Analyse und Optimierung von wassergekühlten Transportrollen in Vorwärmöfen von Bandverzinkungsanlagen

Bei der Bandverzinkung von Stahl werden im Vorwärm- und Glühofen Rollen zum Transport des Bandes eingesetzt. Speziell im Vorwärmofen, in dem das Band sehr schnell erwärmt wird, liegen die Ofenraumtemperaturen bei über 1.300 °C. Die eingesetzten Ofenrollen sind hierbei einer sehr hohen thermischen und mechanischen Beanspruchung ausgesetzt. Um den Beanspruchungen standzuhalten werden wassergekühlte Stahlrollen eingesetzt, die aufgrund der Kühlung dem Ofen Wärme entziehen und dadurch den energetischen Wirkungsgrad des Ofens verringern. Zur Verringerung der Kühlverluste wurde im Rahmen dieser Arbeit die Wärmeübertragung zwischen Ofen, Band und Rolle untersucht. Neben theoretischen Betrachtungen wurden Messungen im Betrieb und im Technikum zur genauen Bestimmung der Randbedingungen und Kühlverluste durchgeführt. Auf Basis der theoretischen Gleichungen und messtechnischen Ergebnisse wurden analytische und numerische Modelle zur Berechnung der Ofenrollenmaterialtemperatur und der entstehenden thermischen Spannungen entwickelt und verifiziert. Anhand dieser Modelle wurden verschiedene Ofenrollenkonzepte und deren Einfluss auf die Kühlleistung und die thermischen Spannungen im Bauteil untersucht. Auf diese Weise konnten unter Berücksichtigung thermischer Spannungen Konzepte zur Reduzierung der Kühlleistung entwickelt werden. Das erfolgversprechendste Ofenrollenkonzept basiert auf der Senkung des Oberflächenemissionsgrads der Ofenrolle. Damit konnten in den Technikumsversuchen sowohl die Kühlleistung als auch die thermischen Spannungen deutlich reduziert werden. Speziell die Kühlleistung konnte im Technikum um bis zu 67 % reduziert werden. Aufgrund des nahezu volljährlichen Betriebs der Ofenrollen, liegt das Erdgaseinsparpotenzial dieses Ofenrollenkonzeptes bei bis zu 6,3 Mio. kWh/a pro Vorwärmofen.