Који се материјали користе за грејање плоча у ултра-применама на високим температурама изнад 300 степени?

Алуминијумске грејне плоче (стандардни тип, обложене ПТФЕ) су ограничене на приближно . 260 степен. За процедуре које захтевају 300 степени, 400 степени или чак више, примењује се посебна класа материјала и технологија грејача. Ултра-грејне плоче су виталне компоненте у широком спектру сектора као што су производња полупроводника, очвршћавање композита, обликовање стакла и испитивање материјала на високим температурама. Избор материјала плоче и типа грејача гарантује поуздан рад, равномерну дистрибуцију топлоте и дуг радни век под интензивним термичким стресом.

Критеријуми за избор материјала за високотемпературне плоче
Traditional materials are no longer viable at >300 степени: алуминијум (тачка топљења 660 степени, али брзо губи снагу изнад 200 степени) и ПТФЕ (максимална континуирана употреба 260 степени). Главни параметри за избор плочастих материјала су:

Максимална температура непрекидног рада - Материјал мора да поседује механичку чврстоћу и отпорност на оксидацију или пузање на наведеној температури.

Топлотна проводљивост - Што је већа проводљивост то је боља уједначеност температуре у целој плочи.

Коефицијент топлотног ширења (ЦТЕ) - Мора да се подудара са оним уграђених грејача и монтажног хардвера да би се спречило прекомерно напрезање.

Отпорност на корозију и оксидацију - Од посебног значаја у ваздуху или у тешким процесним атмосферама.

Цена и могућност обраде - Практични аспекти производње.

Опције за плочасти материјал на температурама изнад 300 степени
Избор материјала зависи од специфичног температурног опсега, неопходне униформности и процесног окружења. Ово су најпопуларнији материјали који се користе.

Нерђајући челик (304, 316, 321)
Плоче од нерђајућег челика су добре до око 500 Ц (300 Ц поуздане). Класе 304 и 316 имају јаку отпорност на оксидацију и умерену чврстоћу. За поновљене термичке циклусе, класа 321 (стабилизована титанијумом) нуди врхунску отпорност на међугрануларну корозију.

Нерђајући челик, међутим, има релативно ниску топлотну проводљивост (приближно 15 В/м·К за 304, наспрам 205 В/м·К за алуминијум). Често су потребне дебље плоче (15-25 мм) да би се постигла уједначена површинска температура. Ако плоча није довољно дебела, или ако су грејачи постављени преблизу површини, може доћи до савијања. На температурама већим од 500 степени оксидација нерђајућег челика се убрзава и потребне су легуре са високим садржајем никла.

Легуре ника-хрома (инцолои, инцонел)
Легуре никл-хрома{1}}гвожђа за тешке услове као што су Инцолои (800, 825) и Инцонел (600, 625) Ови материјали имају веома добру чврстоћу и отпорност на оксидацију до 800 степени и више. Они су пожељни материјали за загревање плоча у ваздуху или корозивној атмосфери на температурама од 500-800 степени.

Инцолои 800 има максималну континуирану температуру од око 870 степени. Са топлотном проводљивошћу од око 11-15 В/м·К, сличан је нерђајућем челику. Има висок садржај никла који је отпоран на оксидацију и корозију под напоном хлоридом. Инцонел 600 се може користити до 1090 степени, међутим топлотна проводљивост пада на отприлике 15 В/мК на температури околине и 20 В/мК на 800 степени. Ове легуре коштају знатно више од нерђајућег челика, али су обично једини одрживи избор за поступке на ултра високим температурама.

Ливена алуминијумска бронза или дуктилно гвожђе
Ливена алуминијумска бронза (легура бакра-алуминијума) је јак кандидат за умерене примене на високим температурама (300–450 степени) пошто поседује изванредну чврстоћу и одличну топлотну проводљивост (∼40–60 В/м·К). Широко се користи за калупе за грејне плоче и опрему за обликовање где је пренос топлоте важан. Али алуминијумска бронза није прихватљива изнад 500 степени због оксидације.

Нодуларно гвожђе (нодуларно ливено гвожђе) може се користити до око 600 степени са топлотном проводљивошћу од око 30–40 В/м·К. Јефтиније од легура никла и могу се формирати у компликоване облике. Нодуларно гвожђе је, међутим, подложно површинском љуштењу на 500 степени Ц осим ако није премазано или се користи у контролисаној атмосфери.

Егзотични алтернативни материјали
За примену са највећим температурама (800-1200 степени) користе се керамичке плоче (алуминијум, силицијум карбид) или графитне плоче. Керамичке плоче имају веома ниску топлотну проводљивост (20–30 В/м·К за силицијум карбид, 3–5 В/м·К за глиницу) што може створити температурну неуједначеност - осим ако се пажљиво не направе са расутим грејним уређајима. Графитне плоче имају добру топлотну проводљивост (100-150 В/мК). Међутим, оксидација почиње изнад 400 степени и захтева заштитну атмосферу (вакум или инертни гас). Ови материјали су изван опсега нормалних индустријских грејних плоча, али су поменути ради потпуности.

Технологије грејача на високим температурама
Грејач уграђен у плочу или причвршћен за плочу мора такође бити у стању да издржи високе температуре. Стандардни ПТФЕ изоловани грејачи или грејачи од силиконске гуме нису прихватљиви изнад 260 степени. Доле наведени типови грејача се користе за плоче са ултра високим температурама.

Кертриџ грејачи – висока температура
Кертриџ грејачи су цилиндрични отпорни грејачи који се уграђују у посебне избушене рупе на плочи. За рад изнад 300 степени, материјал омотача мора бити легура високог никла (Инцолои 800, Инцонел 600) или нерђајући челик са прихватљивом отпорношћу на оксидацију. Унутрашња изолација је компримовани магнезијум оксид (МгО) који је стабилан до > 800 степени. Кертриџ грејачи могу да достигну температуру површине од 750 степени и више.

Ови грејачи поседују веома добру густину снаге (до 50 В/цм 2 ) и могу се распоредити у мрежу како би се створила уједначена температура плоче. Међутим, мора се узети у обзир ЦТЕ неусклађеност између омотача грејача и материјала плоче. Лабаво приањање (размак 0,05–0,10 мм) омогућава проширење и замену грејача.

Грејачи са тракама или тракама са изолацијом од лискуна
Грејачи изоловани лискуном су направљени од отпорне жице намотане на језгро лискуна у сендвичу између листова лискуна и обложене металним омотачем (нерђајући челик или Инцолои). Обично су ови грејачи или причвршћени око периферије или причвршћени вијцима на доњу страну грејне плоче. Изолација од лискуна је предвиђена за континуирани рад на температурама до 480 степени (неке до 650 степени). Грејачи лискуна су идеални за различите примене на високотемпературним плочама, са температуром металног омотача који достиже 450–600 степени.

Грејачи траке (правоугаоног попречног-пресека) могу да се излију у плочу или причврсте у машински обрађене жлебове. Имају мању густину у ватима (често 5–15 В/цм2) од кертриџ грејача, али се лакше мењају.

Електрични грејачи од керамичких влакана
За температуре плоча изнад 600 степени користе се грејачи изоловани керамичким влакнима. Они користе отпорну жицу (ФеЦрАл или НиЦр) уметнуту у покривач од керамичких влакана или у вакуум-формирану керамичку плочу. Керамичка изолација је отпорна на 1200 степени. Такви грејачи се често користе као слободни- панели радијатора, а не инкапсулирани у металну плочу. Ако је метална плоча и даље потребна (рецимо за механичку подршку или чак дистрибуцију температуре), керамички грејач се може поставити иза танке Инцолои плоче, при чему се плоча загрева зрачењем и проводљивошћу.

Табела за избор материјала за грејну плочу{0}}за високе температуре
Следећа табела приказује главне карактеристике типичних материјала плоча за грејање на високим температурама.

Материјал Макс. Континуална Темп. степен Топлотна проводљивост В/м·К Релативна цена Примене Типично
Алуминијум (6061) 200 (обложен) 205 Низак Није прикладно изнад 260 степени Нерђајући челик 304 500 15 Низак Општа намена до 500 степени; ризик од савијања
Нерђајући челик 321 550 15 Ниска-Средња отпорност на термичке циклусе
Инцолои 800 870 11-15 Високи 500-800 степени; отпорност на оксидацију
Инцонел 600 1090 15-20 Веома високе Екстремне температуре; корозивне атмосфере
Ливени алуминијум бронза 450 40-60 Средње добар проводник; алати за обликовање
Нодуларно гвожђе 600 30-40 Ниско-СредњеЈефтино до 600 степени; скалирање изнад
Силицијум карбид (керамика) 1400 20-30 Веома висока ломљивост на високој температури
Дизајн плоча - Практична разматрања
Неусклађеност термичке експанзије
Ако металне грејаче (такве патроне) уграђујете у плочу од другог материјала, морате узети у обзир разлику у коефицијенту топлотног ширења (ЦТЕ). На пример, Инцолои кертриџ грејач има ЦТЕ од око 15 к 10⁻⁶/степен, а Инцолои плоча има сличан ЦТЕ, стога нема неусклађености. Плоча од нерђајућег челика (ЦТЕ ~17), међутим, са Инцонел грејачима (ЦТЕ ~14) ће створити напон на смицање када се загреје. Зазорно пристајање и високотемпературна анти-мешавина или графитна фолија омогућавају релативно померање.

Отпорност на оксидацију
За плоче које раде на 500 Ц на ваздуху оксидација површине је неизбежна. Танак оксидни премаз може бити подношљив, али значајно скалирање може променити емисивност и загадити процес. Периодично чишћење или наношење високотемпературних керамичких премаза (нпр. на бази глинице) може помоћи у смањењу каменца. У критичним применама око плоче може да се користи прочишћавање инертним гасом (азот или аргон).

Монтажна плоча на грејач
На повишеним температурама се обично избегава лемљење или заваривање грејача у плочу, јер су замена тада немогућа. Препоручене опције су механичко стезање (за грејаче траке) или уклоњиви грејачи кертриџа у избушеним рупама. Између грејача и плоче треба нанети термалну пасту или проводљиво пунило (нпр. на бази графита-) да би се повећао пренос топлоте и попунили празнине услед експанзије.

Укратко
Грејне плоче за апликације на високим температурама које прелазе 300 степени захтевају јединствене материјале и технологију грејача. Алуминијум и ПТФЕ, стандардни, иду до око 260 степени. Грејачи са изолацијом од лискуна- или кертриџима у плочама од нерђајућег челика су економични за опсег од 300-500 степени, али са савијањем и оксидацијом се треба позабавити. Легуре никл-хрома (Инцолои, Инцонел) су пожељније као материјали за плоче за опсег од 500–800 степени користећи или високотемпературне грејаче кертриџа (Инцолои плашт, МгО изолација) или грејаче од керамичких влакана. У опсегу од 300–600 степени, ливена алуминијумска бронза и нодуларно гвожђе имају специјализовану употребу где се даје предност топлотној проводљивости. Било која компонента ће се брзо покварити ако се прекорачи максимална континуирана температура. Овако ограничења материјала дефинишу одрживи оперативни оквир. Одговарајућим избором плочастих материјала и типова грејача, могу се дизајнирати поуздане високотемпературне грејне плоче за захтевне индустријске процесе.