Am 08.12.2022 hat unser Mitarbeiter Dominik Büschgens seine Promotionsprüfung bestanden. Seine Dissertation trägt den Titel „Entwicklung eines dreidimensionalen Strahlungsmodells und dessen Anwendung zur Berechnung des Strahlungsaustauschs von Strahlheizrohren“.
Strahlheizrohre werden zum Beispiel in vertikalen Strahlheizrohröfen von Feuerverzinkungslinien eingesetzt. Der im Strahlheizrohr installierte Brenner sorgt für die Leistungszufuhr im Ofen. Das Rohr trennt dabei die Schutzgasatmosphäre im Ofen von den durch die Verbrennung entstehenden Abgasen. Aufgrund der hohen Temperaturen oberhalb von 800 °C ist Strahlung der dominierende Wärmeübertragungsmechanismus in diesen Öfen. An die Strahlheizrohre werden bei den Temperaturen hohe Anforderungen gestellt, da diese einer starken thermischen Belastung ausgesetzt sind. Die Arbeit trägt dazu bei, den Strahlungsaustausch der Strahlheizrohre mit ihrer Umgebung zu beschreiben. Kern der Arbeit ist ein Strahlungsmodell zur Berechnung des Strahlungsaustauschs beliebiger dreidimensionaler Geometrien. Grundlage hierfür ist die Festkörperstrahlung grauer, diffuser Flächen, welche mit Hilfe von Einstrahlzahlen beschrieben werden kann. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf dem entwickelten Algorithmus zur Ermittlung der Abschattung. Dieser ist rechenzeitoptimiert implementiert. Mithilfe der Einstrahlzahlen und vorgegebenen Randbedingungen, wie der Temperaturverteilung und den Emissionsgraden der Oberflächen, können die lokalen Wärmestromdichteverteilungen berechnet werden. Neben dem dreidimensionalen Modell ist ebenfalls ein zweidimensionales Strahlungsmodell gleichen Funktionsumfangs entwickelt worden.
Stolz nach bestandener Prüfung: Dominik Büschgens mit Doktorhut, Promotionsmedaille und “Pfeifers Pfeife” zwischen Prof. Bührig-Polaczek, Prof. Specht und Prof. Pfeifer (v.l.)
In der ersten Anwendung erweitert der entwickelte Ansatz das bisherige Vorgehen zur Berechnung der Lebensdauer-indizierenden Parameter von Strahlheizrohren. Dabei wird neben der schon berücksichtigten Verbrennung im Rohr auch der Strahlungsaustausch mit den benachbarten Rohren und dem Band eingebunden. Mit den durch Verbrennung, Strahlung und Wärmeleitung beeinflussten Temperaturverteilungen auf den Rohren und unter Berücksichtigung weiterer Einflüsse wie der Brennertaktung wird eine Kriechanalyse durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Lebensdauer eines Strahlheizrohrs bei einer Vernachlässigung seiner Strahlungsumgebung und hier vor allem der direkt benachbarten Bandabschnitte sowie der horizontalen Nachbarrohre überschätzt wird. Auch zur Bewertung der Positionierung von Strahlheizrohren im Ofen kann der entwickelte Ansatz verwendet werden. Das zweite Anwendungsbeispiel sind Mantelstrahlheizrohre in horizontalen Öfen zur Wärmebehandlung von Bandmaterial. Die Abstände der Rohre zueinander sowie die Abstände der Rohre zu Gut und Ofenwänden waren ebenso Parameter der Untersuchungen wie die Emissionsgrade der Oberflächen der Komponenten. Neben der thermischen Belastung der Strahlheizrohre können auch Aussagen über die Wärmestromdichteverteilung auf dem Gut und die maximalen Temperaturen der Ofenwände getroffen werden. Der Ansatz lässt sich auf beliebige Strahlheizrohrgeometrien und Ofentypen anwenden. Für Aussagen über die Lebensdauer-indizierenden Parameter sind dabei sowohl zur Validierung notwendige experimentelle Messreihen als auch validierte Kriechmodelle notwendig. Zukünftige Erweiterungen und Optimierungen der Strahlungsmodelle sind aufgrund der offenen Struktur der Implementierung sehr gut möglich.
Dominik Büschgens im Promotionswagen auf dem Aachener Weihnachtsmarkt
Die Promotionsprüfung fand unter den Prüfern Prof. Pfeifer und Prof. Specht sowie unter dem Vorsitz von Prof. Bührig-Polaczek im Institut für Eisenhüttenkunde (IEHK) in der Intzestraße statt. Dort versammelten sich Familie, Freunde und IOB-Kollegen rechtzeitig und nahmen Dominik nach seiner mit Auszeichnung bestandenen Prüfung in Empfang. Zuerst verlieh ihm Prof. Pfeifer die wohlverdiente Hüttenleute-Promotionsmedaille der Fachgruppe für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik sowie eine von “Pfeifers Pfeifen”. Im Anschluss übergaben die Kollegen des Instituts den Doktorhut, der in den Wochen zuvor am IOB mühevoll und im Geheimen gestaltet wurde. So konnte nun mit Sekt gebührend auf unseren zukünftigen Doktor der Ingenieurwissenschaften angestoßen werden.
Danach brach das Institut gemeinsam zur obligatorischen Brunnenrede auf: Standesgemäß durfte Dominik dazu im ebenfalls für ihn gestalteten Promotionswagen Platz nehmen und wurde so im Hogwarts-Express mit Untermalung von Hedwig’s‑Theme durch die Stadt gezogen. Nach dem ein oder anderen Zwischenstopp auf dem Aachener Weihnachtsmarkt hielt Dominik schließlich seine Brunnenrede im “Kreislauf des Geldes”. Anschließend fand die Promotionsfeier bei hervorragendem Essen und ausreichend Getränken in den Räumlichkeiten des Instituts statt, wo der Prüfungstag angemessen ausklingen gelassen wurde.
Herzlichen Glückwunsch zur bestandenen Doktor-Prüfung, lieber Dominik. Wir freuen uns, dass du unserem Team weiterhin als Gruppenleiter der Industrieofentechnik treu bleibst, und wünschen dir auf deinem weiteren Weg alles Gute!