Kako debljina stijenke omotača od nehrđajućeg čelika 316 utječe na dielektričnu čvrstoću izolacije od magnezijum oksida nakon nabijanja u električnim grijaćim elementima?

Za kvalitetne inženjere i proizvođače grijaćih elemenata, odnos između debljine stijenke plašta i performansi električne izolacije nije uvijek očigledan. Magnezijum oksid u prahu oko otporne žice je komprimovan do gustine koja daje visoku toplotnu provodljivost i visoku dielektričnu čvrstoću-obično iznad 2,8 g/cm³ da bi se dobio izolacioni otpor veći od 100 megoma na sobnoj temperaturi. Glavni mehanizam za sabijanje MgO je proces savijanja koji smanjuje vanjski promjer omotača od nehrđajućeg čelika 316. Ali radijalni pritisak koji se vrši kroz zid omotača na MgO zavisi od debljine zida. Deblji zidovi apsorbuju više sile zatezanja. MgO može biti nedovoljno sabijen. Tanji zidovi prenose veću silu, ali rizikuju urušavanje ili oštećenje otporne žice. Ovaj rad analizira utjecaj debljine stijenke omotača 316 na moguću gustoću MgO i dielektričnu čvrstoću. On pruža osnovu za određivanje minimalne debljine zida koja balansira između mehaničkog integriteta i električnih performansi.

Kompresivno ponašanje MgO tokom nabijanja omotača
U proizvodnji grijača, cijev od nehrđajućeg čelika 316 se puni labavom mješavinom praha MgO i centralno smještene otporne žice. Sklop se zatim prolazi kroz mašinu za nabijanje u kojoj centrifuge za predenje zabijaju cijev radijalno prema unutra i smanjuju vanjski promjer za 10-30%. Ovaj proces zgušnjava MgO prah od početne zapreminske gustine od ~1,5 –1,8 g/cm3 do konačne gustine od 2,8 –3,2 g/cm3. Neto radijalna sila iz kalupa za nabijanje, nakon oduzimanja sile koja se koristi u elastičnoj i plastičnoj deformaciji stijenke omotača 316, je tlak zbijanja koji se isporučuje na MgO. Za određeno smanjenje savijanja i silu matrice, tanji zid omotača rezultira manjim ukupnim radom deformacije i veći postotak primijenjene sile se prenosi na MgO. Modeliranje procesa klizanja konačnim elementima pokazuje da omotač od 0,8 mm 316 prenosi oko 85% pritiska matrice na MgO, dok omotač od 1,6 mm prenosi samo 65% pod jednakim uvjetima htjenja. Manje od 50% primijenjene sile prenosi se kroz omotač od 2,5 mm, a ostatak se zadržava kao energija elastične deformacije u debelom čeličnom zidu ili se oslobađa kao toplina tijekom plastične deformacije. Ova razlika ima direktan uticaj na moguću gustinu MgO.

Kvantitativni odnos između debljine zida i gustine MgO
Kontrolisana ispitivanja koja koriste sličnu opremu za nabijanje, setove kalupa i omjere redukcije pokazuju definitivan inverzni odnos između debljine stijenke omotača 316 i konačne gustine MgO. Tipične gustine MgO koje se postižu za ciljno smanjenje savijanja od 20% (npr. . 12.0 mm do 9,6 mm spoljašnjeg prečnika) su: Konačna gustina MgO od 3,1-3,2 g/cm3 sa debljinom zida od 0,8 mm značajno premašuje minimalni standard. Debljina stijenke je 1,2 mm, gustina 2,9–3,0 g/cm 3 , što je još uvijek prihvatljivo za većinu namjena. Gustina se smanjuje na 2,7–2,8 g/cm3, što je na minimalno dozvoljenom nivou ili ispod njega, sa debljinom stijenke od 1,6 mm. Gustoća materijala sa debljinom stijenke 2,0 mm je 2,5–2,6 g/cm3, što nije dovoljno za pouzdanu električnu izolaciju na povišenim temperaturama. Sa manje od 2,7 g/cm 3 , MgO ima međusobno povezanu poroznost koja omogućava apsorpciju vlage i kanale za curenje električne struje. Otpor izolacije na 500 stepeni MgO sabijenog na 2,5 g/cm3 je često 10 do 100 puta niži od otpora MgO sabijenog na 3,1 g/cm3 . Dielektrična čvrstoća (gornja granica električnog polja koje izolacija može da izdrži bez sloma) smanjuje se sa/mm na oko 15 kV k³ mm na 15 kV kV mm. na 2,5 g/cm³. Električno polje iznad sloja MgO grijača od 240 V sa otpornom žicom prečnika 1,0 mm iznosi približno 2-3 kV/mm pri radnom naponu. Ovo daje ugodnu marginu pri visokoj gustini MgO, ali je marginalno pri niskoj gustoći gdje mali kvarovi mogu dovesti do proboja dielektrika.

Praktične granice "dielektričnog integriteta" omota-sa debelim zidovima
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) za mehaničke ili korozivne zahtjeve. Postoje tri podešavanja proizvodnje koja mogu ublažiti apsorpciju sile debelih zidova. Prvi i najtipičniji postupak je povećanje omjera smanjenja savijanja. 30% smanjenja sa 12,0 mm na 8,4 mm vanjskog promjera prenosi jači radijalni napon na MgO, postižući gustoće slične tanjim zidovima pri nižoj redukciji, umjesto smanjenja od 20%. Kazna je povećana mogućnost oštećenja otporne žice i veće preostale napetosti u omotaču. Druga promjena je korištenje nekoliko prolaza za ispiranje s privremenim žarenjem. Smanjenje od 15% nakon žarenja radi ublažavanja naprezanja u omotaču, praćeno drugim smanjenjem od 15%, može osigurati visoku gustinu MgO u omotaču s debelim-stinama bez prekoračenja granica formabilnosti 316 cijevi. Treća promjena je modifikacija specifikacije praha MgO: grube, ugaone čestice MgO lakše se sabijaju od finih, sferičnih prahova. Kvalitet MgO visoke gustine sa regulisanom distribucijom veličine čestica može povećati konačnu gustinu za 0,1–0,2 g/cm3 za iste uslove pražnjenja. Svako od ovih prilagođavanja povećava troškove proizvodnje. Ali trošak je opravdan za situacije u kojima su debeli zidovi neophodni.

Izbor matrice debljine zida i gustine MgO za pouzdane dielektrične performanse
Sljedeća tabela prikazuje odgovarajuće kombinacije debljine stijenke omotača 316 i proizvodnih zahtjeva za postizanje minimalne prihvatljive gustine MgO od 2,8 g/cm 3 i dielektrične čvrstoće preko 10 kV/mm na sobnoj temperaturi.

Potrebna debljina stijenke za nabijanje 316 Preporučeno smanjenje zatiskanja Preporučeni broj prolaza za ispiranje Dostižna gustina MgO Posebna razmatranja
0,8 – 1,0 mm 15 – 20% Jednostruki prolaz 3,0 – 3,2 g/cm³ Standardna metoda, niska cijena
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% Jedan prolaz 2,9 – 3,1 g/cm³ Standardna procedura pogodna 1,2 – 1,4 mm 20 – 25% Jednostruki ili dvostruki svjetlosni prolaz 2,8 – 3,0 g/cm³ Potvrdite ispitivanjem uzorka 1,4 – 1,6 mm – preporučuje se dvostruki prolaz 1,4 – 1,6 mm 0,2 % 27. g/cm³ Potreban stepen MgO visoke gustine
1,6 – 1,8 mm 28 – 32% Potreban dupli prolaz 2,6 – 2,8 g/cm3 Granica, potrebno kvalifikaciono testiranje
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Dvostruki prolaz srednjeg žarenja 2,5-2,7 g/cm³Ne preporučuje se za napone veće od 120V > 2,0 mm Nije moguće Nije moguće Ispod 2,5 g/cm³ Koristite manji prečnik ili drugu leguru
Za bilo koji grijač sa radnim naponom većim od 250 VAC, minimalna dozvoljena gustina MgO bi trebala biti povećana na 3,0 g/cm3 što efektivno ograničava maksimalnu debljinu stijenke omotača 316 na 1,2 mm, osim ako se ne primjenjuju posebne procedure za nabijanje. U visokonaponskim aplikacijama iznad 600 VAC – što se često može vidjeti u nekoj industrijskoj i rudarskoj opremi – debljina stijenke omotača treba držati ispod 1,0 mm kako bi se održala prihvatljiva dielektrična čvrstoća ili grijač treba biti izrađen sa metalnim štitom, uzemljen i odvojen od MgO izolacije.

Metode za ispitivanje i validaciju osiguranja kvaliteta proizvodnje
Ne oslanjaju se samo na teorijske odnose zbog varijacija koje unose oprema za nabijanje, tehnika rukovaoca i tolerancije ulaznih cijevi. Ako specificiraju grijače sa debljinom stijenke većom od 1,4 mm, inženjeri bi trebali zahtijevati od proizvođača da da mjerenja gustine MgO iz proizvodnih uzoraka. To se obično radi rezanjem dijela grijača i mjerenjem mase i zapremine zbijenog praha. Minimalna gustina treba navesti kao uslov kvaliteta od 2,8 g/cm3, a ne kao cilj. Gotove grijače također treba ispitati na dielektričnu čvrstoću. Uobičajeni test je 1500 VAC plus dvostruki radni napon primijenjen u toku jedne minute između otporne žice i omotača. To je 1,500 + 480=1,980 VAC za grijač od 240 V. Plašći-debelih zidova sa graničnom gustinom MgO generalno prolaze ovaj test na sobnoj temperaturi, ali ne kada se zagreju na radnu temperaturu jer se dielektrična čvrstoća MgO smanjuje sa temperaturom. Najbolja validacija se na taj način postiže ispitivanjem otpornosti toplotne izolacije na 500 stepeni. Otpor toplotne izolacije industrijskih grijača obično nije manji od 1 megohma, iako je 10 megohma poželjno za produženi vijek trajanja. Kvarovi polja dielektričnog kvara su skupi i često opasni. Dodatni trošak specificiranja tanjeg omotača, ili snažnijeg savijanja, kako bi se postigla gustina MgO je mali u poređenju sa cijenom zahtjeva za garanciju ili još gore, sa električnim udarom.