Institut für Industrieofenbau

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Das Institut für Industrieofenbau steht unter der Leitung von Professor Herbert Pfeifer. Im Rahmen von Vorlesungen, Seminaren und Praktika werden hier die Themen Thermodynamik, Wärmeübertragung, Verbrennungstechnik und Fluidmechanik behandelt und auf Hochtemperaturanlagen und –prozesse wie Industrieöfen, Wärmerückgewinnungsanlagen und metallurgische sowie verfahrens­technische Prozesse angewandt. Geforscht wird am IOB derzeit in drei Arbeitsgruppen auf den Gebieten Industrieofentechnik, Strömung in Hochtemperaturprozessen und Energie- und Stoffbilanzen.

Forschungsschwerpunkte

A) Energie und Stoffbilanzen

Die Arbeitsgruppe „Energie- und Stoffbilanzen“ ist im Bereich der Prozesstechnik neben der namengebenden Erstellung von Energie- und Stoffbilanzen, insbesondere für den Elektrostahlprozess, aber auch für andere energieintensive Hochtemperaturprozesse, auch im Bereich der Prozessoptimierung und Verfahrensentwicklung aktiv. Für die Bilanzerstellung und auch für die Entwicklung von Prozesssteuerungsstrategien wird auf eine langjährige Erfahrung in Installation und Betrieb von Abgasanalysesystemen an industriellen Hochtemperaturaggregaten, wie zum Beispiel dem Lichtbogenofen zurückgegriffen. Ergänzend kommen empirische und analytische Modellbildung sowie Simulationen auf Basis von CFD zum Einsatz. Darüber hinaus betreibt die Arbeitsgruppe am Standort Herzogenrath einen Lichtbogenofen im Technikumsmaßstab. Das Ziel der Arbeiten in diesem Bereich ist in der Regel eine Erhöhung der Energie- und Ressourceneffizienz. So wurden zum Beispiel ein Modell für das verbesserte Chrom-Ausbringen am Elektrolichtbogenofen entwickelt und Möglichkeiten für eine verbesserte Prozesskontrolle am Lichtbogenofen durch den Online-Einsatz von Abgasanalytik untersucht.

Im Bereich der Umwelttechnik dient die Durchführung von Abgasmessungen in Entstaubungsanlagen der Ermittlung umweltrelevanter Stoffströme (NOx, CO2). Neben der Ermittlung eines Ist-Zustandes werden auch Grundlagen zur Entstehung sowie Prozessstrategien zur Verminderung bzw. Vermeidung umweltrelevanter Emissionen entwickelt und sowohl im Technikum als auch industriell untersucht. So wurden experimentelle und theoretische Grundlagenuntersuchungen zur Bildung von Stickoxiden im Lichtbogenofen durchgeführt und die NOx-Emissionen am Lichtbogenofen im industriellen Maßstab untersucht und modelliert sowie Vermeidungsstrategien entwickelt.

Ebenfalls in den Bereich Umwelttechnik fällt die Forschung zur Substitution von fossilen Kohlenstoffträgern durch Biomasse im Elektrostahlverfahren. Auch hier werden Untersuchungen sowohl im Technikumsmaßstab als auch industriell durchgeführt.

Ein weiteres, aktuell laufendes Forschungsvorhaben hat die ressourceneffiziente und hochproduktive Herstellung von Carbonfasern für ein breites Anwendungsspektrum zum Thema.

Der Arbeitsgruppe stehen im Arbeitsbereich Wärmebehandlung eine Reihe von Wärmebehandlungsöfen zur Verfügung, in denen Versuche zur Wärmebehandlung und Sinterung in einem großen Temperaturbereich und unter unterschiedlichsten Atmosphären durchgeführt werden können. So erlaubt die Vakuum-Wärme-behandlungsanlage des IOB die Durchführung von Versuchen unter Vakuum sowie H2- oder N2-Partialdruck bei Temperaturen bis 1600 °C und das anschließende Abschrecken in N2 bei bis zu 10 bar Ofendruck.

Mit den vorhandenen Wärmebehandlungsanlagen führt das IOB klassische Wärmebehandlungen wie das Spannungsarmglühen von Bauteilen nach Umformung oder das Härten von Werkzeugen als Dienstleistung, zum Beispiel für andere Institute an der RWTH Aachen, durch. Im Bereich der Wärmebehandlung unter spezifischen Atmosphären wurden unter anderem schon Alterungsversuche an Katalysatormaterialien sowie Regenerationsbehandlungen von Dieselpartikelfiltern, aber auch Wärmebehandlungen in Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.

B) Hochtemperatur-Strömungstechnik

Die Kenntnis der Strömung bei Raffination und kontinuierlichen Gießen von Stahl, Kupfer und Aluminium und deren Optimierung ist für die Qualität des Halbzeugs und des Fertigprodukts von entscheidender Bedeutung. Hierbei kommt den metallurgischen Reaktoren (Konverter, Pfanne, Stranggießverteiler, Kokille) eine große Bedeutung zu.

Da die Möglichkeit von Strömungsmessungen in metallurgischen Schmelzen auf Grund der hohen Temperaturen sehr eingeschränkt ist, werden die strömungs- und wärmetechnischen Vorgänge anhand von physikalischen und numerischen Modellen untersucht. Hierbei kommt den Forschungsvorhaben zu Gute, dass die kinematischen Viskositäten von Metallschmelzen und Wasser nahezu gleich und damit die Fließeigenschaften ähnlich sind.

Zur physikalischen Simulation sind am IOB unterschiedlichste Wassermodell-Versuchsstände von AOD-Konvertern, Pfannen, Verteilern und Kokillen und Bandgießanlagen für das endabmessungsnahe Gießen aufgebaut worden.

Zur Strömungsfeldmessung stehen verschiedene Methoden zur Verfügung: Laser-Lichtschnitt-Technik (LLS), Verweilzeitmesssysteme (RTD), Laser-Doppler-Anemometry (LDA), Digital Particle Image Velocimetry (DPIV), Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF) und Hitzdraht-Anemometrie (CTA). Ferner ist am Institut ein System zur Messung von Partikelabscheideraten und Mischungszeiten vorhanden. Parallel dazu erfolgen die numerischen Simulationen mittels CFD. Um die Genauigkeit der Rechnungen zu erhöhen, werden die CFD-Simulationen zunächst für die Wasserströmung durchgeführt und die freien Parameter anhand der sehr genauen laseroptischen Messergebnisse validiert. Erst danach erfolgen die CFD-Simulationen für die Schmelze.

Insbesondere bei der Überlagerung von Effekten, z.B. magneto-hydrodynamischen und wärmetechnischen Phänomenen, beim Elektroschlacke-Umschmelzprozess (ESU) wird die CFD-Simulation erfolgreich angewendet.

C) Industrieofentechnik

Die Arbeitsgruppe „Industrieofentechnik“ ist im Bereich der strömungs- und wärmetechnischen Fragestellungen der Anwärm- und Glühöfen tätig. Hierbei liegt der Schwerpunkt der Untersuchungen bei den konvektionsdominierten Anlagen der Aluminium- und Kupferindustrie.

Ein Forschungsschwerpunkt ist die Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz durch:

• strömungs- und wärmetechnische Optimierung

• innovative Energierückgewinnungsmethoden

• innovative Anlagenkonzepte

• Energiebilanzen

• Heißgasventilatoren und Leitsysteme für Hochtemperaturanwendungen

• Wärmeeinkopplung in Industrieöfen, direkte (gasbefeuerte) oder indirekte Beheizung

• Homogenisierung von Wärmeübergangsbedingungen an Bauteilen

• Düsensysteme für Hochkonvektionsöfen

Zur experimentellen Analyse der Strömungsstrukturen werden die gleichen experimentellen und numerischen Methoden eingesetzt wie in der Arbeitsgruppe Hochtemperatur-Strömungstechnik.