Hoe beïnvloedt de wanddikte van de 316 roestvrijstalen mantel de thermische uitzetting-geïnduceerde spanning op het MgO-grensvlak tijdens herhaalde verwarmingscycli van 20 tot 400 graden Celsius?

De verbinding tussen de 316 roestvrijstalen omhulling en de magnesiumoxide-isolatie is een belangrijk maar vaak verwaarloosd faalpunt voor ontwerpingenieurs die de duurzaamheid op lange- termijn evalueren van elektrische verwarmingselementen die werken bij cyclisch hoog- gebruik. De 316-mantel zet bij elke verwarmingscyclus meer uit dan het MgO, aangezien de thermische uitzettingscoëfficiënt van 316 (ongeveer 17 x 10 -6 / graad) ongeveer twee keer zo groot is als die van gecomprimeerd MgO (ongeveer 9 x 10 -6 / graad). Deze differentiële uitzetting leidt tot schuifspanningen op het MgO-grensvlak van de schede. Gedurende duizenden cycli kan deze druk onthechting, spleetvorming en uiteindelijke oververhitting van de weerstandsdraad veroorzaken. Deze grensvlakspanningen zijn rechtstreeks afhankelijk van de wanddikte van de mantel, aangezien de dikkere wand de uitzetting op een andere manier beperkt dan de dunne wand. In deze studie wordt de correlatie tussen de wanddikte van de mantel en de door thermische uitzetting veroorzaakte grensvlakspanning gekwantificeerd om selectiesuggesties te geven voor toepassingen met een hoge cyclus.

De schede-MgO-interface: mechanica van differentiële thermische uitzetting
Wanneer de verwarmer is gebouwd, wordt de MgO-isolatie tegen het binnenoppervlak van de 316-mantel verdicht door de intense druk van het stuiken. Het resultaat is een strakke perspassing met resterende drukspanning op het grensvlak. Beide materialen zetten uit met de warmte van de verwarming. De 316-mantel probeert naar buiten uit te zetten in de radiale en omtreksrichtingen. Het MgO heeft de lagere uitzettingscoëfficiënt en is bestand tegen deze uitzetting. Dit resulteert in een vermindering van de grensvlakdrukspanning, of bij voldoende hoge temperaturen, een omschakeling naar trekspanning en spleetontwikkeling. De kritische temperatuur voor grensvlakscheiding hangt af van de initiële restspanning veroorzaakt door stuiken en de stijfheid van de mantelwand. De radiale stijfheid neemt toe met de wanddikte van de mantel, wat betekent dat deze krachtiger weerstand biedt aan uitzetting en grensvlakcontact handhaaft bij hogere temperaturen. Aan de andere kant is een dun-omhulsel soepeler en kan er bij lagere temperaturen openingen ontstaan. Wanneer er echter een opening ontstaat, ondervindt de dunwandige voering grotere lokale buigspanningen als gevolg van het doorbuigen van de niet-ondersteunde wand onder interne druk of thermische gradiënten.

Kwantitatieve correlatie van grensvlakspanningsretentie en wanddikte
Eindige-elementenstudie van een 316-omhulsel met een buitendiameter van 10 mm gevuld met MgO gecomprimeerd tot 3,0 g/cm3 levert kwantitatieve schattingen op van grensvlakspanning als functie van wanddikte en temperatuur. De grensvlakdrukspanning na smeden bij kamertemperatuur bedraagt ​​ongeveer 30 MPa voor een wanddikte van 1,0 mm, 45 MPa voor een wand van 1,5 mm en 60 MPa voor een wand van 2,0 mm. De dikkere omhulling houdt meer restcompressie vast, omdat het stuikproces grotere spanningen op het MgO uitoefent voordat de omhulling plastisch meegeeft. De grensvlakspanning neemt lineair af met de temperatuurstijging als gevolg van differentiële uitzetting. De onthechtingstemperatuur, wanneer de grensvlakspanning nul is, bedraagt ​​ongeveer 280 graden voor de wand van 1,0 mm, 340 graden voor de wand van 1,5 mm en 380 graden voor de wand van 2,0 mm. Na het onthechten vertoont de 1,0 mm huls een grensvlaktrekspanning van ~ 5 MPa, terwijl de 2,0 mm huls gedurende de hele cyclus onder compressie blijft voor de maximale temperatuurverwarmer van 400 graden. De verbinding tussen omhulsel en MgO gaat verloren wanneer het grensvlak trek krijgt. Dit resulteert in kleine openingen die bijdragen aan de thermische weerstand van de weerstandsdraad naar de mantel. Het MgO in het spleetgebied is niet langer een goede thermische geleider en er kan zich een plaatselijke hotspot ontwikkelen die de oxidatie van de draad zou kunnen versnellen.

Cyclische vermoeidheid van de interface en verslechtering van de verwarming
Bij cyclisch gebruik veroorzaakt de herhaalde verandering van de grensvlakspanning van druk- naar trekspanning of van samengedrukt naar onthechting cumulatieve schade aan het omhulsel-MgO-contact. Voor een wandmantel van 1,0 mm die tussen 20 graden en 400 graden werkt, ziet de interface een temperatuurvariatie van ongeveer 300 graden. Elke cyclus gaat van hoge compressie bij omgevingstemperatuur tot nulspanning bij 280 graden en spanning bij 400 graden. Deze cyclische omkering van spanning kan wrijvingsslijtage aan het grensvlak bevorderen, waardoor MgO-poeder ontstaat dat thermisch contact verder beperkt. Na 1000 cycli kan de thermische weerstand op het grensvlak met 20-40% toenemen, waardoor hogere draadtemperaturen nodig zijn om de warmteafgifte constant te houden. Voor een wandmantel van 2,0 mm, over hetzelfde temperatuurbereik, staat het grensvlak bij alle temperaturen onder druk. De spanning varieert van 60 MPa compressie bij omgevingstemperatuur tot ongeveer 10 MPa compressie bij 400 graden – altijd positieve contactdruk. Geen fret- of kloofvorming. Experimenteel testen van 316 verwarmingselementen met mantel, onderworpen aan 5.000 cycli van 20 graden tot 400 graden, toont aan dat wandmantels van 1,0 mm een ​​toename van 35% in thermische weerstand en 15% reductie in isolatieweerstand hebben. Dezelfde test op 2,0 mm wandmantels toonde minder dan 5% variatie in beide parameters.

Aanbevelingen voor wanddikte voor toepassingen met hoge cycli en hoge temperaturen
De volgende tabel geeft de aanbevolen wanddiktes van 316 mantels voor een gegeven maximale bedrijfstemperatuur en aantal voorspelde thermische cycli. Er wordt uitgegaan van een conventionele swage-procedure en geen post-swage-gloeien. Waarden gaan uit van een beoogde levensduur zonder substantieel verlies aan thermische prestatie.

Maximale manteltemperatuur verwachte thermische cycli tijdens levensduur Aanbevolen minimale wanddikte 316 Grensvlakconditie bij maximale temperatuur Verwachte thermische weerstand stijgt na omhoog fietsen
Tot 250 graden C0,8 – 1,0 mm Willekeurig aantal Blijft drukvast < 5% 250 – 300 graden< 1,000 1.0 – 1.2 mm Close to zero or mildly tensile 5 – 10% 250 – 300°C 1,000 – 5,000 1.2 – 1.5 mm Compressive with margin< 5% < 300°C < 350°C < 500 1.2 – 1.4 mm Slightly tensile on peak 10 – 15%
300 – 350 graden 500 – 2,000 1.5 – 1,8 mm Blijft drukvast < 5% 350 – 400 graden < 500 1.6 – 2,0 mm Enigszins trekvast bij piek 10 – 20%
350 – 400 graden 500 – 2,000 2.0 – 2,5 mm Blijft drukvast<5%
>400 graden Willekeurig aantal Niet aanbevolen bij MgO Gatvorming waarschijnlijk onvoorspelbaar
Voor toepassingen die zowel een hoge maximumtemperatuur als een groot aantal cycli vereisen, zoals sterilisatieapparatuur of thermische cyclusovens, wordt ten zeerste aangeraden een 316-mantel van 2,0 mm of dikker te kiezen. We moeten gewoon de hitteschade die inherent is aan de dikke muur, zoals opgemerkt in eerdere artikelen, accepteren als de prijs van grensvlakintegriteit op de lange termijn. Als alternatief kunnen ingenieurs een post-swage-gloeiproces specificeren dat de restspanningen vermindert, maar ook de initiële grensvlakcompressie vermindert. Het grensvlakspanningsbehoud is identiek voor een gegloeide mantel van 1,6 mm en een niet-gegloeide mantel van 1,2 mm. Het hangt ervan af of de toepassing meer gericht is op het thermische rendement of op de duurzaamheid van de cyclus.

Ontwerpbenaderingen om grensvlakspanning in dunne- omhulsels te verminderen
Voor toepassingen die een dunwandige mantel van minder dan 1,2 mm vereisen vanwege de thermische respons, maar inclusief thermische cycli bij hoge temperaturen, zijn er drie ontwerpoplossingen die kunnen worden gevolgd om het losraken van het grensvlak te verminderen. De eerste is het aanbrengen van een kleine laag vet of pasta met een sterke thermische geleidbaarheid op het omhulsel-MgO-grensvlak tijdens de montage. Siliconenvetten gevuld met boornitride behouden bijvoorbeeld hun flexibiliteit tijdens temperatuurwisselingen en vullen eventuele gaten op, waardoor thermisch contact behouden blijft. De tweede techniek is om de verwarming op een minimale standby-temperatuur te laten draaien in plaats van tussen de cycli af te koelen tot de omgevingstemperatuur. Als de verwarmer van 150°C naar 400°C schakelt in plaats van van 20°C naar 400°C, wordt de grensvlakspanningsvariatie met ongeveer 50% verminderd. De derde benadering is het definiëren van een mantel met een kleinere buitendiameter en dezelfde wanddikte. De radiale stijfheid is evenredig met de vierde macht van de diameter. Een mantel met een buitendiameter van 6 mm en een wand van 1,0 mm heeft dus een grotere radiale stijfheid dan een mantel met een buitendiameter van 10 mm en een wand van 1,0 mm. De ontwerper kan de diameter verkleinen om te profiteren van de voordelen van een dunne wand voor thermische respons en toch contact te hebben met hogere temperaturen. Wanneer dunne wanden worden gespecificeerd voor cyclisch gebruik bij hoge- temperaturen, moeten ingenieurs de fabrikanten van verwarmingselementen om grensvlakspanningsberekeningen vragen. De analyse is een functie van de reductieverhouding van de swage, de MgO-verdichtingsdichtheid en het voorspelde temperatuurprofiel. Als u deze analyse niet van een fabrikant kunt krijgen, is het twijfelachtig of hij een betrouwbare verwarming produceert voor veeleisende cyclische toepassingen.