Neue Erkenntnisse zur Lebensdauer von metallischen Ofenbauteilen
Versuchsofen mit Rechteck- und Rundbalkenproben am Ende eines Versuchs mit Temperaturzyklen. Foto: OWI
12. Dezember 2019 – Eine realitätsnahe Berechnung der Lebensdauer von Bauteilen kann helfen, den Betrieb von Industrieöfen künftig noch wirtschaftlicher zu gestalten. Neue wichtige Erkenntnisse dafür haben das Oel-Waerme-Institut, das Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTH Aachen und das Institut für Werkstoffkunde (IfW) der Technischen Universität Darmstadt in einem gemeinsamen Forschungsprojekt gewonnen und in die Entwicklung einer Methode zur Lebensdauerkalkulation umgesetzt. Hersteller von Industrieöfen können die Forschungsergebnisse nutzen, um Bauteile zuverlässiger auszulegen. Den Betreibern von Anlagen wird ermöglicht, die aktuell verbleibende Lebensdauer ihrer Ofenkomponenten genauer zu bestimmen und dadurch Strategien für eine optimierte Betriebsweise der Öfen unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten wie Produktionsdurchsatz, Einsatzdauer und Ausfallwahrscheinlichkeit zu entwickeln.
Metallische Ofenbauteile wie Strahlheizrohre, Ofenmuffeln, Retorten und Ofenrollen sind bei hohen Temperaturen einer gleichzeitigen Beanspruchung durch Hochtemperaturkorrosion und statischen mechanischen Lasten ausgesetzt. Korrosion und Formänderung durch Kriechen bestimmen unter diesen Bedingungen die Lebensdauer der Bauteile. Im Fokus des Forschungsvorhabens stand die Klärung der Frage, welche Rolle Temperaturwechsel bei einer Beanspruchungssituation in Industrieöfen mit höchsten Temperaturen und sehr niedrigen mechanischen Spannungen spielen. Aufgabe des OWI war es, das Verhalten bauteilähnlicher Proben und den Korrosionsfortschritt zu untersuchen.
Rund- und Rechteckbalken oben: im Ausgangszustand, unten: verformt durch Kriechen nach 629 Stunden thermozyklischer Belastung. Foto: OWI
In den verschiedenen durchgeführten Experimenten zeigte sich übereinstimmend unter Temperaturwechselbeanspruchung eine höhere mittlere Kriechgeschwindigkeit als unter sonst gleichen isothermen Bedingungen. Ein wesentliches Projektergebnis sind die vom IfW auf der Grundlage von Kriechkurven entwickelten analytischen Kriechgleichungen, die als Neuerung einen Term mit einer Temperaturänderungsrate enthalten und damit den Effekt der Temperaturwechsel einschließen. Die Korrosion von Proben durch Oxidation wurde durch die Temperaturwechsel je nach Werkstoff nicht oder nur wenig beschleunigt. Vom OWI wurden aus experimentellen Daten Diagramme erstellt und eine Methode aufgezeigt, wie mit Hilfe dieser Korrosionsdiagramme für eine bestimmte Betriebsdauer der Chromverlust und die verbleibende Oxidationsbeständigkeit des Werkstoffs abgeschätzt werden können.
Bisher standen Werkstoffherstellern und Unternehmen im Industrieofenbau bei der Auslegung lediglich isotherme Zeitstanddaten und die Daten isothermer Kriechkurven zur Verfügung. Mit den im Forschungsprojekt erhobenen Daten und entwickelten Kriechbeschreibungen sind in Zukunft durch die Einbeziehung von thermischen Lastwechseln anwendungsnähere Lebensdauerabschätzungen möglich.
Das IGF-Vorhaben 19068 N „Einfluss thermischer Lastwechsel auf die Lebensdauer hochbelasteter Ofenkomponenten aus metallischen Hochtemperatur-Werkstoffen“ der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wurde über die AIF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.
