartige Messmethode und Messeinrichtung zur Erfassung der von der Formstoffbewegung in dem Messpunkt hervorgerufenen Kräfte vorgeschlagen. Die erarbeiteten Kalibrier- und Berechnungsmethoden lassen es zu, die direkt an der Gießform während der Produktion erfassten Signale in Formdichte- und unterschiedliche Festigkeitswerte umzurechnen. Die erarbeiteten Messeinrichtungen und Berechnungsmethoden wurden sowohl durch die Laborprüfungen als auch durch den direkten Praxiseinsatz geprüft. Während dieser Prüfungen wurde festgestellt, dass die Formqualitätskennzeichen mit ausreichender Genauigkeit festgestellt werden können. Die Auswirkung der veränderlichen Formstoffzusammensetzung auf die zur Berechnung der Formqualitätskennzeichen benötigten Koeffizienten wurde ebenfalls untersucht. Abschließend wurde eine Methode zur Ermittlung „formbezogener“ und „energetischer“ Qualitätsmerkmale der Formanlagen vorgeschlagen. Die Methode lässt den Vergleich der Formmaschinen auf der Basis der erreichten Formqualität und des zum Erreichen dieser Qualität geleisteten Energieaufwandes.

Die Entwicklung einer Messeinrichtung zur Bestimmung der Sauerstoffaktivität mittels EMK-Messung in hochlegierten Stählen und zugleich die Online-Berechnung des Gehaltes an gelöstem Sauerstoff mittels geeigneter Modelle, ist Gegenstand der vorliegenden Arbeit. Die Entwicklung einer kontinuierlichen Messsonde vollzog sich in mehreren Stufen, begleitet von experimentellen Untersuchungen. Resultat ist eine Messeinheit, die zuverlässig die Sauerstoffaktivität in allen Stahlschmelzen, bis 1600°C, über mehrere Stunden messen kann. Da der in der Schmelze vorliegende Sauerstoffgehalt um ein vielfaches höher ist als die gemessene Aktivität, ist der Einsatz von thermodynamischen Modellen notwendig. Es wurden drei Modelle basierend auf einer Taylor-Reihenentwicklung unter Einbeziehung der bekannten Wechselwirkungsparameter aufgestellt und mittels experimenteller Untersuchungen angepasst. Mit Hilfe dieses Auswerteformalismus können schnell und zuverlässig Aussagen über den Verlauf von Stahlherstellungsprozessen getroffen werden. Einer erfolgreichen Implementierung dieser Messeinheit (EMK-Messsonde und Auswerteeinheit) steht daher nichts mehr im Wege.