IGF-Projekt 15698 N

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

Bölling, R.; Hellenkamp, M.; Pfeifer, H.: Erhöhung der Lebensdauer metallischer Komponenten im Industrieofenbau (z. B. Strahlheizrohre, Muffeln, Brennerkomponenten, Rollen)


BMWi_Web_de_WBZDas IGF-Vorhaben 15698 N der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e.V. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
Weitere Informationen sowie den Abschlussbericht erhalten Sie über das Forschungskuratorium Maschinenbau e.V., Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt oder info@fkm-net.de