316 스테인레스 스틸 외장 벽 두께는 전기 가열 요소의 스웨이징 후 산화마그네슘 절연체의 절연 강도에 어떤 영향을 줍니까?

품질 엔지니어와 발열체 제조업체의 경우 외장 벽 두께와 전기 절연 성능 간의 관계가 항상 명확한 것은 아닙니다. 저항선 주위의 산화마그네슘 분말은 높은 열 전도성과 높은 유전 강도를 제공하는 밀도로 압축됩니다.-일반적으로 2.8g/cm3 이상으로 실온에서 100메그옴 이상의 절연 저항을 제공합니다. MgO를 압축하는 주요 메커니즘은 316 스테인리스강 덮개의 외경을 줄이는 스웨이징 공정입니다. 그러나 MgO의 외장 벽을 통해 가해지는 반경 방향 압력은 벽의 두께에 따라 달라집니다. 벽이 두꺼울수록 스웨이징 힘을 더 많이 흡수합니다. MgO는 과소압축될 수 있습니다. 벽이 얇을수록 더 큰 힘이 전달되지만 저항선이 붕괴되거나 손상될 위험이 있습니다. 이 논문은 가능한 MgO 밀도와 유전 강도에 대한 316 외장 벽 두께의 영향을 분석합니다. 이는 기계적 무결성과 전기적 성능의 균형을 맞추는 최소 벽 두께를 결정하기 위한 기초를 제공합니다.

외장 스웨이징 중 MgO의 압축 거동
히터 제조 시 316 스테인리스강 튜브는 MgO 분말과 중앙에 위치한 저항선의 느슨한 혼합물로 채워집니다. 그런 다음 어셈블리는 회전 다이가 튜브를 반경 방향 안쪽으로 두드려 외부 직경을 10-30% 줄이는 스웨이징 기계를 통과합니다. 이 공정은 MgO 분말의 초기 벌크 밀도 ~1.5 –1.8 g/cm3에서 최종 밀도 2.8 –3.2 g/cm3까지 치밀화합니다. 316 덮개 벽의 탄성 및 소성 변형에 사용된 힘을 뺀 후 스웨이징 다이의 순 반경방향 힘은 MgO에 전달되는 압축 압력입니다. 특정 스웨이징 감소 및 다이 힘의 경우 외장 벽이 얇을수록 전체 변형 작업이 줄어들고 적용된 힘의 더 높은 비율이 MgO로 전달됩니다. 스웨이징 공정의 유한 요소 모델링에 따르면 0.8mm 316 외장은 다이 압력의 약 85%를 MgO로 전달하는 반면, 1.6mm 외장은 동일한 스웨이징 조건에서 65%만 전달하는 것으로 나타났습니다. 적용된 힘의 50% 미만이 2.5mm 외장을 통해 전달되고 나머지는 두꺼운 강철 벽에 탄성 변형 에너지로 유지되거나 소성 변형 중에 열로 방출됩니다. 이 차이는 가능한 MgO 밀도에 직접적인 영향을 미칩니다.

벽 두께와 MgO 밀도 사이의 정량적 관계
유사한 스웨이징 장비, 다이 세트 및 감소율을 사용하는 대조 시험에서는 316 보호관 벽 두께와 최종 MgO 밀도 사이에 명확한 역관계가 있음을 보여줍니다. 20%의 목표 스웨이징 감소(예: . 12.0 mm에서 9.6 mm 외경)를 위해 달성된 일반적인 MgO 밀도는 다음과 같습니다. 0.8 mm 벽 두께에서 최종 MgO 밀도 3.1-3.2 g/cm3은 최소 표준을 크게 초과합니다. 벽 두께는 1.2mm이고 밀도는 2.9~3.0g/cm 3 이며 이는 여전히 대부분의 용도에 적합합니다. 밀도는 2.7~2.8g/cm3으로 감소합니다. 이는 최소 허용 수준 이하이며 벽 두께는 1.6mm입니다. 벽 두께가 2.0mm인 재료의 밀도는 2.5~2.6g/cm3이며 이는 고온에서 신뢰할 수 있는 전기 절연에 충분하지 않습니다. 2.7g/cm 3 미만의 MgO는 수분 흡수 및 전류 누출 채널을 가능하게 하는 상호 연결된 다공성을 갖습니다. 2.5g/cm3으로 압축된 MgO의 500도에서의 절연 저항은 3.1g/cm3로 압축된 MgO의 절연 저항보다 10~100배 더 낮습니다.3 . 유전 강도(절연체가 파손 없이 유지할 수 있는 전기장의 상한)는 3.1g/cm3에서 약 15kV/mm에서 2.5g/cm3에서 5kV/mm로 감소합니다. 저항 와이어 직경이 1.0mm인 240V 히터의 MgO 층 위의 전기장은 작동 전압에서 약 2-3kV/mm입니다. 이는 높은 MgO 밀도에서 편안한 마진을 제공하지만 작은 결함으로 인해 유전 파괴가 발생할 수 있는 낮은 밀도에서는 한계가 있습니다.

두꺼운-벽으로 둘러싸인 피복의 "유전체 무결성"의 실제 한계
The typical swaging procedure may not provide the required MgO density for applications that require thick 316 sheaths (>기계적 또는 부식 요구 사항의 경우 1.6mm). 두꺼운 벽의 힘 흡수를 완화할 수 있는 세 가지 생산 조정이 있습니다. 첫 번째이자 가장 일반적인 절차는 스웨이징 감소율을 높이는 것입니다.{3}}% 감소는 외경 12.0mm에서 8.4mm로 더 강한 방사상 응력을 MgO에 전달하여 20% 감소 대신 더 낮은 감소율에서 더 얇은 벽과 유사한 밀도를 달성합니다. 단점은 저항선이 손상될 확률이 증가하고 피복의 잔류 장력이 높아진다는 것입니다. 두 번째 변화는 중간 어닐링과 함께 여러 번의 스웨이징 패스를 사용하는 것입니다. 15% 감소 후 외장 응력 완화를 위한 어닐링, 이어서 두 번째 15% 감소는 316 튜빙의 성형성 한계를 초과하지 않고 두꺼운- 외장에 높은 MgO 밀도를 제공할 수 있습니다. 세 번째 변경 사항은 MgO 분말 사양을 수정하는 것입니다. 거칠고 각진 MgO 입자는 미세한 구형 분말보다 더 쉽게 압축됩니다. 입자 크기 분포가 규제된 고밀도 MgO 등급은 동일한 스웨이징 조건에서 최종 밀도를 0.1~0.2g/cm3까지 증가시킬 수 있습니다. 이러한 각 조정으로 인해 제조 비용이 추가됩니다. 그러나 두꺼운 벽이 필수인 상황에서는 비용이 정당화됩니다.

신뢰할 수 있는 유전체 성능을 위한 벽 두께 및 MgO 밀도의 선택 매트릭스
다음 표는 실온에서 2.8g/cm 3 의 최소 허용 MgO 밀도와 10kV/mm 이상의 유전 강도를 얻기 위한 316 피복 벽 두께와 제조 요구 사항의 적절한 조합을 보여줍니다.

필요한 스웨이징 벽 두께 316 권장 스웨이징 감소 권장 스웨이징 패스 수 달성 가능한 MgO 밀도 특별 고려 사항
0.8 – 1.0 mm 15 – 20% 단일 통과 3.0 – 3.2 g/cm³ 표준 방법, 저렴한 비용
1.0 – 1.2 mm 18 – 22% 1회 통과 2.9 – 3.1 g/cm³ 표준 절차 적합 1.2 – 1.4 mm 20 – 25% 단일 또는 이중 광선 통과 2.8 – 3.0 g/cm³ 샘플 테스트로 확인 1.4 – 1.6 mm 25 – 30% 이중 통과 권장 2.7 – 2.9 g/cm³ 고밀도 MgO 필요한 등급
1.6 – 1.8 mm 28 – 32% 이중 통과 필요 2.6 – 2.8 g/cm3 한계, 자격 테스트 필요
1.8 – 2.0 mm 30 – 35% 중간 어닐링 이중 통과 2.5-2.7 g/cm3 120V를 초과하는 전압에는 권장되지 않음 > 2.0 mm 불가능 불가능 2.5 g/cm 3 미만에서는 더 작은 직경 또는 다른 합금 사용
작동 전압이 250VAC보다 큰 히터의 경우 최소 허용 MgO 밀도를 3.0g/cm3으로 높여야 하며, 이는 특별한 스웨이징 절차를 적용하지 않는 한 최대 316 보호관 벽 두께를 1.2mm로 효과적으로 제한합니다. 600VAC를 초과하는 고전압 애플리케이션(일부 산업 및 광산 장비에서 흔히 볼 수 있음)에서 피복 벽 두께는 허용 가능한 유전 강도를 유지하기 위해 1.0mm 미만으로 유지되어야 하며, 히터는 접지되고 MgO 절연체와 분리된 금속 차폐로 구성되어야 합니다.

생산 품질 보증 테스트 및 검증 방법
스웨이징 장비, 작업자 기술 및 유입되는 튜브 공차로 인한 변화로 인해 이론적 관계만으로는 의존하지 않습니다. 벽 두께가 1.4mm보다 큰 히터를 지정하는 경우 엔지니어는 제조업체에 생산 샘플에서 MgO 밀도를 측정하도록 요구해야 합니다. 이는 일반적으로 히터의 일부를 절단하고 압축된 분말의 질량과 부피를 측정하여 수행됩니다. 최소 밀도는 목표가 아닌 2.8g/cm3의 품질 요구 사항으로 언급되어야 합니다. 완성된 히터의 절연 강도도 테스트해야 합니다. 일반적인 테스트는 1,500VAC에 저항선과 피복 사이에 1분간 적용되는 작동 전압의 두 배를 더한 것입니다. 240V 히터의 경우 1500 + 480=1,980VAC입니다. MgO 밀도가 미미한 두꺼운-벽 피복은 일반적으로 주변 온도에서 이 테스트를 통과하지만, MgO의 유전 강도는 온도에 따라 감소하기 때문에 작동 온도로 가열할 때는 통과하지 못합니다. 따라서 최상의 검증은 500도에서 고온 절연 저항 테스트를 통해 얻을 수 있습니다. 산업용 히터의 고온 절연 저항은 일반적으로 1메그옴 이상이지만 수명을 연장하려면 10메그옴이 바람직합니다. 유전체 파괴 현장 고장은 비용이 많이 들고 종종 위험합니다. MgO 밀도를 달성하기 위해 더 얇은 외장을 지정하거나 더 강력한 스웨이징을 지정하는 데 드는 추가 비용은 보증 청구 비용이나 더 심각한 감전 발생 비용에 비해 미미합니다.