Термичен цикъл, прецизна инсталация и издръжливост на патронни нагреватели Incoloy600

Термичен цикъл, прецизна инсталация и издръжливост на патронни нагреватели Incoloy600

Патронният нагревател на машината за запечатване на опаковки се включва и изключва десет пъти в минута или 600 пъти на час или почти 15 000 пъти по време на 24-часова смяна. Нагревателят на варел за леене под налягане може да работи без прекъсване с дни без нито един цикъл на захранване. Опитът показва, че дори когато и двете използват идентични нагреватели на патрони Incoloy600 и получават еднакви общи часове на работа, опаковъчната машина ще премине през нагреватели няколко пъти по-бързо от формовъчния варел. Нагревателят не е дефектен по този начин. Това е физика на термичния цикъл.


Нагревател с касета с една глава претърпява няколко физически промени всеки път, когато се премести от стайна температура към работна температура и обратно. При нагряване съпротивителният проводник от никел-хром, изолацията от магнезиев оксид и обвивката от Incoloy600 се разширяват с различна скорост. Обвивката расте навън, съпротивителният проводник се удължава и MgO изпитва лека компресия. Всичко се свива, когато нагревателят изстине. Всеки интерфейс в нагревателя е подложен на механично напрежение по време на всеки цикъл.

Има значителен кумулативен ефект. Вътрешното напрежение, причинено от всеки термичен цикъл, е равно на 30 до 60 минути работа при постоянна температура. В допълнение към реалното си време на работа, нагревател, който работи 100 пъти на ден, издържа допълнителни 50–100 еквивалентни часа на износване. Това означава, че нагревател, който трябва да издържи години, може да се наложи да се сменя на всеки няколко месеца с високо-скоростен уплътнител за опаковане.

Друго явление, свързано с цикличността, е окислението. Новите метални повърхности са изложени на кислород при всяко нагряване на нагревателя. В продължение на стотици или хиляди цикли това натрупано окисление постепенно разяжда съпротивителния проводник, намалявайки площта на напречното-сечение и повишавайки електрическото му съпротивление. Вътрешният проводник в крайна сметка ще се влоши въпреки защитата на обвивката от incoloy600 срещу външно окисление.

Способността на нагревателя да понася термични цикли до голяма степен зависи от качеството на неговото производство. Тръбата incoloy600 е пълна с прах от магнезиев оксид с висока-чистота, след като съпротивителната жица е навита около дорник по време на производството. След това MgO се компресира в твърда, плътна маса, която оптимизира топлопроводимостта и електрическата изолация чрез прилагане на екстремен натиск върху тръбата, техника, известна като щамповане или уплътняване с щипка. MgO има кухини поради лошо уплътняване. Тези пространства могат да се движат или разширяват по време на топлинен цикъл, което води до горещи точки, където съпротивителният проводник прегрява и изгаря. Ако MgO не е достатъчно уплътнен, дори електрически тръбен нагревател Incoloy600 с една глава ще се повреди преждевременно.

Прецизността при монтажа е също толкова важна, особено при циклични приложения. Ефективността на преноса на топлина извън обвивката зависи от това колко добре нагревателят пасва в обработения отвор. Изолираща въздушна междина се получава чрез хлабина. Всички видове термична деградация се ускоряват от реакцията на нагревателя, която е да работи по-горещо, за да достигне същата зададена температура. Предложеният диаметър на отвора за електрически тръбен нагревател Incoloy600 с единична глава при циклично приложение трябва да бъде 0,001–0,002 инча по-малък от номиналния диаметър на нагревателя, за да се създаде скромно интерферентно прилягане, което гарантира максимален контакт с повърхността.

Една малка, но важна точка: работната температура определя толеранса на прилягане, необходим за най-добро предаване на топлина. Неръждаемата стомана се разширява около два пъти по-бързо от алуминия. Тъй като алуминиевият отвор се разширява по-бързо при 400 градуса, нагревател Incoloy600, който пасва добре при нормална температура, може да се получи безплатно. Това диференциално разширение значително понижава ефективността на пренос на топлина чрез създаване на въздушна междина, която не е съществувала по време на монтажа. От друга страна, напасването се затяга при температура и увеличава механичното напрежение, ако основният материал-като някои инструментални стомани-се разширява по-малко от нагревателя.

Дизайнът на монтажния отвор също се влияе от термичното разширение. Нагревателят се нуждае от пространство, за да се разшири надлъжно в глух отвор, който е отвор само с един отворен край. Най-общо казано, трябва да оставите 0,5–1,0 mm разстояние между дъното на отвора и дължината на нагревателя. При липса на достатъчна хлабина, нагревателят се притиска към затворения край на отвора и излиза навън по време на циклите на нагряване. Последвалата сила на натиск има потенциала да деформира вътрешната намотка, да смачка обвивката и да създаде горещи точки, които причиняват бърза повреда.

Друга област, в която е концентрирано напрежението, е зоната на изхода на оловото, където електрическите кабели се закрепват към нагревателя. За да предпазят електрическите връзки от прекомерна топлина, по-голямата част от патронните нагреватели имат студена зона, която е неотопляема дължина от 15–30 mm в оловния край. На границата между горещите и студените региони, тази студена зона изпитва периодично термично разширение и свиване при циклични приложения. Преходната зона често е мястото на повреда и е подложена на най-голямо механично напрежение. Дълготрайността се увеличава за приложения с висок-цикли чрез разширяване на студената зона или проектиране на подсилен изход за олово.

Размерът на топлинния стрес, който нагревателят среща, също се влияе от подхода за управление на температурата. Най-трудният цикличен профил се получава от основни термостати за включване-изключване. Нагревателят работи на максимална мощност, докато достигне зададената точка, след което се изключва напълно. Големите топлинни колебания се причиняват от температурни превишавания и понижения. Значително по-мек профил се предлага от PID (пропорционално-интегрално-производно) управление, което минимизира превишаването и постепенно намалява мощността с приближаване на зададената точка. Контролерите за плавен-старт намаляват топлинния шок в началото на всеки цикъл на нагряване, като постепенно увеличават напрежението, вместо да прилагат пълна мощност наведнъж.

Поддържането на по-ниска температура на задържане между производствените цикли, вместо да се остави нагревателят да се охлади напълно до стайна температура, е алтернатива за операции, които не могат да намалят честотата на циклите. В резултат на това амплитудата на всеки топлинен цикъл се намалява, което потенциално намалява температурната разлика от 400 градуса на 200 градуса. По-малка делта Т показва по-малка механична умора всеки цикъл, тъй като топлинното напрежение е приблизително пропорционално на температурната промяна.

Обслужващият персонал трябва да записва броя на циклите и работните часове на всяко отоплително място. Характеристиката на отказ на нагревател, който се повреди след 50 000 цикъла, се различава от тази на нагревател, който се повреди след 5 000 цикъла с общо 500 работни часа. Проверката на неизправните нагреватели за изгорели проводници, смачкани обвивки или индикации за навлизане на влага може да помогне да се определи основната причина и да се предотврати повторната им поява. Тъй като износването с течение на времето може да увеличи хлабината и да намали преноса на топлина, затова се препоръчва редовно да проверявате размера на отвора.

Въпреки че не е панацея, патронният нагревател Incoloy600 е най-добрата опция за циклични приложения с висока-температура. Отличната устойчивост на окисляване и термичната стабилност се осигуряват от неговия състав от никелова -хромова сплав. Поради високото съдържание на никел (около 72%), обвивката е устойчива на термична умора и избягва увреждането на границите на зърното, което се случва в обикновените неръждаеми стомани при циклични обстоятелства. Независимо от това, интелигентният контрол на температурата, добрата инсталация, правилният избор на плътност на мощността и достатъчната хлабина на топлинно разширение са все още от решаващо значение. Различните употреби на нагреватели имат различни топлинни нужди, като например лабораторно оборудване, уплътнители за опаковки и системи за горещо пускане. За да се осигури надеждна работа през целия жизнен цикъл на производство, квалифицирана техническа помощ помага при превръщането на тези нужди в подходящите спецификации.