Flexible Ofenbetriebsweisen

Untersuchung zum Einfluss flexibler Betriebsweisen von Industrieöfen auf die Lebensdauer metallischer Hochtemperaturkomponenten

Kurzbeschreibung

Produktivität und Ausfallsicherheit von Thermoprozessanlagen sind von wettbewerbsentscheidender Bedeutung für deren Betreiber und Hersteller. Im Rahmen der Energiewende in Deutschland gewinnt das gesamtgesellschaftliche Ziel der Nachhaltigkeit zunehmend an Bedeutung. Dies betrifft insbesondere die Steigerung der Energieeffizienz, um damit den Einsatz von Primärenergie zu reduzieren. Strategien zur Instandhaltung der Anlagen entwickeln sich von reaktiven und vorbeugenden Maßnahmen zu vorausschauender, zustandsorientierter Funktionserhaltung. Dies trifft insbesondere auf energieintensive Anlagen zu, beispielsweise für die Wärmebehandlung von Metallen.

Bei hohen Temperaturen ist die Lebensdauer metallischer Bauteile durch Kriechen, Oxidation und Ermüdung begrenzt. Unter dem Einfluss der Schwerkraft und der hohen Temperatur verformen sich beispielweise metallische Strahlheizrohre mit der Zeit in Folge des Kriechens. Hat die Verformung eine Toleranzgrenze überschritten, muss das Rohr in der Regel ausgetauscht oder – sofern möglich – um 180° gedreht werden. Ein solcher Austausch bzw. ein Drehen des Strahlheizrohres erfordert eine Abschaltung der Anlage und damit den Produktionsstillstand mit entsprechenden Produktionsverlusten und erhöhten Betriebskosten. Die präventive Instandhaltung von metallischen Ofenbauteilen in Industrieöfen könnte Produktionsausfälle künftig reduzieren und Betriebskosten senken.

Ziele des Projekts

Als Basis für die angestrebte präventive Instandhaltung ermitteln die Forschenden Daten zum Verhalten relevanter Hochtemperaturlegierungen unter exemplarischen, praxisrelevanten Belastungsprofilen. Als Projektergebnis sollen Handlungsempfehlungen in Form einer umfangreichen Datenbasis und eines erweiterten Kalkulators für die Lebensdauerbewertung von Hochtemperaturwerkstoffen bei Temperaturwechselbeanspruchung zur Verfügung gestellt werden.

Spezifischer Forschungsbedarf besteht in den folgenden Bereichen:

  • Einfluss der Überlagerung von schnellen und langsamen Temperaturzyklen auf das Kriechverhalten typischer, im Industrieofenbau eingesetzter Werkstoffe
  • Untersuchung und Absicherung des Werkstoffverhaltens unter Temperaturwechselbelastung für Spannungen im gesamten Bereich zwischen 2 bis 30 MPa
  • Systematische Ermittlung des Einflusses einzelner Parameter einer Temperaturwechselbeanspruchung wie Temperaturänderungsrate, Maximaltemperatur, Temperaturhub, Haltezeit, etc. auf das Kriechverhalten und die Korrosion sowie die Untersuchung des Gefüges vor und nach dem Versuch, um Anhaltspunkte für die Ursache des Effekts des beschleunigten Kriechens unter Temperaturwechselbeanspruchung zu identifizieren
  • Quantifizierung von Unsicherheiten bezüglich der Position der maximalen thermisch induzierten Spannungen in komplexen Bauteilen wie beispielsweise Strahlheizrohren

Arbeitsaufgaben OWI

  • Untersuchung des Einflusses von überlagerten niedrig- und hochfrequenten Zyklen auf das Kriech- und Korrosionsverhalten ausgewählter Hochtemperaturwerkstoffe (zusammen mit IfW)
  • Qualitative Untersuchungen des Gefüges zur Identifizierung der Mechanismen die zur beschleunigten Kriechdehnung bei Temperaturwechselbeanspruchung beitragen (zusammen mit IfW)
  • Entwicklung eines optimierten Werkstoffmodells zur Beschreibung der Kriechverformung unter komplexer Temperaturwechselbeanspruchung mit überlagerten Subzyklen (IfW) und die Überprüfung der Anwendbarkeit bei bauteilnäheren Biegespannungssituationen (OWI)
  • Weiterentwicklung von Methoden zur Quantifizierung der oxidativ-korrosiven Werkstoffschädigung für überlagerte thermische Zyklen
  • Untersuchung des Chromverlustes durch Abdampfung von Chrom

Durchführende Forschungsstellen

  • Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTH Aachen University
  • Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde (IfW) der Technischen Universität Darmstadt
  • OWI Science for Fuels gGmbH

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 21070 N „Untersuchung zum Einfluss flexibler Betriebsweisen von Industrieöfen auf die Lebensdauer metallischer Hochtemperaturkomponenten“ der Forschungsvereinigung Forschungskuratorium Maschinenbau e. V. – FKM, Lyoner Straße 18, 60528 Frankfurt am Main wird 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.

Projektlaufzeit

07/2020 bis 06/ 2023

Kontakt

Dipl.-Ing. Sebastian Schulte
Tel.: 02407/ 9518-167
E-Mail: S.Schulte@owi-aachen.de