ما هي درجة حرارة التشغيل القصوى الآمنة لألواح التسخين المصنوعة من الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ؟

لا يمكن استخدام الألومنيوم في أسطوانة تسخين يجب أن تصل درجة حرارتها إلى 300 درجة مئوية. سوف يلتوي ويتشوه حتى مع أدنى قوة ضغط. إذا كنت تدفع إلى نطاقات حرارة أكبر، فمن المهم معرفة سقف درجة الحرارة لمواد الألواح النموذجية. يتم استخدام ألواح التسخين للتغليف، المعالجة المركبة، تشكيل الزجاج والضغط الساخن. تهيمن على هذا المجال مادتان، الألومنيوم (خفيف وموصل ورخيص) والفولاذ المقاوم للصدأ (قوي ومتين ومقاوم للحرارة). هذه في الأساس مسألة اختيار درجة الحرارة بينهما. إن معرفة الحد الأقصى لحدود درجة الحرارة الآمنة لألواح الألومنيوم المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ يضمن أن اللوحة قادرة على الحفاظ على درجة الحرارة المحددة والأحمال الميكانيكية الموضوعة عليها أثناء المعالجة.

ألواح الألمنيوم-العمود الفقري للحرارة المتوسطة
يتمتع الألومنيوم بموصلية حرارية عالية (200–250 واط/م·ك للسبائك مثل 6061) مما يؤدي إلى تسخين سريع وتجانس جيد لدرجة الحرارة. كما أنها منخفضة الوزن ويمكن تشكيلها بسهولة في تصميمات معقدة مع قنوات تسخين مدمجة أو آبار مزدوجة حرارية. لكن كعب أخيل الألومنيوم هو فقدان القوة عند درجات الحرارة المرتفعة.

حد درجة الحرارة والسلوك الميكانيكي
بالنسبة لمعظم سبائك الألومنيوم، مثل 6061-T6، وهي سبيكة الصفيحة الأكثر شيوعًا، فإن الحد الأقصى الآمن لدرجة حرارة التشغيل المستمر يبلغ حوالي 200 درجة (392 درجة فهرنهايت). وبعد هذه العتبة، تبدأ المادة في التلدين؛ تذوب البنية المجهرية المتصلبة بسبب هطول الأمطار ببطء وتفقد السبيكة أعصابها. ونتيجة لذلك، هناك انخفاض حاد في قوة الخضوع والصلابة. 6061 الألومنيوم عند 250 درجة مئوية لديه أقل من 50% من قوة الخضوع في درجة حرارة الغرفة. عند ضغوط ضغط منخفضة تصل إلى 1-2 ميجا باسكال (حوالي 150-300 رطل لكل بوصة مربعة)، يمكن أن تتشوه اللوحة بشكل دائم (ترهل أو انحناء أو تشكيل منخفضات سطحية تلحق الضرر بتجانس التلامس).

من الناحية العملية، نادرًا ما يتم استخدام ألواح الألومنيوم في التطبيقات الحاملة للحمل فوق 180 درجة. ستصل بعض التصميمات إلى 220 درجة إذا كانت هناك حاجة إلى لوح صغير مفرغ (على سبيل المثال تسخين التلامس بدون قوة خارجية) ولكن لا تزال هناك فرصة لتغيير الأبعاد.

التناقض في طلاء PTFE
يتم استخدام PTFE (بولي تترافلوروإيثيلين) كطلاء على العديد من ألواح التسخين المصنوعة من الألومنيوم لتوفير سطح غير قابل للالتصاق. يمكن استخدام PTFE بشكل مستمر في درجات حرارة تصل إلى حوالي 500 درجة فهرنهايت (260 درجة). لم تصمد ركيزة الألومنيوم عند درجة حرارة 260 درجة. تم العثور على طلاء PTFE للبقاء على قيد الحياة على ركيزة الألومنيوم عند 260 درجة. بغض النظر عن مقدار الطلاء الذي يمكن أن يتحمله، فإن العملية برمتها لها سقف صلب، وفقًا لما يمليه حد درجة حرارة مادة اللوح. إذا كانت درجة الحرارة تتجاوز 200 درجة، يكون الفولاذ مطلوبًا حتى لو كانت العملية تتطلب سطحًا غير لاصق-(يمكن طلاء الفولاذ بمادة PTFE أيضًا، ولكن الالتصاق يكون أكثر صعوبة).

التمدد الحراري للألمنيوم
يتمتع الألومنيوم بمعامل تمدد حراري مرتفع إلى حد ما (حوالي 23 × 10^-6 / درجة مئوية لـ 6061). صفيحة من الألومنيوم بطول 300 مم، يتم تسخينها من 20 إلى 200 درجة، وتمتد حوالي 1.2 مم. ويجب تعويض هذا التوسيع باستخدام فتحات التركيب أو قضبان التوجيه أو الموصلات المرنة. قد يؤدي الفشل في توفير التطور الحراري إلى انبعاج السخانات أو تلفها.

ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ: العمود الفقري لدرجات الحرارة العالية
بالنسبة لدرجات حرارة الصوانى التي تزيد عن 250 درجة، يفضل الفولاذ المقاوم للصدأ، خاصة الدرجات الأوستنيتي 304 و316. يحتفظ الفولاذ بالكثير من صفاته الميكانيكية حتى وأكثر من 400 درجة مئوية. وأكثر من ذلك يعتمد الحد على السبيكة والإجهاد المسموح به.

حدود درجة الحرارة للدرجات التمثيلية
الحد الأقصى لدرجة حرارة الخدمة الآمنة للمادة (مستمر) ملاحظات
ألومنيوم 6061-T6 200 درجة (392 درجة فهرنهايت) تنخفض القوة بسرعة فوق 180 درجة ألومنيوم 7075-T6 130 درجة (266 درجة فهرنهايت) الحد الأدنى لدرجة الحرارة بسبب مشاكل التآكل الإجهادي
الفولاذ المقاوم للصدأ 304 800 درجة (1472 درجة فهرنهايت) حد الصوانى العملي ~500 درجة بسبب حدود السخان والعزل
الفولاذ المقاوم للصدأ 316 800 درجة (1,472 درجة فهرنهايت) مشابه لـ 304؛ مقاومة أفضل للكلوريد
الفولاذ المقاوم للصدأ 430 (الفيريتيك) 750 درجة (1382 درجة فهرنهايت) تكلفة أقل، وأقل قابلية للتشكيل
الأداة فولاذ H13 550 درجة (1022 درجة F) مقوية، مقاومة للتآكل؛ ختم ساخن
بالنسبة لألواح التسخين، فإن الحد الأقصى لدرجة الحرارة الآمنة العملية للفولاذ المقاوم للصدأ لا يقتصر عادةً على الفولاذ نفسه، ولكن على عناصر السخان والمواد العازلة والمزدوجة الحرارية. يمكن تشغيل ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ بشكل آمن عند درجات حرارة تتراوح بين 400-500 درجة (750-930 درجة فهرنهايت) عند تجهيزها بسخانات داخلية مناسبة (مثل المكونات المعدنية المعزولة المغلفة بالمعدن) والعزل عالي الحرارة (مثل ألياف السيراميك أو الميكا). تستخدم بعض ألواح تشكيل الزجاج الخاصة سخانات مغطاة بطبقة إنكونيل وعوازل عالية الأداء تصل إلى 650 درجة.

الاحتفاظ بالقوة في درجات الحرارة العالية
يحافظ الفولاذ المقاوم للصدأ AISI 304 على حوالي 70% من قوة إنتاج درجة حرارة الغرفة عند 500 درجة. وبعبارة أخرى، فإن الصفيحة المصممة لقوة ضغط تبلغ 50 طنًا في درجة الحرارة المحيطة ستظل قادرة على التعامل مع حوالي 35 طنًا عند 500 درجة. وعلى النقيض من ذلك، يحتفظ الألومنيوم بنسبة 10-20% فقط من قوته عند درجة حرارة 250 درجة. الصلب هو المادة المفضلة عند درجات حرارة أعلى من 250 درجة لأنه لا يزحف أو يصلد تحت ضغوط الضغط الصناعية العادية.

لغز الموصلية الحرارية
القيد الرئيسي للفولاذ المقاوم للصدأ هو ضعف التوصيل الحراري. الفولاذ من النوع 304، الذي يتمتع بموصلية حرارية في درجة حرارة الغرفة تبلغ تقريبًا 15 وات/م·ك، لديه موصلية حرارية تبلغ حوالي 18 وات/م·ك عند 500 درجة. وهذا أقل بحوالي 10 إلى 12 مرة من الألومنيوم. نتيجة ل:

للتخلص من البقع الباردة، يجب وضع عناصر السخان بشكل أقرب من بعضها البعض (على سبيل المثال. 30 - مسافة 50 مم بدلاً من 80-100 مم للألمنيوم).

تستغرق التدرجات الحرارية عبر الصفيحة وقتًا أطول حتى تتم معادلة ذلك، لذا يجب تصميم مناطق التسخين بعناية وجعل أجسام الألواح أكثر سمكًا لتوزيع الحرارة.

تكون فترات التكثيف أطول بكثير لنفس قوة السخان.

يتم حفر الكثير من ألواح الفولاذ المقاوم للصدأ ذات درجة الحرارة المرتفعة داخليًا لسخانات الخرطوشة أو صبها في سخانات للتعويض وقد تحتوي على عدة مناطق تسخين مستقلة مع وحدات تحكم فردية.

قضايا مادية أخرى
التمدد الحراري
يتمدد الفولاذ المقاوم للصدأ بحوالي 17 × 10⁻⁶ / درجة (درجة 304)، وهي أقل من الألومنيوم ولكنها لا تزال كبيرة. سوف تتوسع صفيحة فولاذية مقاس 300 مم يتم تسخينها إلى 500 درجة بحوالي 2.4 مم (من 20 درجة). يجب تعويض ذلك عن طريق التركيب المرن أو الدعامات المنزلقة. لا تختلف معدلات التوسع في الألواح الفولاذية وإطارات الضغط الفولاذية كثيرًا، ولكن إذا تم تركيب لوحة فولاذية في إطار من الألومنيوم (نادرًا ما يتم ذلك)، فمن الضروري التخطيط الدقيق.

مقاومة التآكل
يتمتع كل من الألومنيوم والفولاذ المقاوم للصدأ بمقاومة جيدة للتآكل في العديد من الإعدادات، لكن الفولاذ المقاوم للصدأ أفضل بكثير في وجود الرطوبة أو المواد الكيميائية أو الأكسدة في درجات الحرارة العالية. يحتوي الألومنيوم على طبقة أكسيد تحمي المعدن ولكن هذه الطبقة يمكن أن تضعف في درجات الحرارة المرتفعة أو البيئات الحمضية/القلوية. يعتبر الفولاذ المقاوم للصدأ هو الخيار الأفضل لأطباق ملامسة الطعام-أو المعالجة الطبية أو الكيميائية، خاصة عند استخدام عوامل التنظيف.

القدرة على الماكينات والتكلفة
الألومنيوم غير مكلف (حوالي 3-5 مرات أرخص من الفولاذ المقاوم للصدأ 304 من حيث الحجم) وأسهل في المعالجة إلى حد كبير. رقائق الألومنيوم الصغيرة التي يمكن السيطرة عليها. يحتاج الفولاذ المقاوم للصدأ المتصلب للعمل على شكل صمغ إلى سرعات قطع أبطأ وأدوات أكثر متانة. وهذا يعني أن النماذج الأولية والألواح المخصصة أصبحت أقل تكلفة في الألومنيوم - طالما ظلت متطلبات درجة الحرارة ضمن حدودها.

لوحات مع طلاء وعدم تطابق درجة الحرارة
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 درجة ) وسطح غير لاصق-؛ في هذه التطبيقات يتم استخدام أنظمة تحرير أخرى (صفائح إطلاق مطلية بالسيليكون أو فولاذ مصقول مع رذاذ إطلاق).

معايير الاختيار العملية
الحد الأقصى لدرجة حرارة الصوانى المطلوبة القراءة الموصى بها
ما يصل إلى 150 درجة ألومنيوم 6061 (تفاعل حراري مناسب وسريع)
150 درجة إلى 200 درجة ألومنيوم 6061 مع تخفيض الحمل؛ الفولاذ المقاوم للصدأ إذا كانت هناك حاجة إلى قوى ضغط قوية
200 درجة -250 درجة الفولاذ المقاوم للصدأ (304 أو 316) - الألومنيوم خطير
الفولاذ المقاوم للصدأ (304، 316، 430) 250 درجة إلى 500 درجة
فوق 500 درجة سخانات خاصة (مغلفة بالإنكونيل) أو ألواح سيراميك، من الفولاذ المقاوم للصدأ
خلاصة
يعد خيار الألومنيوم مقابل الفولاذ المقاوم للصدأ للوحة التسخين مشكلة في درجة الحرارة حقًا. يعتبر الألمنيوم جيدًا حتى حوالي 200 درجة مئوية للتسخين السريع والتجانس العالي والتكلفة المنخفضة وسهولة التصنيع. ولكن عند درجة الحرارة هذه فإنه يلين ويتشوه تحت الضغط.