Erhöhung der Lebensdauer metallischer Komponenten im Industrieofenbau
Forschungsstellen
RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik
Laufzeit
01.07.2008 — 30.06.2010
Zusammenfassung
Industrieofenanlagen sind abhängig vom Einsatzgebiet unterschiedlichen thermischen Belastungen ausgesetzt (Wärmebehandlung: Aluminium T~550°C, Stahl T~850°C). Aber nicht die mittlere Anwendungstemperatur des Ofens stellt ein Problem für die Haltbarkeit der Ofenkonstruktion bzw. der Ofenkomponenten dar, sondern lokale Temperaturspitzen und Temperaturgradienten, denn diese erzeugen thermisch induzierte Spannungen. Ziel des Vorhabens ist durch verbesserte Simulationstechniken eine Erhöhung der Lebensdauer von hochbelasteten Ofenkomponenten (z.B. Strahlheizrohre, Muffeln) bereits in der Konstruktionsphase zu ermöglichen. Hierdurch wird dem kmU direkt die Möglichkeit gegeben, den Ausfall der untersuchten Komponenten und damit die Wirtschaftlichkeit der gebauten Anlagen zu optimieren. Hauptnutzen ist, dass optimierte Bauteile einen optimierten Materialeinsatz und minimierte Versagenswahrscheinlichkeiten aufweisen, was den Anlagenbauer in die Lage versetzt seine Anlagen entweder kostengünstiger anbieten zu können oder Gewinne zu erhöhen. Durch eine reduzierte Versagenshäufigkeit verringern sich zusätzlich die Regressforderungen. Erreicht werden soll dieses durch eine ganzheitliche Prozesssimulation. Dies führt zu einer Kopplung der strömungs- und wärmetechnischen Verhältnisse im Ofen (CFD-Computational-Fluid-Dynamics) mit der Temperatur- und Spannungsverteilung (CSD-Computational-Structure-Dynamics) im betrachteten Bauteil. Diese so genannte Fluid-Struktur-Interaktion (FSI) bildet eine neue Vorgehensweise zur Beschreibung gekoppelter Probleme. Nach Abstimmung mit dem PA wird die numerischen und experimentellen Untersuchungen ein metallisches P‑Strahlheizrohr vorgeschlagen. Hierbei dienen experimentelle Untersuchungen in erster Linie zur Validierung der Simulation. Die numerischen Untersuchungen hingegen sollen ein vertieftes Verständnis für die ablaufenden physikalischen Vorgänge liefern.
Ziel des Forschungsvorhabens war die Erhöhung der Lebensdauer metallischer Ofenkomponenten im Industrieofenbau mit Hilfe einer ganzheitlichen Betrachtung der ablaufenden Prozesse mit ihren thermischen und mechanischen Einflussgrößen. Dies führte zu einer Kopplung der strömungs- und wärmetechnischen Verhältnisse im Ofen mit der Temperatur- und Spannungsverteilung im betrachteten Bauteil. Abschließend kann festgehalten werden, dass die gekoppelte Betrachtung von strömungs- und wärmetechnischen Verhältnissen mit der Spannungsverteilung eine deutlich exaktere Prognose der auftretenden Spannungen gegenüber den klassischen Berechnungen auf Basis homogener Temperaturverteilung oder Wärmestromdichte ermöglicht. Dies versetzt den Anlagenbauer in die Lage, kritische Bereiche bereits in der Konstruktionsphase zu identifizieren und geeignete Maßnahmen zu ergreifen.
Schlussbericht
Dieses Forschungsvorhaben wurde durch die Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. beantragt und durch das Bundesministerium für Wirtschaft über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., AiF-Nr. 15698 N, finanziell gefördert.