Ohřívač kazet z nerezové oceli, oblíbený elektrotepelný konverzní komponent, závisí na doplňkovém působení izolačních materiálů a kovových odporových topných prvků, aby splnil svůj primární účel. Suché vypalování nebo ohřev bez použití teplonosného média způsobuje, že součást prochází řadou složitých chemických a fyzikálních změn, které vedou k nevratnému zhoršení výkonu. Podstatou takového poškození je nevratný proces znehodnocování materiálů ve spojení více polí, který primárně zahrnuje pět vzájemně propojených mechanismů poškození na mikro, mezo a makro úrovni. Ani poté, co se ohřívač ochladí na pokojovou teplotu, nelze žádnou z těchto změn vrátit zpět.
Oxidace na hranicích zrn s migrací prvků a rekrystalizace drátů z odporové slitiny jsou příklady počátečního a nejzákladnějšího poškození způsobeného mikrostrukturálním poškozením kovových vodičů. Na hranicích zrn chrom v plášti z nerezové oceli přednostně interaguje s kyslíkem v prostředí s vysokou-teplotou při 500 stupních a vytváří vrstvu oxidu Cr2O3. Místní teplota ohřívače se může během suchého ohně zvýšit na 800-1000 stupňů, což způsobí, že chrom neustále proniká ven a snižuje obsah chrómu v matrici pod rozhodujících 12 %. Výsledkem je, že nerezová ocel ztrácí svou přirozenou schopnost odolávat korozi a udržovat strukturální integritu. Současně srážení karbidů, jako je M23C4, zesiluje křehnutí na hranicích zrn, čímž je kovový plášť křehčí a náchylnější k praskání. Dlouhodobé vysoké teploty způsobují dynamickou rekrystalizaci v nikl{12}}chrom/železo-chrom-hliníkovém topném drátu, který vytváří teplo prostřednictvím odporu, což způsobuje, že se zrna nepřirozeně roztahují na trojnásobek až pětinásobek původní velikosti. Podle experimentálních dat se zrnitost slitiny Ni80Cr20 po 72 hodinách suchého výpalu zvětší z 20 μm na 90 μm. To způsobuje 60% pokles pevnosti v tahu a kolísání měrného odporu o více než ±15%, což přímo snižuje účinnost ohřevu a životnost topného drátu.
Selhání fázového přechodu primárního izolačního materiálu ohřívače, práškového oxidu hořečnatého, je druhou hlavní škodou. S mírou objemového smrštění až 18% se prášek oxidu hořečnatého (MgO) začne slinovat a zhušťovat při 800 stupních, ničí původní volnou a porézní strukturu izolační vrstvy a snižuje její schopnost izolovat proti teplu a elektřině. MgO podléhá nevratné rozkladné reakci, když teplota stoupne nad 1000 stupňů: MgO → Mg + 1/2O₂. Plynný hořčík produkovaný v utěsněném vnitřním prostoru způsobuje náhlé zvýšení vnitřního tlaku vzduchu, což může snadno vést k mikrotrhlinám v izolační vrstvě a dokonce i vyboulení kovového pláště. Výsledky XRD vyšetření potvrzují, že suchý-vypalovaný MgO by měl za následek Mg(OH)₂ heterofáze a jeho dielektrická pevnost výrazně sníží 0 mm/60 kV4 Kromě toho MgO prochází fázovým přechodem z kubického do hexagonálního krystalového systému při vysokých teplotách a jeho tepelná vodivost klesá z 48 W/m·K na 22 W/m·K. Během procesu ochlazování je tento posun krystalické formy nevratný, což trvale snižuje schopnost izolační vrstvy odvádět teplo a zvyšuje pravděpodobnost místního přehřátí při pozdějším použití.
Třetím významným procesem poškození je porucha kontaktu rozhraní, která je způsobena vývojem mezifázové reakční vrstvy a namáháním nepřizpůsobeným tepelnou roztažností. Koeficient tepelné roztažnosti MgO (CTE) je pouze 13×10⁻¹/stupeň, zatímco u pláště z nerezové oceli je přibližně 18×10⁻¹/stupeň. Značný teplotní rozdíl během suchého hoření způsobuje, že se tepelné napětí obou materiálů liší o více než 5 %. Podle simulace metodou konečných prvků tato nerovnoměrná tepelná roztažnost způsobuje enormní tepelné namáhání na rozhraní kovového-izolátoru a vytváří síť mikrotrhlin o velikosti 10–15 μm. To zvyšuje kontaktní tepelný odpor o 300–500 % a zabraňuje normálnímu přenosu tepla z topného drátu do kovového pláště. Slitina Fe-Cr pláště se kombinuje s MgO za vzniku spinelové fáze (Fe,Mg)Cr₂O₄ při teplotách vyšších než 800 stupňů, podle výzkumu energetického spektra. Každých 100 hodin se tloušťka této reakční vrstvy zvětší asi o 3 μm. To zvyšuje mezifázový odpor a snižuje spojovací sílu mezi izolační vrstvou a pláštěm, čímž vzniká skryté riziko celkového selhání ohřívače.
Čtvrtou škodou je trvalá změna elektrických charakteristik, která se projevuje jako lavinový-pokles izolačního odporu a náhlý nárůst svodového proudu v důsledku tunelového efektu. Vlastní koncentrace nosiče v MgO se zvyšuje exponenciálně při vysokých teplotách a dosahuje 10²¹/m³ při 900 stupních. Kyslíková volná místa (Vö) a hořčíková volná místa (VMg“) vytvořená vysokoteplotním rozkladem zůstávají v krystalové mřížce MgO a tvoří páry donorů-akceptorů, i když koncentrace nosiče během ochlazování klesá. To způsobí, že izolační odpor ohřívače při pokojové teplotě výrazně poklesne z původních 1000M0MΩ, což je nedostačující, 50MΩ za dobu, než je průměrný časový limit. vodivé kanály jsou vytvářeny mikrotrhlinami, které se tvoří uvnitř izolační vrstvy a na rozhraní. Svodový proud ohřívače vzroste o dva až tři řády, zatímco funguje efekt kvantového tunelu. Podle skutečných měření může suchá-součástka pracující při napětí 220 V mít bezpečný svodový proud a svodový proud výrazně vyšší než elektrický obvod, což je riziko zkratu výrazně vyšší než elektrický obvod.
Nevratné termodynamické poškození, které je řízeno pravidly termodynamiky a nelze jej vrátit přímým ochlazením, je pátým a primárním zdrojem nevratnosti všech výše uvedených poškození. Suché pálení je v podstatě uzavřený vnitřní systém procesu spontánní entropie ohřívače kazet-. Podle výpočtů vzroste po 24 hodinách suchého ohně entropie typického topného systému o 1200 J/(kg·K), což je výrazně více než schopnost keramických a kovových materiálů se samy -opravovat. Kromě toho je nevratnost hlavních chemických reakcí během suchého požáru určena jejich změnou Gibbsovy volné energie (ΔG): při 1000 stupních je ΔG rozkladné reakce MgO -56 kJ/mol, zatímco ΔG oxidace nerezové oceli je -420 kJ/mol, což je kinetická a pomalá bariérová reakce jako pomalá bariéra vůči reakci s nízkou teplotou. exotermické reakce při vysokých teplotách - nemohou při ochlazování probíhat v opačném směru. Výsledkem je, že reakční produkty, jako jsou oxidy a karbidy, zůstanou v materiálu neomezeně dlouho a poškozenou mikrostrukturu a fázové složení nelze obnovit.
Stručně řečeno, poškození ohřívačů kazet z nerezové oceli suchým ohněm je integrované vícenásobné- synergické poškození způsobené vysokou teplotou, které zahrnuje selhání rozhraní, atomovou difúzi, reakci fázového přechodu, degradaci elektrických vlastností a zvýšení termodynamické entropie. Náhlá změna skupenství materiálu, která je omezena zákony termodynamiky, je příčinou nevratnosti tohoto poškození: chlazení nemůže zastavit spontánní chemické reakce a mikrostrukturální změny, ke kterým dochází při vysokých teplotách, a systém se nikdy nemůže vrátit do původního stavu s nízkou-entropií a vysokým-výkonem. Proto spíše než pokoušet se o opravu po poruše, je klíčem k zabránění poškození suchým vypalováním posílit řízení teploty topného zařízení a systém ochrany proti zapalování-nasucho, aby se předešlo situacím suchého vypalování. Použití gradientních kompozitních izolačních materiálů nebo samovolně se zacelujících slitinových potahů zvyšuje odolnost kazety proti vysokým teplotám, ale v budoucnu může být základním řešením pro zlepšení odolnosti proti vysokým teplotám. provozních podmínek suchého výpalu.
