Kuinka 316 ruostumattomasta teräksestä valmistettu vaipan seinämän paksuus vaikuttaa magnesiumoksidieristeen dielektriseen lujuuteen sähkölämmityselementtien hankaamisen jälkeen?

Laatuinsinöörien ja lämmityselementtien valmistajien kannalta vaipan seinämän paksuuden ja sähköeristyksen välinen suhde ei ole aina ilmeinen. Vastuslangan ympärillä oleva magnesiumoksidijauhe puristetaan tiheyteen, joka antaa korkean lämmönjohtavuuden ja korkean dielektrisen lujuuden -tyypillisesti yli 2,8 g/cm³, jolloin eristysvastus on yli 100 megaohmia huoneenlämpötilassa. Pääasiallinen mekanismi MgO:n tiivistämiseen on puristusprosessi, joka pienentää ruostumattoman teräsvaipan 316 ulkohalkaisijaa. Mutta säteittäinen paine, joka kohdistuu vaipan seinämän läpi MgO:lle, riippuu seinämän paksuudesta. Paksummat seinät imevät enemmän iskuvoimaa. MgO saattaa olla alitiivistetty. Ohuet seinät siirtävät enemmän voimaa, mutta vaarana on romahtaminen tai vastuslangan vaurioituminen. Tässä artikkelissa analysoidaan 316 vaipan seinämän paksuuden vaikutusta mahdolliseen MgO-tiheyteen ja dielektriseen lujuuteen. Se tarjoaa perustan seinämän vähimmäispaksuuden määrittämiselle, joka tasapainottaa mekaanisen eheyden ja sähköisen suorituskyvyn.

MgO:n puristuskäyttäytyminen vaipan huuhtelun aikana
Kiukaan valmistuksessa ruostumattomasta teräksestä valmistettu 316-putki täytetään MgO-jauheen irtonaisella seoksella ja keskeisellä paikalla olevalla vastuslangalla. Kokoonpano viedään sitten hankauskoneen läpi, jossa kehruulevyt vasaroivat putken säteittäisesti sisäänpäin ja pienentävät ulkohalkaisijaa 10–30 %. Tämä prosessi tiivistää MgO-jauheen alkuperäisestä irtotiheydestä ~1,5-1,8 g/cm3 lopulliseen tiheyteen 2,8-3,2 g/cm3. Säteittäinen nettovoima puristusmuotteista, kun siitä on vähennetty 316 vaipan seinämän elastiseen ja plastiseen muodonmuutokseen käytetty voima, on MgO:lle toimitettu puristuspaine. Tietyllä hankausvähennyksellä ja muottivoimalla ohuempi vaipan seinämä johtaa vähemmän tehtyyn muodonmuutostyöhön ja suurempi prosenttiosuus käytetystä voimasta siirtyy MgO:hon. Huuhteluprosessin äärelliselementtimallinnus osoittaa, että 0,8 mm:n 316 vaippa siirtää noin 85 % muotin paineesta MgO:lle, kun taas 1,6 mm:n vaippa siirtää vain 65 % samanlaisissa huuhteluolosuhteissa. Alle 50 % kohdistetusta voimasta siirtyy 2,5 mm:n vaipan läpi, loput jäävät elastisena jännitysenergiana paksuun terässeinään tai vapautuvat lämpönä plastisen muodonmuutoksen aikana. Tällä erolla on suora vaikutus mahdolliseen MgO-tiheyteen.

Seinämän paksuuden ja MgO-tiheyden välinen kvantitatiivinen suhde
Kontrolloidut kokeet, joissa käytettiin samanlaisia ​​puristuslaitteita, suulakesarjoja ja vähennyssuhteita, osoittavat selvän käänteisen suhteen 316:n vaipan seinämän paksuuden ja lopullisen MgO-tiheyden välillä. Tyypilliset MgO-tiheydet, jotka saavutetaan 20 %:n (esim. . 12.0 mm - 9,6 mm:n ulkohalkaisijan) vähentämisessä, ovat seuraavat: Lopullinen MgO-tiheys 3,1-3,2 g/cm3 0,8 mm:n seinämän paksuudella ylittää merkittävästi vähimmäisstandardin. Seinämän paksuus on 1,2 mm, tiheys 2,9–3,0 g/cm 3 , mikä on edelleen hyväksyttävä useimpiin tarkoituksiin. Tiheys laskee arvoon 2,7–2,8 g/cm3, joka on sallitulla vähimmäistasolla tai sen alapuolella, seinämän paksuuden ollessa 1,6 mm. Seinäpaksuuden 2,0 mm materiaalin tiheys on 2,5–2,6 g/cm3, mikä ei riitä luotettavaan sähköeristykseen korkeissa lämpötiloissa. Alle 2,7 g/cm 3 MgO:ssa on toisiinsa yhdistetty huokoisuus, joka mahdollistaa kosteuden imeytymisen ja sähkövirran vuotokanavat. Eristysresistanssi 500 asteessa MgO:lla tiivistettynä arvoon 2,5 g/cm3 on usein 10-100 kertaa pienempi kuin MgO:lla tiivistettynä 3,1 g/cm3 . Dielektrinen lujuus (sähkökentän yläraja, jonka eristys voi kestää rikkoutumatta) laskee noin 15 kV/mm arvosta 1 g/mm arvolla 3,5 g/2 mm. g/cm³. Sähkökenttä MgO-kerroksen yli 240 V lämmittimessä, jonka vastuslangan halkaisija on 1,0 mm, on noin 2-3 kV/mm käyttöjännitteellä. Tämä antaa mukavan marginaalin korkealla MgO-tiheydellä, mutta on marginaalinen alhaisella tiheydellä, jossa pienet viat voivat johtaa dielektrisen hajoamiseen.

Paksu{0}}seinämäisten vaippien "dielektrisen eheyden" käytännön rajat
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) mekaanisia tai korroosiovaatimuksia varten. On olemassa kolme tuotantosäätöä, jotka voivat vähentää paksujen seinien voimanvaimennusta. Ensimmäinen ja tyypillisin toimenpide on nostaa hankausvähennyssuhde. 30%:n vähennys 12,0 mm:stä 8,4 mm:iin ulkohalkaisija siirtää vahvemmat säteittäiset jännitykset MgO:hen, jolloin saavutetaan ohuempien seinien kaltaiset tiheydet pienemmällä vähennyksellä 20 %:n vähennyksen sijaan. Rangaistus on lisääntynyt vastuslangan vaurioituminen ja vaipan suuremmat jäännösjännitykset. Toinen muutos on useiden hehkutuskulkujen käyttö väliaikaisella hehkutuksella. Vähennys 15 % ja sitten hehkutus vaipan jännitysten lieventämiseksi, jota seuraa toinen 15 % vähennys, voi saada aikaan korkean MgO-tiheyden paksuseinäisissä koteloissa ylittämättä 316-putken muovattavuusrajoja. Kolmas muutos on MgO-jauhemäärittelyn muuttaminen: Karkeat, kulmikkaat MgO-hiukkaset tiivistyvät helpommin kuin hienot, pallomaiset jauheet. Korkeatiheyksinen MgO-laatu, jolla on säädelty hiukkaskokojakautuma, voi lisätä lopullista tiheyttä 0,1–0,2 g/cm3 samoissa huuhteluolosuhteissa. Jokainen näistä säädöistä lisää valmistuskustannuksia. Mutta kustannukset ovat perusteltuja tilanteissa, joissa paksut seinät ovat välttämättömiä.

Seinän paksuuden ja MgO-tiheyden valintamatriisi luotettavaa dielektristä suorituskykyä varten
Seuraavassa taulukossa esitetään sopivat yhdistelmät 316 vaipan seinämäpaksuudesta ja valmistusvaatimuksista, jotta saavutetaan pienin hyväksyttävä MgO-tiheys 2,8 g/cm3 ja dielektrinen lujuus yli 10 kV/mm huoneenlämpötilassa.

Vaadittu huuhtelun seinämän paksuus 316 Suositeltu huuhtelukertojen määrä.
0,8 – 1,0 mm 15 – 20 % kertakäyttö 3,0 – 3,2 g/cm³ Vakiomenetelmä, edullinen
1,0 – 1,2 mm 18 – 22 % Yksi läpimeno 2,9 – 3,1 g/cm³ Vakiomenettely sopiva 1,2 – 1,4 mm 20 – 25 % Yksi tai kaksi valoa 2,8 – 3,0 g/cm³ Vahvista kaksoistestillä 1,4 – 1,6 mm 25 – 25 – 25 – 2 . g/cm³ Korkeatiheyksinen MgO-laatu vaaditaan
1,6 – 1,8 mm 28 – 32 % Kaksoisläpimitta tarvitaan 2,6 – 2,8 g/cm3 Marginaali, pätevyystestaus vaaditaan
1,8 – 2,0 mm 30 – 35 % Välihehkutus kaksoispäästö 2,5-2,7 g/cm³ Ei suositella jännitteille, jotka ovat yli 120 V > 2,0 mm Ei mahdollista Ei mahdollista Alle 2,5 g/cm³ Käytä pienempää halkaisijaa tai toista metalliseosta
Jokaisessa lämmittimessä, jonka käyttöjännite on yli 250 VAC, pienin sallittu MgO-tiheys on nostettava arvoon 3,0 g/cm3, mikä rajoittaa tehokkaasti 316 vaipan seinämän enimmäispaksuuden 1,2 mm:iin, ellei erityisiä huuhtelumenetelmiä sovelleta. Yli 600 VAC:n suurjännitesovelluksissa – usein joissakin teollisuus- ja kaivoslaitteissa – vaipan seinämän paksuus tulee pitää alle 1,0 mm:n, jotta se säilyttää hyväksyttävän dielektrisen lujuuden, tai lämmitin tulee rakentaa metallisuojalla, maadoitettuna ja erillään MgO-eristyksestä.

Tuotannon laadunvarmistuksen testaus- ja validointimenetelmät
Pelkästään teoreettisiin suhteisiin ei luoteta hankauslaitteiden, käyttäjän tekniikan ja sisääntulevien letkujen toleranssien aiheuttaman vaihtelun vuoksi. Jos määritetään lämmittimiä, joiden seinämän paksuus on yli 1,4 mm, insinöörien tulee vaatia valmistajaa mittaamaan MgO-tiheysmittauksia tuotantonäytteistä. Tämä tehdään yleensä leikkaamalla osa lämmittimestä ja mittaamalla puristetun jauheen massa ja tilavuus. Vähimmäistiheys on mainittava laatuvaatimuksena 2,8 g/cm3 eikä tavoitteena. Valmiiden lämmittimien dielektrinen lujuus tulee myös testata. Tavallinen testi on 1 500 VAC plus kaksinkertainen käyttöjännite, joka kohdistetaan yhden minuutin aikana vastuslangan ja vaipan väliin. Tämä on 1,500 + 480=1,980 VAC 240 V:n lämmittimelle. Paksuseinäiset vaipat, joiden MgO-tiheys on pieni, läpäisevät tämän testin yleensä ympäristön lämpötilassa, mutta eivät käyttölämpötilaan kuumennettaessa, koska MgO:n dielektrinen lujuus pienenee lämpötilan myötä. Paras validointi saadaan siis kysymällä kuumaeristysvastustestejä 500 asteessa. Teollisten lämmittimien kuumaeristysvastus on yleensä vähintään 1 megaohmi, vaikka 10 megaohmia on toivottava käyttöiän pidentämiseksi. Dielektrisen läpilyönnin kentän viat ovat kalliita ja usein vaarallisia. Lisäkustannukset, jotka aiheutuvat ohuemman vaipan määrittämisestä tai voimakkaammasta puristamisesta MgO-tiheyden saavuttamiseksi, ovat vähäiset verrattuna takuuvaatimuksen kustannuksiin tai, mikä pahempaa, sähköiskun esiintymiseen.