High Temperature Oxidation of Steel, Aluminum and Copper Alloys under the Influence of a Sustainable Energy-Efficient Combustion in Industrial Furnaces

Publikationen: Thesis / StudienabschlussarbeitDissertationForschung

Organisationseinheiten

Abstract

Erhöhung der Wirtschaftlichkeit, Steigerung des Durchsatzes, sowie Einsparungen von fossilen Brennstoffen und Emissionen, insbesondere CO2, sind Ziele, die metallurgische Betriebe weltweit mit Nachdruck verfolgen. Eine der besten und gleichzeitig kostengünstigsten zu realisierenden Möglichkeiten, stellt die Erhöhung der Wirkungsgrade der Verbrennung in Wärmebehandlung-, Wiedererwärmungs- und Schmiedeöfen dar. Um die Effizienz der Verbrennung zu steigern, eignet sich die Zuführung von zusätzlichem Sauerstoff zum Brennprozess, beziehungsweise das vollständige Ersetzen der Verbrennungsluft durch O2. Sauerstoffverbrennung wirkt sich in vielerlei Hinsicht positiv auf den Prozess aus. Durch den Einsatz von O2 wird die Konzentration an Stickstoff und gleichzeitig die NOx- Emissionen im gesamten Ofensystem gesenkt. Dies führt zu einer Erhöhung der Konzentration an den Oxidationsprodukte, Kohlendioxid und Wasserdampf, wodurch die Wärmeübertragung im Ofen steigt. Dies bewirkt eine Verkürzung der Erwärmungstemperaturen und Schmelzzeiten sowie Brennstoffeinsparungen. Des Weiteren sinken die spezifischen Herstellungskosten, da eine Erhöhung der Durchsätze möglich wird. Dennoch ist die Umstellung von Luft- auf Sauerstoffbrenner ein umstrittenes Thema hinsichtlich der Folgen auf die Oxidation. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Oxidationsverhalten von Stahl-, Aluminium- und Kupferlegierungen in Brenngasen. Das Verhalten von Metalllegierungen im Abgas der Luftverbrennung wurde untersucht und mit der Oxidation im Gas der 23 % O2 und 30 % O2 angereicherten sowie reiner Sauerstoffverbrennung gegenüber gestellt. Die Materialien kommen während des Produktionsprozesses (wie z. B. bei Stahl und Aluminium) mit den heißen Brenngasen in Berührung, als auch direkt im Einsatzgebiet (z. B. Stahl und Kupfer). Das Oxidationsverhalten von Bau-, Cr-Mo-Stahl (42CrMo4, 1.7225), Cr-Cr/Ni-Stahl (1.4301, X5CrNi18-10), Cr-Ni-Mn-Stahl (H525, 1.4841, X15CrNiSi2521) and Cr-Al-Stahl (Kanthal) wurde von 750-1200 °C untersucht. Die Aluminiumexperimente der Legierungen EN AW 1050, 5005, 5086, 5019 und 6082 sind bei 600 °C und die Kupferuntersuchungen von Cu-ETP (CW004A), CuZn37 (CW508L), CuZn39Pb3 (CW614N) und CuAl10Ni5Fe4 (CW307G) zwischen 500-900 °C durchgeführt worden. Für die Oxidation jeder Legierung wurde ein kinetisches Modell erstellt und die Oxidationsmechanismen und Aktivierungsenergien der ablaufenden Reaktionen bestimmt sowie die Oxidmorphologien analysiert. Die Hochtemperatur-Oxidation ist durch Diffusionsprozesse oder Phasengrenzreaktionen bzw. den Antransport von oxidierenden Bestandteilen limitiert. Bau-, Cr-Mo- und Cr-Cr/Ni-Stahl zeigen über 1050 °C eine Veränderung der Oxidationskinetik. Unter dieser Temperatur zeigt eine Erhöhung von O2 der Verbrennung keine Auswirkungen auf das Oxidationsverhalten. Die Untersuchungen der Kurzfassung Aluminium- und Kupferlegierungen weisen eine Unabhängigkeit der Oxidbildung von der Sauerstoffanreicherung auf. Korrosionsbeständige Stahllegierungen, wie Cr-Al- und Cr-Ni-Mn-Güten, zeigen das gleiche kinetische Verhalten und die Oxidation kann durch zusätzliches O2 im Brennprozess nicht negativ beeinflusst werden. Die Erkenntnisse diese Arbeit ermöglichen eine Optimierung der Verbrennung, ohne Nachteile in der Produktqualität befürchten zu müssen und bilden den Grundstein für eine energie-effiziente und nachhaltige Prozessoptimierung.

Details

Titel in ÜbersetzungOxidation von Stahl-, Aluminium- und Kupferlegierungen unter dem Einfluss einer nachhaltigen, energieeffizienten Verbrennung in Industrieöfen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
StatusVeröffentlicht - 2015