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

Abstract

Im Forschungsvorhaben „Flexible Ofenbetriebsweisen“ wurde der Einfluss überlagerter hoch- und niedrigfrequenter Temperaturwechsel auf die Lebensdauer metallischer Hochtemperaturkomponenten untersucht. Im Projekt wurden die Ergebnisse experimenteller Untersuchungen und numerischer Modelle kombiniert, um Handlungsempfehlungen zum Betrieb wärmetechnischer Anlagen im Hinblick auf eine maximale Lebensdauer der verbauten Komponenten zu formulieren. Die experimentellen Untersuchungen umfassen Langzeitversuche unterschiedlicher Probengeometrien mit Laufzeiten von mehreren Monaten, in denen die Proben überlagerten Temperaturwechseln ausgesetzt wurden. Hierzu wurden Temperaturmessdaten aus Industrieanlagen ausgewertet und auf bestimmte, wiederkehrende, charakteristische Muster zu einem Temperaturzyklus mit überlagerten Temperaturwechseln abstrahiert. Es wurden Versuche an zylindrischen Rundproben unter uniaxialer Belastung durchgeführt. Hierbei wurde der Einfluss der überlagerten Temperaturwechsel auf die Materialantwort untersucht. Außerdem wurden Einflussgrößen auf den Effekt der beschleunigten Kriechdehnungsentwicklung unter Temperaturwechsel-Beanspruchung untersucht. Als Versuch mit komplexerer mechanischer Belastung wurden einseitig eingespannte, horizontale Balkenproben mit überlagerten Temperaturzyklen belastet. Zuletzt wurden die Temperaturzyklen auch auf Industrieofen-Komponenten in Form von Strahlheizrohren im Industriemaßstab aufgebracht. Die Versuche liefern insbesondere Messdaten zur zeitabhängigen Verformung der untersuchten Geometrien. Parallel zu den experimentellen Arbeiten wurden numerische Modelle aufgebaut und entsprechende Berechnungen durchgeführt. Hierbei lag der Fokus auf der Berechnung der Strahlheizrohrverformung in Abhängigkeit der Einsatzumgebung und Betriebsweise. Der entwickelte Arbeitsablauf kombiniert Modelle der numerischen Strömungsmechanik (CFD) und der numerischen Strukturmechanik (FEM) in einer einseitigen Fluid-Struktur-Interaktion. Um das Ziel zu erreichen, wurde eine stationäre Berechnung des Ofens sowie eine transiente Berechnung der Ein-Aus-Taktung eines Rekuperatorbrenners in einem Mantelstrahlheizrohr vorgenommen. Als Ergebnis werden Strahlheizrohr-Temperaturprofile berechnet, die als Eingangsgröße für die Struktursimulationen verwendet werden. Zur Berechnung der plastischen Kriechverformung wurde ein Materialmodell entwickelt, welches in der Lage ist, die im Vergleich zu isothermen Belastungen beschleunigte Kriechdehnrate unter thermischen Lastwechseln abzubilden. Dieses Modell wird zur Berechnung der Kriechverformung im FEM-Modell des Strahlheizrohrs und in einem vereinfachten analytischen Modell zur Berechnung der Verformung einseitig eingespannter Balken verwendet. Die beschriebenen Experimente wurden durch werkstofftechnische Untersuchungen ergänzt. So wurde das Materialverhalten in Bezug auf die Abdampfung von Chrom unter Temperatureinfluss durchgeführt. Abschließend wurden mikrostrukturelle Erkenntnisse aus den Untersuchungen der eingesetzten Balkenproben gezogen. Aus den experimentellen Erkenntnissen und den Simulationsergebnissen wurden Handlungsempfehlungen zum flexiblen Betrieb von Mantelstrahlheizrohren abgeleitet.