Industrieofentechnik

Dominik Büschgens, M. Sc.

Gruppenleiter & Ansprechpartner

Fachbereiche

Prozessmodellierung, Wärmebehandlung, Wärmeübertragung, Strömungsmechanik, Strukturmechanik

Aktivitäten

Zur Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz in Thermoprozessanlagen ist ein tiefgreifendes Verständnis der vorliegenden strömungs- und wärmetechnischen Vorgänge essentiell. Die Prozesse werden dazu experimentell oder mathematisch abgebildet und anschließend untersucht beziehungsweise optimiert.

Die Arbeitsgruppe verfügt dafür über eine Vielzahl von Versuchsständen, welche mit umfangreicher und moderner Messtechnik ausgestattet sind. Weiterhin werden die experimentellen Methoden durch analytische, (semi-)empirische Modelle und numerische Simulationen (CFD/FEM) ergänzt. Eine Kombination aus experimentellen, analytischen und numerischen Untersuchungen ermöglicht dabei eine umfangreiche Abbildung der physikalischen Vorgänge.

Wärmeübertragung in Thermoprozessanlagen

Die Untersuchung der Abkühlung eines Gutes durch erzwungene Konvektion spielt eine wichtige Rolle in der Thermoprozesstechnik. Hierfür ist die lokale Strömungsverteilung in Gutnähe relevant für den Wärmeübergang zwischen Gut und Fluid. Dies beeinflusst maßgeblich die möglichen Abkühlraten, die wiederum einen direkten Einfluss auf die Materialeigenschaften haben. Aktuelle Forschungsarbeiten beschäftigen sich hier sowohl mit Gas- als auch mit Wasserkühlung und den damit verbundenen Herausforderungen an die Prozessführung.

Für den Bereich strahlungsdominierter Öfen arbeitet die Arbeitsgruppe an Prozessmodellen zur flexiblen Chargenplanung und der Vorhersage der Gut-Durchwärmung, um Prozesszeiten möglichst kurz und damit energieeffizient zu gestalten.

Fluid-Struktur-Interaktion

Strömung in Thermoprozessanlagen kann zu unerwünschten Phänomenen wie düseninduzierter Bandschwingungen in Glühlinien oder Schwebebandöfen führen, die wiederum eine Beschädigung des Bandes oder Gutes hervorrufen können. Ebenso können wichtige Anlagenkomponenten in Kombination mit hohen Temperaturen beschädigt werden. Beispielweise sind hier Ventilatoren zu nennen, die unter bestimmten Operationszuständen (z.B. Drehzahlen, Drosselzuständen, etc.) durch Anregung der Eigenfrequenz versagen können. Hier forscht die Arbeitsgruppe neben experimentellen Untersuchungen, auch an Möglichkeiten zur zuverlässigen numerischen Modellierung solcher Phänomene.

Hochflexible Wärmebehandlung von Blechteilen

Der institutseigene Glühsimulator ermöglicht die Durchführung von maßgeschneiderten Wärmebehandlungen, mit deren Hilfe ein optimaler Glühzyklus für metallische Proben abgeleitet werden kann. Dazu können beliebige Schutzgasatmosphären (bis zu 100% Wasserstoff), sowie rasche Aufheiz- und Abkühlraten eingestellt werden. Die ebenfalls am Institut vorhandene modulare Wärmebehandlungsanlage ermöglicht neben der Abkühlung mit Luft auch eine Abkühlung mit Wasser unter beliebigen Düsenfeldern, sowie ein gezieltes Anlassen von Proben mit Abmessungen von max. 350×350 mm².

Wärmebehandlung und Sinterung von Bauteilen

Am Institut stehen eine Reihe von Wärmebehandlungsöfen, darunter Rohröfen und Kammeröfen für den Schutz- oder Reaktivgasbetrieb bis hin zu einer industriellen Vakuum-Wärmebehandlungsanlage mit Hochdruckgasabschreckung, zur Verfügung. In diesen Öfen können Versuche zur Wärmebehandlung oder Sinterung von Bauteilen in einem großen Temperaturbereich (max. 1600°C) und unter unterschiedlichsten Atmosphären durchgeführt werden.

Strukturelle Integrität, Lebensdaueroptimierung und Vorhersage

Neben der Betrachtung der Wärmeübertragung und Strömungsführung in Thermoprozessanlagen spielt in vielen Anwendungen auch die thermisch induzierte Spannungsverteilung der Anlagenkomponenten (z.B. Strahlheizrohre, Düsenkästen) eine Rolle. Durch die Anwendung von numerischen Methoden (z.B. FEM) können Thermospannungen in Abhängigkeit der Temperaturverteilung und der Einspannsituation berechnet und Bauteilversagen vorhergesagt werden. Eine Kombination mit Kriechmodellen lässt es zu, die thermische Spannungsmodelle zu Modellen der Lebensdauervorhersage zu erweitern.

Projekte

Laufende Projekte

  • Dezentrale Wasserstoffaufbereitung von Biogas durch Dampfreformierung – BioH2Ref (BMWK)
  • CO2-neutraler Saint-Gobain Standort Herzogenrath Machbarkeitsuntersuchungen – COSIMa (progres.NRW)
  • Entwicklung eines Ofenmodells für eine Bandvergütelinie – HeatSteel (progres.NRW)
  • Wärmeübertragung bei Oberflächenkontakten in Vorwärm- und Wärmebehandlungsprozessen (AiF IGF)
  • Semantische Interoperabilität heterogener Prozessmodelle unter Einbindung von Prozessdaten zur Qualitätsverbesserung und Energieeinsparung bei gekoppelten Umform- und Thermoprozessen der Metallindustrie (AiF IGF)
  • Verbesserung der Wärmeübertragung in Rohrbündelrekuperatoren durch Einsatz strukturierter Rohre (AiF ZIM)
  • Neues Tunnelofenkonzept zur Einsparung von fossiler Energie und CO2 beim Brennen von Ziegeln (AiF IGF)
  • Steigerung der thermomechanischen Stabilität von Querstromventilatoren für den Einsatz in Thermoprozessanlagen (AiF IGF)
  • Definierte Einstellung von Wärmeübergangsprofilen in Sprühdüsenfeldern zur Optimierung der Wärmebehandlung in Banddurchlaufanlagen (AiF IGF)

Abgeschlossene Projekte

  • Wärme- und werkstofftechnische Auswirkungen von Wasserstoffatmosphären bei der Wärmebehandlung (AiF IGF)
  • Entwicklung metallischer Hochleistungsrekuperatoren für die Erschließung neuer Einsatzgebiete (AiF ZIM)
  • Wärmetechnische Charakterisierung von Oberflächenkontakten (AiF IGF)
  • Oberflächenvergrößerung und Lebensdauererhöhung von Strahlheizrohren durch den Einsatz strukturierter Bleche (AiF IGF)
  • Neues Tunnelofenkonzept zum energieeffizienten Brennen von Ziegeln (AiF IGF)
  • Entwicklung eines interaktiven Chargenplanungssystems für Plasmanitrieranlagen (AiF ZIM)
  • Entwicklung einer innovativen heiß-isostatischen Presse zur kombinierten Verdichtung und Wärmebehandlung von Halbzeugen und Bauteilen (AiF ZIM)
  • Einfluss der Wärmeübertragung auf die Prozessstabilität kontinuierlicher Bandanlagen (AiF IGF)
  • Entwicklung von Querstromventilatoren für den Einsatz in Thermoprozessanlagen (AiF IGF)
  • Vorrichtung zur Messung von großen Volumenströmen bei hohen Einsatztemperaturen in Industrieöfen (AiF IGF)
  • Stabilitätsbetrachtungen für metallische Bänder unter dem Einfluss von Düsenfeldern (AiF IGF)
  • Entwicklung eines Mehrlagen-Kammerofens für das Presshärten von Blechplatinen für den Automobilbau mit dem Ziel der Verbesserung der Wirtschaftlichkeit (AiF ZIM)
  • Vorrichtung zur Volumenstrommessung bei der Hochkonvektionswärmebehandlung (AiF IGF)