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.