316 스테인리스강 외피 벽 두께는 섭씨 20도에서 400도까지 반복 가열 주기 동안 MgO 인터페이스에서 유발되는 열팽창-응력에 어떤 영향을 미치나요?

316 스테인리스강 외피와 산화마그네슘 절연체 사이의 접합부는 주기적 고온 사용에서 작동하는 전기 침수형 히터의 장기 내구성을 평가하는 설계 엔지니어에게 중요하지만 종종 무시되는 실패 지점입니다-. 316 피복은 316(약 17 x 10 -6/도)의 열팽창 계수가 압축된 MgO(약 9 x 10 -6/도)의 열팽창 계수의 약 2배이기 때문에 각 가열 주기마다 MgO보다 더 많이 팽창합니다. 이러한 차등 팽창은 외장-MgO 인터페이스에서 전단 변형을 초래합니다. 수천 주기에 걸쳐 이러한 압력은 저항선의 분리, 간격 형성 및 결과적으로 과열을 유발할 수 있습니다. 이러한 계면 응력은 외장의 벽 두께에 직접적으로 의존합니다. 왜냐하면 두꺼운 벽은 얇은 벽과 비교하여 다른 방식으로 팽창을 제한하기 때문입니다. 본 연구에서는 316 외장 벽 두께와 열팽창으로 인한 계면 응력 사이의 상관관계를 정량화하여 고주기 응용 분야에 대한 선택 제안을 제공합니다.

외장-MgO 인터페이스: 차등 열팽창 메커니즘
히터가 제작될 때 MgO 단열재는 스웨이징의 강한 압력에 의해 316 보호관 내부 표면에 대해 압축됩니다. 그 결과 경계면에서 잔류 압축 응력이 있는 긴밀한 억지끼움이 이루어집니다. 두 재료 모두 히터의 열로 팽창합니다. 316 외장은 반경 방향 및 원주 방향으로 바깥쪽으로 확장하려고 합니다. MgO는 낮은 팽창 계수를 가지며 이러한 팽창에 저항합니다. 이로 인해 계면 압축 응력이 감소하거나 충분히 높은 온도에서 인장 응력 및 간격 발생으로 전환됩니다. 계면 분리의 임계 ​​온도는 스웨이징으로 인한 초기 잔류 장력과 외장 벽의 강성에 따라 달라집니다. 반경 방향 강성은 외피 벽 두께에 따라 증가합니다. 즉, 팽창을 더 강력하게 저항하고 더 높은 온도에서도 계면 접촉을 유지한다는 의미입니다. 반면, 벽이 얇은{10}}외피는 규정 준수가 더 뛰어나고 낮은 온도에서 틈이 형성될 수 있습니다. 그러나 간격이 형성되면 벽이 얇은- 라이너는 내부 압력이나 열 구배에 따라 편향되는 지지되지 않는 벽으로 인해 더 큰 국부적 굽힘 응력을 경험하게 됩니다.

계면 응력 유지와 벽 두께의 정량적 상관 관계
3.0g/cm3으로 압축된 MgO로 채워진 10mm 외경 316 외장에 대한 유한 요소 연구는 벽 두께와 온도의 함수로서 계면 응력의 정량적 추정치를 산출합니다. 실온 스웨이징 후 계면 압축 응력은 벽 두께가 1.0mm인 경우 약 30MPa, 벽이 1.5mm인 경우 45MPa, 벽이 2.0mm인 경우 60MPa입니다. 피복이 두꺼울수록 스웨이징 공정이 피복이 소성 항복하기 전에 MgO에 더 큰 응력을 가하기 때문에 더 많은 잔류 압축을 유지합니다. 계면 응력은 차등 팽창으로 인해 온도가 증가함에 따라 선형적으로 감소합니다. 계면 응력이 0일 때 분리 온도는 1.0mm 벽의 경우 약 280도, 1.5mm 벽의 경우 340도, 2.0mm 벽의 경우 380도입니다. 분리 후 1.0mm 외장은 약 5MPa의 계면 인장 응력을 나타내는 반면, 2.0mm 외장은 최대 온도 400도 히터의 전체 사이클 동안 압축 상태를 유지합니다. 인터페이스가 인장되면 외장과 MgO 사이의 결합이 손실됩니다. 이로 인해 저항선에서 피복까지의 열 저항에 기여하는 작은 간격이 발생합니다. 갭 영역의 MgO는 더 이상 좋은 열 전도체가 아니며, 와이어의 산화를 가속화할 수 있는 국부적인 핫스팟이 발생할 수 있습니다.

인터페이스의 주기적 피로 및 히터 성능 저하
주기적 서비스에서 계면 장력이 압축에서 인장으로, 또는 압축에서 분리로 반복적으로 변화하면 외피-MgO 접촉에 누적 손상이 발생합니다. 20도에서 400도 사이에서 작동하는 1.0mm 벽 피복의 경우 인터페이스는 약 300도의 온도 변화를 보입니다. 각 사이클은 주변 온도의 높은 압축에서 280도의 제로 응력, 400도의 인장으로 진행됩니다. 이러한 장력의 주기적 역전은 인터페이스에서 프레팅 마모를 촉진하여 열 접촉을 더욱 제한하는 MgO 분말을 생성할 수 있습니다. 1000사이클 후에는 인터페이스의 열 저항이 20~40% 증가할 수 있으므로 열 출력을 일정하게 유지하려면 더 높은 와이어 온도가 필요합니다. 2.0mm 벽 외장의 경우 동일한 온도 범위에서 인터페이스는 모든 온도에서 압축됩니다. 응력 범위는 주변 온도에서 60MPa 압축부터 400도에서 약 10MPa 압축까지이며 항상 양의 접촉 압력입니다. 프렛이나 틈이 생기지 않습니다. 20도에서 400도까지 5,000주기를 거친 316개의 외장형 히터에 대한 실험 테스트에서는 1.0mm 벽 외장이 열 저항이 35% 증가하고 절연 저항이 15% 감소한 것으로 나타났습니다. 2.0mm 벽 피복에 대한 동일한 테스트에서는 두 매개변수 모두에서 5% 미만의 변동이 나타났습니다.

높은 사이클, 고온 응용 분야에 대한 벽 두께 권장 사항
다음 표는 주어진 최대 작동 온도와 예상 열 주기 횟수에 대해 권장되는 316개의 피복 벽 두께를 제공합니다. 일반적인 스웨이징 절차와 스웨이징 후 어닐링이 없다고 가정합니다.- 값은 상당한 열 성능 손실이 없는 목표 서비스 수명을 가정합니다.

서비스 수명 동안 예상되는 최대 외피 온도 열 주기 권장 최소 316 벽 두께 최대 온도에서의 계면 조건 예상 열 저항은 주기 후 증가
최대 250도 C0.8 – 1.0 mm 임의 개수의 압축 유지 < 5% 250 – 300도< 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 – 350도 500 – 2,000 1.5 – 1.8mm 압축 상태 유지 < 5% 350 – 400도 < 500 1.6 – 2.0mm 피크 10 – 20%에서 약간의 인장
350 – 400도 500 – 2,000 2.0 – 2.5mm 압축 상태 유지<5%
>400도 임의 숫자 MgO 갭 형성에는 권장되지 않음 예측 불가능
멸균 장비 또는 열 순환 오븐과 같이 높은 최대 온도와 큰 주기 횟수가 모두 필요한 응용 분야의 경우 2.0mm 및 더 두꺼운 316 보호관을 선택하는 것이 좋습니다. 우리는 이전 기사에서 장기적인 계면 무결성의 대가로 언급한 것처럼 두꺼운 벽에 내재된 열 패널티를 받아들여야 합니다. 대안으로 엔지니어는 잔류 응력을 줄이면서 초기 계면 압축도 줄이는 스웨이지 후 어닐링 프로세스를 지정할 수 있습니다. 계면 응력 유지는 1.6mm의 어닐링된 피복과 1.2mm의 -어닐링되지 않은 피복에 대해 동일합니다. 이는 응용 분야가 열 효율이나 사이클 내구성에 더 중점을 두는지에 따라 달라집니다.

얇은-벽 덮개에서 계면 응력을 완화하기 위한 설계 접근 방식
열 반응성 때문에 1.2mm 미만의 얇은 벽 피복이 필요하지만 고온에 대한 열 순환을 포함하는 응용 분야의 경우 계면 분리를 줄이기 위해 따를 수 있는 세 가지 설계 솔루션이 있습니다. 첫 번째는 조립 중 외피-MgO 인터페이스에 강한 열 전도성을 지닌 그리스 또는 페이스트의 작은 코팅을 추가하는 것입니다. 예를 들어, 질화붕소가 함유된 실리콘 그리스는 온도 순환 전반에 걸쳐 규정 준수를 유지하고 발생할 수 있는 모든 틈을 채워 열 접촉을 유지합니다. 두 번째 기술은 사이클 사이에 주변 온도로 냉각하는 대신 최소 대기 온도에서 히터를 작동하는 것입니다. 20C에서 400C가 아닌 150C에서 400C로 히터 사이클링의 경우 계면 응력 변화가 약 50% 감소합니다. 세 번째 접근 방식은 동일한 벽 두께로 더 작은 외경 외장을 정의하는 것입니다. 방사형 강성은 직경의 4승에 비례합니다. 따라서 벽이 1.0mm인 OD 6mm 보호관은 벽이 1.0mm인 OD 10mm 보호관보다 반경 방향 강성이 더 큽니다. 설계자는 열 반응성을 위한 얇은 벽의 이점을 얻기 위해 직경을 줄이면서도 더 높은 온도에 대한 계면 접촉을 유지할 수 있습니다. 고온 순환 사용을 위해 얇은 벽이 지정된 경우 엔지니어는 히터 제조업체에 계면 응력 계산을 요청해야 합니다. 분석은 형철 감소율, MgO 압축 밀도 및 예상 온도 프로파일의 함수입니다. 제조업체로부터 이러한 분석을 얻을 수 없다면 그가 까다로운 주기 응용 분야에 사용할 수 있는 신뢰할 수 있는 히터를 생산하고 있는지 의심스럽습니다.