Mi a maximális biztonságos üzemi hőmérséklet az alumínium és a rozsdamentes acél fűtőlapok esetében?

Az alumínium nem használható olyan fűtőlapokhoz, amelyeknek 300 C-ot kell elérniük. A legkisebb nyomóerő hatására is csavarodna és deformálódna . Ha nagyobb hőtartományokat szeretne elérni, fontos ismernie a tipikus lemezanyagok hőmérsékleti mennyezetét. A fűtőlapokat laminálásra, kompozit térhálósításra, üvegformázásra és melegsajtolásra használják. A mezőnyt két anyag uralja, az alumínium (könnyű, vezetőképes és olcsó) és a rozsdamentes acél (erős, tartós és hőálló). Ez lényegében a közöttük lévő hőmérséklet megválasztásának kérdése. Az alumínium rozsdamentes acél lapok maximális biztonságos hőmérsékleti határainak ismerete garantálja, hogy a lap képes elviselni az alaphőmérsékletet és a feldolgozás során ránehezedő mechanikai terhelést.

Alumínium lapok A közepes{0}}hő munkalova
Az alumínium magas hővezető képességgel rendelkezik (200–250 W/m·K olyan ötvözetek esetében, mint például a 6061), ami gyors felmelegedést és jó hőmérsékleti homogenitást eredményez. Ezenkívül alacsony súlyú, és könnyen megmunkálható bonyolult kialakítású beágyazott fűtőcsatornákkal vagy hőelem-kutakkal. De az alumínium Achilles-sarka az erősség elvesztése magas hőmérsékleten.

Hőmérséklet és mechanikai viselkedés határértéke
A legtöbb alumíniumötvözetnél, például a 6061-T6-nál, amely a legnépszerűbb lemezminőségű ötvözet, a maximális biztonságos folyamatos üzemi hőmérséklet körülbelül 200 fok (392 F F). Ezen a küszöbön túl az anyag lágyulni kezd; a csapadékkal megkeményedett mikrostruktúra lassan feloldódik, és az ötvözet elveszti önuralmát. Ennek eredményeként meredeken csökken a folyáshatár és keménység . 6061 az alumínium szobahőmérsékleti folyáshatárának kevesebb, mint 50%-a 1–2 MPa (körülbelül 150–300 psi) nyomás alatt a lemez tartósan deformálódhat (megereszkedik, meghajlik vagy felületi bemélyedések alakulnak ki, amelyek károsítják az érintkezési egyenletességet).

A gyakorlatban az alumínium lemezeket ritkán alkalmazzák 180 fok feletti teherhordó alkalmazásokban. Egyes kivitelek 220 fokosra is mennek, ha egy apró tehermentes lemezre van szükség (pl. kontaktfűtés külső erő nélkül), de még mindig fennáll a méretváltozás esélye.

A PTFE bevonat eltérése
A PTFE-t (politetrafluor-etilén) számos alumínium fűtőlap bevonatként használják, hogy tapadásmentes felületet biztosítsanak. A PTFE folyamatosan használható 260 fok körüli hőmérsékleten. Az alumínium szubsztrátum 260 fokban nem élt túl. A PTFE bevonat 260 fokos szögben fennmaradt alumínium hordozón. Nem számít, mennyit bír el a bevonat, az egész folyamatnak kemény mennyezete van, amint azt a lemez anyagának hőmérsékleti határa határozza meg. Ha a hőmérséklet meghaladja a 200 fokot, akkor is acélra van szükség, ha a folyamat tapadásmentes felületet igényel (az acélt PTFE-vel is lehet bevonni, de a tapadás nehezebb).

Alumínium hőtágulása
Az alumíniumnak meglehetősen magas hőtágulási együtthatója van (körülbelül 23 x 10^-6 / C a 6061-nél). Egy 300 mm hosszú, 20-ról 200 fokra melegített alumínium lemez kb. 1,2 mm-rel tágul. Ezt a tágulást rögzítőnyílásokkal, vezetősínekkel vagy rugalmas csatlakozókkal kell kompenzálni. A hőfejlődés elmulasztása a fűtőtestek meghajlását vagy károsodását okozhatja.

Rozsdamentes acél lapok: A magas hőmérsékletű munkaló
250 fok feletti lemezhőmérséklet esetén a rozsdamentes acél előnyös, különösen a 304-es és 316-os ausztenites. Az acél mechanikai tulajdonságainak nagy részét megőrzi 400 C-ig és felette. ezen felül a határ az ötvözettől és a megengedett feszültségtől függ .

Hőmérsékleti határértékek a reprezentatív osztályokhoz
Anyag maximális biztonságos üzemi hőmérséklete (folyamatos) Megjegyzések
Alumínium 6061-T6 200 fok (392 fok F) A szilárdság 180 fok felett gyorsan csökken
Rozsdamentes acél 304 800 fok (1472 fok F) Gyakorlati lemezhatár ~500 fok a fűtési és szigetelési korlátok miatt
Rozsdamentes acél 316 800 fok (1472 fok F)Hasonló a 304-hez; Jobb klorid ellenállás
Rozsdamentes acél 430 (ferrites) 750 fok (1382 fok F) Alacsonyabb költség, kevésbé alakítható
Szerszámacél H13 550 fok (1022° F) Edzett, kopásálló-; melegbélyegzés
Fűtési lapok esetén a rozsdamentes acél gyakorlati maximális biztonságos hőmérsékletét általában nem maga az acél korlátozza, hanem a fűtőelemek, a szigetelés és a hőelem anyagai. A rozsdamentes acéllemezek biztonságosan üzemeltethetők 400 -500 fok (750-930 °F) közötti hőmérsékleten, ha megfelelő belső fűtőelemekkel (például ásványi-szigetelt fémburkolatú alkatrészekkel) és magas hőmérsékletű szigeteléssel (például kerámiaszál vagy csillám) vannak felszerelve. Egyes speciális üvegformázó lapok Inconel bevonatú fűtőtesteket és nagy teljesítményű szigeteléseket használnak, hogy elérjék a 650 fokot.

Erősségmegtartás magas hőmérsékleten
Az AISI 304 rozsdamentes acél szobahőmérsékletű folyáshatárának körülbelül 70%-át 500 fokon tartja. Más szóval, egy 50 tonnás nyomóerőre épített nyomólap környezeti hőmérsékleten továbbra is 35 tonnát tud kezelni 500 fokon. Ezzel szemben az alumínium csak 10-20%-át tartja meg szilárdságának 250 fokon. Az acél az előnyben részesített anyag 250 fok feletti hőmérsékleten, mivel normál ipari présnyomás mellett nem kúszik vagy lágyul.

Hővezetőképesség-rejtvény
A rozsdamentes acél elsődleges korlátja a rossz hővezető képessége. A 304-es típusú acél, amelynek szobahőmérsékleti hővezető képessége nagyjából 15 W/m·K, 500 fokon körülbelül 18 W/m·K hővezető képességgel rendelkezik. Ez körülbelül 10-12-szer kevesebb, mint az alumíniumé. Ennek eredményeként:

A hidegfoltok kiküszöbölése érdekében a fűtőelemeket lényegesen közelebb kell egymáshoz elhelyezni (pl. . 30–50 mm távolság 80–100 mm helyett alumínium esetén).

A lapon átívelő termikus gradiensek kiegyenlítése hosszabb időt vesz igénybe, ezért a fűtőzónákat gondosan meg kell tervezni, és a lemeztesteket vastagabbá kell tenni a hőelosztás érdekében.

A felfutási időszakok sokkal hosszabbak ugyanazon fűtőteljesítmény mellett.

Sok magas hőmérsékletű rozsdamentes acél lemezt belülről fúrnak a patronos melegítőkhöz, vagy öntöttek be fűtőtesteket, hogy kompenzálják, és több független fűtési zónával is rendelkezhetnek, egyedi vezérlőkkel.

Egyéb anyagi kérdések
Hőtágulása
A rozsdamentes acél körülbelül 17 × 10⁻⁶/fokkal tágul (304-es osztály), ami kisebb, mint az alumínium, de még mindig jelentős. Az 500 fokra melegített 300 mm-es acéllemez körülbelül 2,4 mm-rel tágul (20 fokról). Ezt rugalmas rögzítő- vagy csúszótámaszokkal kell kompenzálni. Az acéllemezek és acél préskeretek tágulási sebessége nem nagyon különbözik, de ha acéllemezt alumínium keretbe szerelnek be (ritkán), akkor gondos tervezés szükséges.

Korrózióval szembeni ellenállás
Az alumínium és a rozsdamentes acél sok helyen jó korrózióállósággal rendelkezik, de a rozsdamentes acél sokkal jobb nedvesség, vegyszerek vagy magas hőmérsékletű oxidáció jelenlétében. Az alumíniumnak van egy oxidrétege, amely védi a fémet, de ez a réteg gyengülhet magas hőmérsékleten vagy savas/lúgos környezetben. A rozsdamentes acél a legjobb választás élelmiszerekkel- érintkező, orvosi vagy vegyi feldolgozási nyomólapokhoz, különösen akkor, ha tisztítószereket használnak.

Megmunkálhatóság és költség
Az alumínium olcsó (körülbelül 3{4}}ötször olcsóbb, mint a 304-es rozsdamentes acél), és lényegesen könnyebben feldolgozható. Kicsi vezérelhető alumínium forgács. A nyúlós, keményedő rozsdamentes acél lassabb vágási sebességet és masszívabb szerszámokat igényel. Ez azt jelenti, hogy a prototípusok és az egyedi nyomathordozók olcsóbbá válnak az alumíniumban – mindaddig, amíg a hőmérsékleti követelmény a határokon belül marad.

Bevonattal és hőmérséklettel nem egyező lapok
PTFE or fluoropolymer coatings are typically used when a non-stick surface is required (e.g. for curing epoxy prepregs or moulding thermoplastics). The highest continuous temperature of these coatings is 260–290 °C for ordinary grades (some high performance fluoropolymers approach 300 °C). A PTFE coated aluminium platen can not be utilised over 200°C since the aluminium fails first. A stainless steel platen with PTFE coating may be utilised up to the limit of the coating (260°C) however the steel is over specified for that temperature. Permanent PTFE coatings are not used in applications requiring both high temperature (>250 fokos ) és tapadásmentes -felület; ezekben az alkalmazásokban más leválasztó rendszereket alkalmaznak (szilikon bevonatú elválasztó lapok vagy csupasz polírozott acél leválasztó spray-vel).

Gyakorlati kiválasztási kritériumok
Maximális lemezhőmérséklet szükségesAjánlott olvasmány
Akár 150 fokos alumínium 6061 (megfelelő, gyors hőreakció)
150-200 fokos alumínium 6061 terheléscsökkentéssel; rozsdamentes acél, ha erős nyomóerő szükséges
200 fok -250 fok Rozsdamentes acél (304 vagy 316) – az alumínium veszélyes
Rozsdamentes acél (304, 316, 430) 250 foktól 500 fokig
500 fok felett CSpeciális fűtőtestek (Inconel bevonattal) vagy kerámia lapok, rozsdamentes acél
Absztrakt
A fűtőlap alumínium kontra rozsdamentes acél opciója valóban hőmérsékleti probléma. Az alumínium 200 fok körüli hőmérsékletig jó a gyors felmelegedés, a nagy homogenitás, az alacsony költség és a könnyű megmunkálhatóság érdekében. De ezen a hőmérsékleten feszültség hatására meglágyul és deformálódik.