Wirtschaftlichkeit von Industrieöfen erhöhen

Berechnungsmethodik könnte künftig die Lebensdauer metallischer Bauteile bewerten

Schaden an einem metallischen Strahlheizrohr durch hohe thermische Belastung. (Bildquelle: M. Hellenkamp, RWTH Aachen)

Die Gebrauchsdauer thermisch hochbelasteter Komponenten in Thermoprozessanlagen wird dadurch begrenzt, dass es infolge der Beanspruchungen zu bleibenden Verformungen, oxidativem Metallabtrag und Rissbildungen kommt. Über die Optimierung der Komponenten können die Standzeiten von Industrieöfen verlängert und Instandhaltungskosten verringert werden. Die Wechselwirkung der verschiedenen Einflussgrößen ist insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchung, sehr hohen Temperaturen und relativ niedrigen mechanischen Lasten noch nicht richtig verstanden. Praxisübliche ingenieurmäßige Ansätze beschreiben das Verhalten der Werkstoffe unter diesen Bedingungen bisher mit unbefriedigender Genauigkeit.

Daher entwickeln 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 Forschungsprojekt ein verbessertes Berechnungsverfahren, das übliche Temperaturwechsel unmittelbar einbezieht. Ziel ist, den Herstellern eine zuverlässigere Bauteilauslegung zu ermöglichen und den Betreibern von Anlagen eine Methode an die Hand zu geben, mit der sie die Lebensdauer beziehungsweise die Restlebensdauer ihrer Ofenkomponenten genauer bestimmen können. Dies ermöglicht die Entwicklung einer Optimierungsstrategie für deren Betriebsweise unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten wie Produktionsdurchsatz, Einsatzdauer und Ausfallwahrscheinlichkeit.

Bei Betriebstemperaturen von zirka 800 bis 1.200 °C sind metallische Bauteile, wie Strahlheizrohrmäntel, Ofenmuffeln, Retorten und Ofenrollen, einer gleichzeitigen Beanspruchung durch Hochtemperaturkorrosion sowie statische und dynamische mechanischen Lasten ausgesetzt, die die Lebensdauer der Bauteile verringern. Einen starken Einfluss auf die Lebensdauer haben zudem Temperaturschwankungen durch thermische Lastwechsel, beispielsweise durch die bei modernen Strahlheizrohren übliche An-Aus-Taktung. Bisher standen Werkstoffherstellern und Unternehmen im Industrieofenbau bei der Auslegung 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, werden in dem aktuellen Forschungsvorhaben für zyklische Temperaturwechsel eine experimentelle Basis erzeugt und weiterführende werkstoffmechanisch begründete Konzepte für die Lebensdauerbewertung entwickelt.

Das OWI ist eine unabhängige, gemeinnützige und freie Forschungseinrichtung. In Zusammenarbeit mit Partnern aus Industrie und Forschung forscht und entwickelt das OWI an Konzepten und Technologien auf dem Gebiet der Wärme- und Stromerzeugung. Der Schwerpunkt liegt auf der energieeffizienten und schadstoffarmen Nutzung flüssiger fossiler und regenerativer Brenn- und Kraftstoffe. Das Ziel ist die Entwicklung energieeffizienter und umweltschonender Produkte, die marktfähig sind. Das OWI ist ein An-Institut der RWTH Aachen und versteht sich als Mittler zwischen Grundlagenforschung und Anwendung. Im Rahmen des Technologietransfers bearbeitet das OWI sowohl aus öffentlichen Fördermitteln finanzierte Projekte als auch industrielle Forschungsaufträge. Zu den Kunden gehören beispielsweise Hersteller von Haushaltsheizungen, Unternehmen der Automobilzulieferindustrie, der Mineralölwirtschaft und der Thermoprozesstechnik.

Kontakt
Oel-Waerme-Institut GmbH (OWI)
Michael Ehring
Kaiserstrasse 100
52134 Herzogenrath
49 (0)2407 / 9518 – 138
m.ehring@owi-aachen.de
https://www.owi-aachen.de