Ermittlung und vergleichende Bewertung der Temperaturabhängigkeit der thermophysikalischen Stoffwerte bis 1600 °C als Simulationsgrundlage von Wärmebehandlungsprozessen in Industrieöfen

Die Zuverlässigkeit von Simulationsrechnungen hängt in sehr starkem Maße von der Qualität der zu Grunde gelegten Wärmeübergangsbedingungen und der thermophysikalischen Stoffwerte ab. Bei der Ermittlung der Wärmeübergangsbedingungen sind in den letzten Jahren ebenfalls große Fortschritte erzielt worden. Mit der zur Verfügung stehenden Rechnerkapazität kann der örtliche Strahlungsaustausch zwischen den Werkstücken und der umgebenden Gasatmosphäre unter Berücksichtigung der Wandstrahlung relativ gut berechnet werden. Die als Grundlage hierfür benötigten Emissionsgrade sind in mehreren AiF-Forschungsvorhaben für eine Vielzahl von Metallen und Keramiken temperaturabhängig unter realen Wärmebehandlungsatmosphären gemessen worden. Der konvektive Wärmeübergang kann mittels kommerzieller Computational Fluid Dynamics (CFD) Programmsysteme relativ gut ermittelt werden. Die Qualität der zur Verfügung stehenden thermophysikalischen Stoffwerte lässt demgegenüber erheblich zu wünschen übrig. Die Stoffwerte sind in der Regel nur für niedrige Temperaturen gemessen worden. Für neuere Werkstoffe sind solche Werte nicht oder erst spärlich vorhanden. Die in verschiedenen Quellen für den gleichen Werkstoff angegebenen Werte weichen oft erheblich voneinander ab. Dies gilt sowohl für die Wärmgüter als auch die Hochtemperaturbaustoffe der entsprechenden Industrieöfen. Die Bereitstellung von thermophysikalischen Stoffwerten stellt sich folglich für Simulationsrechnungen sowohl für Wärmebehandlungsprozesse als auch für die Konstruktion von Wärmebehandlungsanlagen als zunehmendes Grundlagenproblem dar. In letzter Zeit sind neue Techniken entwickelt worden, wie beispielsweise die Laser-Flash-Technik, mit denen sich die thermophysikalischen Stoffwerte bis in den Hochtemperaturbereich mit großer Genauigkeit messen lassen.Im Rahmen des IGF-Vorhabens wurden von neueren Werkstoffen und natürlichen Rohstoffen die folgenden Stoffwerte ermittelt und in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen: die Dehnung mittels Dilatometer (Fst 1und Fst 2), die spezifische Wärmekapazität (Fst 1), die Phasenumwandlungsenthalpie und die Phasenumwandlungstemperatur mittels Differential Scanning Calorimetrie (Fst 1), die Wärmeleitfähigkeit mittels Laser-Flash-Apparatur (Fst 1) sowie mittels Heißdraht-Apparatur (Fst 2) und die Emissionsgrade (Fst 2). Weiterhin wurden Standard-Prüfverfahren der feuerfesten Werkstoffe (Fst 2) angewandt. Als Materialklassen wurden Wärmedämm-Stoffe und Feuerfest-Materialien für den Industrieofenbau, Pulvermetallurgische Stähle und Kohlenstoffstähle als neue Materialien für lndustrieofenprozesse, Nichteisenmetalle und Nichteisenlegierungen als neuere Wärmgüter für Thermoprozesse sowie Kalkstein und Kalk verschiedener Genese als natürliche Rohstoffe von Ofenprozessen untersucht. Die Ergebnisse sind in einer Vielzahl von Bildern und Tabellen dargestellt. Die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der Stoffwerte wurden auf verschiedenste Weise bewertet. Dafür wurden Wiederholungsmessungen an den Apparaturen mit denselben Proben, Messungen an einer Apparatur mit verschiedenen Proben eines Materials und Messungen eines Materials mit verschiedenen Apparaturen durchgeführt. Wiederholungsmessungen bei einer Apparatur mit denselben Proben zeigten eine gute Reproduzierbarkeit. Wiederholungsmessungen an jeweils einer Apparatur mit verschiedenen Proben eines Materials zeigten bei Metallen geringe Abweichungen, bei Wärmedämm- und Feuerfest-Materialien eine Streubreite von bis zu 10 % sowie bei Kalkstein eine signifikante Abhängigkeit von der Genese. Basierend auf den unterschiedlichen gerätetechnischen Ausstattungen beider Forschungsstellen haben sich die umfangreichen Untersuchungen zur Ermittlung von Stoffwerten im Rahmen des Vorhabens ohne·Überschneidungen sehr gut ergänzt. Das Forschungsziel des Vorhabens wurde erreicht.