ZIM-Vorhaben Erwärmung von Schmiedeteilen

Entwicklung eines neuartigen simulationsbasierten Steuerungssystems für die ressourceneffiziente Erwärmung von Schmiedeteilen

Pro­jekt­part­ner
RWTH Aachen, Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wärmetechnik
RWTH Aachen, Lehr- und For­schungs­ge­biet für Werk­stoff- und Bauteilintegrität
Ham­mer­werk Erft G. Diede­richs GmbH & Co. KG
Meta­tech GmbH

Lauf­zeit
01.11.2019 – 30.04.2022

Zusam­men­fas­sung
Das Pro­jekt zielt dar­auf ab, ein simu­la­ti­ons­tech­nisch gestütz­tes Opti­mie­rungs­sys­tem für Öfen zu ent­wi­ckeln, mit dem die heut­zu­ta­ge in der Schmie­de­indus­trie beob­ach­te­ten Inef­fi­zi­en­zen bei der Blo­cker­wär­mung hin­sicht­lich Gas­ver­brauch und Erwär­mungs­dau­er signi­fi­kant redu­ziert wer­den kön­nen. Die Inef­fi­zi­en­zen sind einer­seits durch das Feh­len von Infor­ma­tio­nen über die Tem­pe­ra­tur­ent­wick­lung im Block­in­ne­ren bedingt; ande­rer­seits kön­nen bei zu schnel­ler Erwär­mung Mate­ri­al­schä­di­gun­gen ver­ur­sacht wer­den. Kern­punk­te des neu­ar­ti­gen Sys­tems sind die Simu­la­ti­on der Tem­pe­ra­tur­ent­wick­lun­gen der sich auf dem Ofen­herd befind­li­chen Blö­cke und die werk­stoff­tech­ni­sche Simu­la­ti­on und Bewer­tung der hier­durch ent­ste­hen­den Auf­heiz­span­nun­gen. Auf Basis der Simu­la­ti­ons­er­geb­nis­se kön­nen mit­tels höher­wer­ti­ger Opti­mie­rungs­ver­fah­ren opti­ma­le Ofen­be­le­gun­gen, Zieh­fol­gen sowie Tem­pe­ra­tur­füh­run­gen für die Öfen ermit­telt wer­den. Das Opti­mie­rungs­ziel kann alter­na­tiv auf eine mög­lichst kur­ze Ofen­rei­se oder einen mini­ma­len Brenn­stoff­ver­brauch abzie­len. Mit­tels Restrik­ti­ons­vor­ga­ben soll das Sys­tem fle­xi­bel auf unter­schied­li­che Ofen­tech­ni­ken, Erwär­mungs­gü­ter und betrieb­li­che Bedin­gun­gen ange­passt werden.

Das Insti­tut für Indus­trie­ofen­bau und Wär­me­tech­nik hat jahr­zehn­te­lan­ge Erfah­rung im Bereich der Model­lie­rung von Öfen. In die­sem Pro­jekt wird ein neu­ar­ti­ges inte­grier­tes Ofen­mo­dell für einen Herd­wa­gen­ofen der Schmie­de­pres­se 2 beim Ham­mer­werk Erft ent­wi­ckelt. Mess­kam­pa­gnen am Ofen lie­fern die benö­tig­ten Daten, um eine Ener­gie­bi­lanz des Ofens auf­stel­len zu kön­nen. Die Ver­mes­sung von Indus­trie­öfen gehört zu den Kern­kom­pe­ten­zen des Insti­tuts, da die­se die Grund­la­ge für jeg­li­che wei­te­re ther­mi­sche und ener­ge­ti­sche Betrach­tung lie­fert. Die aus den Mess­da­ten abzu­lei­ten­de Ener­gie­bi­lanz dient als Grund­la­ge zur Bestim­mung der Rand­be­din­gun­gen für die fol­gen­de Model­lie­rung. Der Ofen wird für ver­schie­de­ne Para­me­ter­kon­stel­la­tio­nen und Herd­be­le­gun­gen in detail­lier­ten CFD-Model­len abge­bil­det und eine Daten­bank der Wär­me­über­gangs­ko­ef­fi­zi­en­ten auf die Wärm­gu­tober­flä­chen erstellt.

Ein FDM-Modell wird in der Lage sein die Tem­pe­ra­tur­fel­der inner­halb der Wärm­gü­ter an Hand der Wär­me­über­gangs­ko­ef­fi­zi­en­ten aus der Daten­bank schnell zu berech­nen, um die Ofen­steue­rung ent­spre­chend zu regeln. Auf die­se Wei­se wird der gewünsch­ten Tem­pe­ra­tur­ver­lauf im Mate­ri­al gene­riert. Wei­ter­hin berück­sich­tigt das Ofen­mo­dell die vom IEHK berech­ne­ten maxi­ma­len ther­mi­schen Belas­tun­gen der Wärm­gü­ter, sodass letz­te­re die Ofen­rei­se unbe­schä­digt über­ste­hen. Das Simu­la­ti­ons­mo­dell wird aus­rei­chend schnell sein, um eine opti­mier­te Herd­be­le­gung aus­ge­hend von den Berech­nun­gen von Meta­tech inner­halb der gewöhn­li­chen Zeit für die Auf­trags­vor­be­rei­tung berech­nen zu können.

BMWi_Web_de_WBZlogo_zimDas For­schungs­vor­ha­ben mit dem För­der­kenn­zei­chen ZF4042211DE9 wird vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Wirt­schaft und Ener­gie auf­grund eines Beschlus­ses des Deut­schen Bun­des­ta­ges gefördert.