Thermische Lastwechsel von Ofenkomponenten

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

Kurzbeschreibung

In Industrieöfen sind metallische Bauteile, wie Strahlheizrohrmäntel, Ofenmuffeln, Retorten und Ofenrollen bei Temperaturen von zum Beispiel 800 bis 1.200 °C einer Beanspruchung durch Hochtemperaturkorrosion sowie statische und dynamische mechanische Lasten ausgesetzt. Mechanische Lasten, wie das Eigengewicht, Druckdifferenzen und unterschiedliche, sich zum Teil behindernde thermische Ausdehnungen sind die Ursache von statischen mechanischen Beanspruchungen. Unter dem Einfluss der mechanischen Spannung kriechen die Werkstoffe. Bei hoher Temperatur ist das Kriechen für die Lebensdauer eines Bauteils relevant. Die Hochtemperaturkorrosions- und Kriechvorgänge führen zu einer fortschreitenden Schädigung des Werkstoffes, begrenzen so seine Lebensdauer und führen letztlich zum Versagen des Bauteils. Laborversuche haben für austenitische Legierungen gezeigt, dass diese auch bei thermischen Lastwechseln mit langen Intervallen mit deutlich höherer Geschwindigkeit kriechen als bei einer isothermen Beanspruchung bei der höheren Temperatur. Ein Beispiel für thermische Lastwechsel im Ofenbetrieb sind Temperaturunterschiede in Folge des Batchbetrieb eines Ofens oder Temperaturschwankungen bei Strahlheizrohren in Folge der üblichen An-Aus-Taktung. Berechnungsmethoden auf Basis der Lebensdaueranteilregel (lineare Schadensakkumulation) führen bei isothermer Beanspruchung im Allgemeinen zu Ergebnissen mit zufriedenstellender Genauigkeit. Im Fall der beschriebenen thermischen Lastwechsel wird mit diesen Methoden die Bauteillebensdauer jedoch erheblich überschätzt (nicht-konservatives Ergebnis).

 

Ziele des Projekts

Bisher standen Werkstoffherstellern und Unternehmen im Industrieofenbau bei der Auslegung von Anlagenkomponenten lediglich isotherme Zeitstanddaten und die Daten ganzer isothermer Kriechkurven zur Verfügung. Um künftig auch ein Ranking der typischen metallischen Ofenbauwerkstoffe bezüglich ihres Temperaturwechselverhaltens zu ermöglichen, wird in dem aktuellen Forschungsvorhaben für zyklische Temperaturwechsel eine experimentelle Basis erzeugt.

Das Ziel ist die Entwicklung einer auf weiterführende werkstoffmechanische Konzepte gegründeten Berechnungsmethodik zur Bestimmung des „Lebensdauerverbrauchs“ bei einer Überlagerung von oxidativ-korrosiver Beanspruchung, einer Zeitstandbeanspruchung und einer Ermüdungsbeanspruchung. Mithilfe dieser Berechnungsmethodik soll der Anwender in die Lage versetzt werden, charakteristische Beanspruchungskollektive in Hinblick auf eine Werkstoffschädigung zu bewerten.

Neben der Bereitstellung des Gleichungsinventars zur Bearbeitung der genannten Fragestellungen werden die erforderlichen Modellparameter für einige typische, im Ofenbau eingesetzte Werkstoffe bestimmt. Als Ergebnis der Forschungsarbeit wird die Bereitstellung eines transparenten und nachvollziehbaren Berechnungsganges angestrebt, welcher – anders als ein komplexes Anwenderprogramm – mit vertretbarem Aufwand durch die Projektpartner aus der Industrie modifiziert werden kann.

 

Arbeitsaufgaben OWI

  1. Versuche an Probekörpern („Balken“) der Werkstoffe bei Biegebeanspruchung in Luft und in Abgas. Durchführung von Temperaturwechselversuchen zur Erzeugung einer Datenbasis für die mathematische Modellbildung.
  2. Analytische Rechnungen und FEM-Simulationen des Verhaltens der untersuchten Probenkörper zur Überprüfung und Weiterentwicklung der Modelle. Es werden Berechnungsprogramme erstellt, die im Lebensdauerkalkulator direkt verwendet werden können. Die Berechnungsergebnisse werden mit den Messergebnissen validiert, um die Tauglichkeit der Modelle und Rechenmethoden zu gewährleisten.
  3. Ausarbeitung einer allgemeinen Berechnungsregel zur Lebensdauerbewertung von Ofenkomponenten für die Hochtemperaturbeanspruchung mit Temperaturwechseln gemeinsam mit den Projektpartnern.

 

Durchführende Forschungsstellen

  • Institut für Werkstoffkunde (IfW) der Technischen Universität Darmstadt
  • Institut für Industrieofenbau und Wärmetechnik (IOB) der RWTH Aachen
  • OWI Oel-Waerme-Institut GmbH, Herzogenrath

 

Projektförderung

Das IGF-Vorhaben 19068 N der Forschungsgemeinschaft Industrieofenbau e.V. – FOGI, Lyoner Str., 18 60528 Frankfurt am Main, wird über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

 

Projektlaufzeit

03/ 2016 bis 02/ 2019

 

Ansprechpartnerin

Helen Ackermann
Tel.: 02407/ 9518-140
E-Mail: H.Ackermann@owi-aachen.de