IGF-Projekt 19068 N

Einfluss thermischer Lastwechsel auf die Lebensdauer hochbelasteter Ofenkomponenten aus metallischen Hochtemperatur-Werkstoffen

Forschungsstellen

RWTH Aachen, Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik
Technische Universität Darmstadt, Institut für Werkstoffkunde
Oel-Wärme-Institut GmbH

Laufzeit

01.03.2016 – 28.02.2019

Zusammenfassung

Wesentliches Ziel des Projekts war die Entwicklung eines Lebensdauerkalkulators als „Workflow“ zur Bestimmung des Lebensdauerverbrauchs von Ofenbauteilen bei einer oxidativ-korrosiven Beanspruchung und einer Zeitstandbeanspruchung unter Temperaturwechseln.

Um dieses Ziel zu erreichen, wurden die Einflüsse alternierender Temperaturen bei niedrigen mechanischen Lasten für vier im Ofenbau gebräuchliche Werkstoffe untersucht. Die isothermen und anisothermen Kriechversuche an Kleinproben zeigten bei allen Werkstoffen, dass bedingt durch die Temperaturwechselbeanspruchung eine signifikant höhere Kriechverformung auftritt als bei rein isothermer Beanspruchung bei maximaler Temperatur. Thermisch induzierte Spannungen konnten dabei als Ursache für die höhere Kriechverformung unter Temperaturwechselbeanspruchung ausgeschlossen werden. Eine Kriechbeschreibung wurde entwickelt, um Simulationsrechnungen zur Verformung von Ofenbauteilen durchführen zu können. Diese Beschreibung ermöglicht auch die Durchführung einer Lebensdauerbewertung in Form eines „Workflows“ für Bauteile. Ein weiteres Element dieses Workflows sind zwei im Projekt entwickelte und auf experimentellen Daten basierende Typen von Korrosionsdiagrammen, mit deren Hilfe für eine bestimmte Betriebsdauer der Chromverlust und die verbleibende Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs abgeschätzt werden kann.

Ein P-Strahlheizrohr wurde in diesem Projekt als Beispiel für stark thermisch belastete Bauteile in Industrieöfen untersucht. Die Versuche mit einem Brenner im Ein/Aus-Betrieb (thermische Lastwechsel) zeigten in Übereinstimmung mit den Ergebnissen an Kleinproben höhere Verformungen des Rohrs gegenüber dem Betrieb unter Volllast (isotherm). Des Weiteren wurden numerische Modelle entwickelt und durch Temperatur- und Verformungsmessungen am Strahlheizrohr validiert. Diese Ergebnisse sind im Schlussbericht umrissen als Beispiele im Workflow dargestellt.

Veröffentlichungen im Rahmen des Projekts

Kurzfassung des Abschlussberichts

Brykarczyk, D.; Karthik, N.; Lenz, W.: Gekoppelte thermische Spannungsberechnung an metallischen Strahlheizrohren in Wärmebehandlungsanlagen, 36. CADFEM ANSYS Simulation Conference, Leipzig, 10.-12. Oktober 2018

Schwing, R.; Linn, S.; Kontermann, C.; Oechsner, M.: Zum Einfluss von Temperaturwechselbeanspruchungen auf das Kriechverhalten von hochwarmfesten metallischen Werkstoffen, 41. FVWHT-Vortragsveranstaltung, Düsseldorf, 30. November 2018

Karthik, N. K.; Schmitz, N.; Pfeifer, H.; Schwing, R.; Linn, S.; Kontermann, C.; Oechsner, M.: Einfluss von Temperaturwechselbeanspruchung auf das Verformungsverhalten von Ofenkomponenten und deren Lebensdauer, ASMET-Werkstofftechniktagung & 31. Härtereitagung (Tagungsband), Wien, Österreich, 28.-29. März 2019, pp. 27-36

Ackermann, H.; Bittner, P.: Biegebeanspruchte metallischer Bauteile unter thermischen Lastwechseln, Jahrestreffen der ProcessNet-Fachgruppe Hochtemperaturtechnik (HTT), Karlsruhe, 02.-03. April 2019

Karthik, N. K.; Schmitz, N.; Pfeifer, H.: Effect of cyclic thermal loading on the lifetime of furnace components, European Conference on Heat Treatment ECHT 2019 (Tagungsband), Bardolino, Italien, 5.-7. Juni 2019

Büschgens, D.; Karthik, N. K.; Schubert, C.; Schmitz, N.; Pfeifer, H.: Investigation of the Influence of Proximal Radiation on the Thermal Stresses and Lifetime of Metallic Radiant Tubes in Radiation-Dominated Industrial Furnaces, European Conference on Heat Treatment ECHT 2019 (Tagungsband), Bardolino, Italien, 5.-7. Juni 2019

Karthik, N. K.; Schmitz, N.; Pfeifer, H.: Lebensdauer metallischer Ofenkomponenten bei Temperaturwechselbeanspruchung (Teil 1), Prozesswärme Vol. 5 (2019), pp. 59-66


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Das IGF-Vorhaben 19068 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