316 Paslanmaz Çelik Kılıf Et Kalınlığı Elektrikli Isıtma Elemanlarında Dövme Sonrası Magnezyum Oksit Yalıtımı Dielektrik Dayanımına Nasıl Etki Eder?

Kaliteli mühendisler ve ısıtma elemanı üreticileri için kılıf duvar kalınlığı ile elektrik yalıtım performansı arasındaki ilişki her zaman belirgin değildir. Direnç telinin etrafındaki magnezyum oksit tozu, oda sıcaklığında 100 megohm'un üzerinde bir yalıtım direnci sağlamak üzere yüksek termal iletkenlik ve yüksek dielektrik mukavemeti-tipik olarak 2,8 g/cm³'nin üzerinde bir yoğunluğa sıkıştırılır. MgO'yu sıkıştırmanın temel mekanizması, 316 paslanmaz çelik kılıfın dış çapını azaltan dövme işlemidir. Ancak kılıf duvarından MgO'ya uygulanan radyal basınç duvarın kalınlığına bağlıdır. Daha kalın duvarlar, dövme kuvvetinin daha fazlasını emer. MgO yetersiz sıkıştırılmış olabilir. Daha ince duvarlar daha fazla kuvvet iletir ancak direnç telinin çökmesine veya hasar görmesine neden olur. Bu makale, 316 kılıf duvar kalınlığının olası MgO yoğunluğu ve dielektrik dayanımı üzerindeki etkisini analiz etmektedir. Mekanik bütünlük ile elektriksel performansı dengeleyen minimum duvar kalınlığının belirlenmesi için bir temel sağlar.

Kılıf Değiştirme Sırasında MgO'nun Basınç Davranışı
Bir ısıtıcının imalatında, 316 paslanmaz çelikten yapılmış bir tüp, gevşek bir MgO tozu karışımı ve merkezi olarak yerleştirilmiş bir direnç teli ile doldurulur. Daha sonra düzenek, eğirme kalıplarının boruyu radyal olarak içe doğru çekiçlediği ve dış çapı %10-30 oranında azalttığı bir dövme makinesinden geçirilir. Bu işlem, MgO tozunu ~1,5 –1,8 g/cm3'lük başlangıç ​​kütle yoğunluğundan 2,8 –3,2 g/cm3'lük nihai yoğunluğa kadar yoğunlaştırır. Dövme kalıplarından gelen net radyal kuvvet, 316 kılıf duvarının elastik ve plastik deformasyonunda kullanılan kuvvet çıkarıldıktan sonra, MgO'ya iletilen sıkıştırma basıncıdır. Belirli bir dövme azaltımı ve kalıp kuvveti için, daha ince bir kılıf duvarı, daha az genel deformasyon işi yapılmasına ve uygulanan kuvvetin daha yüksek bir yüzdesinin MgO'ya aktarılmasına neden olur. Dövme işleminin sonlu eleman modellemesi, 0,8 mm 316'lık bir kılıfın kalıp basıncının yaklaşık %85'ini MgO'ya aktardığını, 1,6 mm'lik bir kılıfın ise eşit dövme koşulları altında yalnızca %65'ini aktardığını göstermektedir. Uygulanan kuvvetin %50'den azı 2,5 mm'lik kılıftan iletilir, geri kalanı kalın çelik duvarda elastik gerinim enerjisi olarak tutulur veya plastik deformasyon sırasında ısı olarak salınır. Bu farkın olası MgO yoğunluğu üzerinde doğrudan etkisi vardır.

Duvar kalınlığı ile MgO yoğunluğu arasındaki niceliksel ilişki
Benzer dövme ekipmanı, kalıp setleri ve indirgeme oranlarının kullanıldığı kontrollü denemeler, 316 kılıf duvar kalınlığı ile nihai MgO yoğunluğu arasında kesin bir ters ilişki olduğunu göstermektedir. %20'lik bir hedef dövme azaltımı için elde edilen tipik MgO yoğunlukları (örneğin, . 12.0 mm'den 9,6 mm dış çapa kadar): 0,8 mm et kalınlığı ile 3,1-3,2 g/cm3'lük nihai MgO yoğunluğu, minimum standardı önemli ölçüde aşmaktadır. Duvar kalınlığı 1,2 mm, yoğunluk ise 2,9–3,0 g/cm3 olup çoğu amaç için hala kabul edilebilir düzeydedir. 1,6 mm et kalınlığı ile yoğunluk izin verilen minimum seviyede veya bunun altında olan 2,7–2,8 g/cm3'e düşer. 2,0 mm et kalınlığına sahip malzemenin yoğunluğu 2,5–2,6 g/cm3'tür, bu da yüksek sıcaklıklarda güvenilir elektrik yalıtımı için yeterli değildir. 2,7 g/cm3'ün altındaki MgO, elektrik akımı için nem emilimini ve sızıntı kanallarını mümkün kılan birbirine bağlı gözenekliliğe sahiptir. 2,5 g/cm3'e sıkıştırılmış MgO'nun 500 derecede yalıtım direnci genellikle 3,1 g/cm3'e sıkıştırılmış MgO'nunkinden 10 ila 100 kat daha düşüktür3 . Dielektrik mukavemeti (yalıtımın bozulmadan dayanabileceği elektrik alanının üst sınırı) 3,1 g/cm3'te yaklaşık 15 kV/mm'den 2,5 g/cm3'te 5 kV/mm'ye düşer. Direnç teli çapı 1,0 mm olan 240 V'luk bir ısıtıcının MgO tabakası üzerindeki elektrik alanı çalışma voltajında ​​yaklaşık 2-3 kV/mm'dir. Bu, yüksek MgO yoğunluğunda rahat bir marj sağlar ancak küçük hataların dielektrik bozulmaya yol açabileceği düşük yoğunlukta marjinaldir.

Kalın-Duvarlı Kılıfların "Dielektrik Bütünlüğünün" Pratik Sınırları
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>1,6 mm) mekanik veya korozyon gereksinimleri için. Kalın duvarların kuvvet emilimini azaltabilecek üç üretim ayarı vardır. İlk ve en tipik prosedür, dövme azaltma oranının %. 30 azaltılmasını 12,0 mm'den 8,4 mm'ye çıkarmaktır; dış çap, MgO'ya daha güçlü radyal gerilimler iletir ve %20 azaltma yerine daha düşük azaltmada daha ince duvarlara benzer yoğunluklar elde eder. Bunun cezası, direnç telinin hasar görme ihtimalinin artması ve kılıfta daha yüksek gerilim kalmasıdır. İkinci değişiklik, ara tavlama ile birden fazla dövme geçişinin kullanılmasıdır. Kılıf gerilimlerini azaltmak için %15'lik bir azalma, ardından tavlama ve ardından ikinci bir %15'lik azaltma, 316 borunun şekillendirilebilirlik sınırlarını aşmadan kalın duvarlı kılıflarda yüksek MgO yoğunluğu sağlayabilir. Üçüncü değişiklik, MgO tozu spesifikasyonunun değiştirilmesidir: İri, köşeli MgO parçacıkları, ince, küresel tozlardan daha kolay sıkıştırılır. Düzenlenmiş parçacık boyutu dağılımına sahip yüksek yoğunluklu bir MgO kalitesi, aynı dövme koşulları için nihai yoğunluğu 0,1–0,2 g/cm3 kadar artırabilir. Bu ayarlamaların her biri üretim maliyetine katkıda bulunur. Ancak kalın duvarların zorunlu olduğu durumlar için maliyet haklıdır.

Güvenilir Dielektrik Performansı için Duvar Kalınlığı ve MgO Yoğunluğunun Seçim Matrisi
Aşağıdaki tablo, oda sıcaklığında 2,8 g/cm3 minimum kabul edilebilir MgO yoğunluğu ve 10 kV/mm üzerinde dielektrik mukavemeti elde etmek için 316 kılıf duvar kalınlığı ve üretim gereksinimlerinin uygun kombinasyonlarını göstermektedir.

Gerekli Dövme Et Kalınlığı 316 Önerilen Dövme Azaltma Önerilen Dövme Geçiş Sayısı Ulaşılabilir MgO Yoğunluğu Özel Hususlar
0,8 – 1,0 mm %15 – 20 Tek geçişli 3,0 – 3,2 g/cm³ Standart yöntem, düşük maliyetli
1,0 – 1,2 mm 18 – 22% Tek geçiş 2,9 – 3,1 g/cm³ Standart prosedür uygundur 1,2 – 1,4 mm 20 – 25% Tek veya çift ışık geçişi 2,8 – 3,0 g/cm³ Numune testiyle onaylayın 1,4 – 1,6 mm %25 – 30 Çift geçiş önerilir 2,7 – 2,9 g/cm³ Yüksek yoğunluklu MgO kalitesi gerekli
1,6 – 1,8 mm %28 – 32 Çift geçiş gerekli 2,6 – 2,8 g/cm3 Marjinal, yeterlilik testi gerekli
1,8 – 2,0 mm 30 – 35% Ara tavlama çift geçişli 2,5-2,7 g/cm³ 120V > 2,0 mm'nin üzerindeki gerilimler için önerilmez Mümkün değil Mümkün değil 2,5 g/cm³'nin altında Daha küçük bir çap veya farklı bir alaşım kullanın
Çalışma voltajı 250 VAC'den yüksek olan herhangi bir ısıtıcı için, izin verilen minimum MgO yoğunluğu 3,0 g/cm3'e yükseltilmelidir; bu, özel dövme prosedürleri uygulanmadığı sürece maksimum 316 kılıf duvar kalınlığını etkili bir şekilde 1,2 mm ile sınırlandırır. Genellikle bazı endüstriyel ve madencilik ekipmanlarında görülen 600 VAC'nin üzerindeki yüksek voltaj uygulamalarında, kabul edilebilir dielektrik dayanımını korumak için kılıf duvar kalınlığı 1,0 mm'nin altında tutulmalı veya ısıtıcı, metal bir kalkanla, topraklanmış ve MgO yalıtımından ayrı olarak yapılmalıdır.

Üretim Kalitesi Güvencesinin Test Edilmesi ve Doğrulanması için Yöntemler
Dövme ekipmanı, operatör tekniği ve gelen boru toleranslarının getirdiği farklılıklar nedeniyle tek başına teorik ilişkilere güvenilmez. Duvar kalınlığı 1,4 mm'den büyük olan ısıtıcıların belirtilmesi durumunda mühendisler, imalatçıdan üretim numunelerinden MgO yoğunluğunun ölçümlerini vermesini talep etmelidir. Bu genellikle ısıtıcının bir kısmını keserek ve sıkıştırılmış tozun kütlesini ve hacmini ölçerek yapılır. Minimum yoğunluk, bir hedef olarak değil, 2,8 g/cm3 kalite gereksinimi olarak belirtilmelidir. Bitmiş ısıtıcılar aynı zamanda dielektrik dayanım açısından da test edilmelidir. Olağan test, 1.500 VAC artı direnç teli ile kılıf arasına bir dakika boyunca uygulanan çalışma voltajının iki katıdır. Bu, 240 V'luk bir ısıtıcı için 1,500 + 480=1,980 VAC'dir. Marjinal MgO yoğunluğuna sahip kalın duvarlı kılıflar genellikle bu testi ortam sıcaklığında geçer, ancak MgO'nun dielektrik mukavemeti sıcaklıkla birlikte azaldığı için çalışma sıcaklığına ısıtıldığında geçemez. Bu nedenle en iyi doğrulama, 500 derecede sıcak yalıtım direnci testleri istenerek elde edilir. Endüstriyel ısıtıcıların sıcak yalıtım direnci normalde 1 megaohm'dan az değildir, ancak daha uzun ömür için 10 megaohm arzu edilir. Dielektrik arıza alanı arızaları pahalıdır ve çoğu zaman tehlikelidir. MgO yoğunluğunu elde etmek için daha ince bir kılıf veya daha güçlü bir dövme belirlemenin ek masrafı, bir garanti talebinin maliyeti veya daha kötüsü bir elektrik çarpması olayıyla karşılaştırıldığında çok küçüktür.