300 डिग्री से ऊपर के अल्ट्रा-उच्च तापमान अनुप्रयोगों में प्लेटों को गर्म करने के लिए किन सामग्रियों का उपयोग किया जाता है?

एल्यूमिनियम हीटिंग प्लेटें (मानक प्रकार, पीटीएफई लेपित) लगभग . 260 डिग्री तक सीमित हैं। ऐसी प्रक्रियाओं के लिए जिनके लिए 300 डिग्री, 400 डिग्री या इससे भी अधिक की आवश्यकता होती है, सामग्री और हीटर प्रौद्योगिकियों की एक अलग श्रेणी तैनात की जाती है। अल्ट्रा-उच्च तापमान हीटिंग प्लेटें सेमीकंडक्टर निर्माण, मिश्रित इलाज, ग्लास बनाने और उच्च तापमान सामग्री परीक्षण जैसे विभिन्न क्षेत्रों में महत्वपूर्ण घटक हैं। प्लेट सामग्री और हीटर प्रकार की पसंद एक भरोसेमंद संचालन, समान गर्मी वितरण और तीव्र थर्मल तनाव के तहत लंबी सेवा जीवन की गारंटी देती है।

उच्च तापमान प्लेटों के लिए सामग्री चयन मानदंड
Traditional materials are no longer viable at >300 डिग्री: एल्यूमीनियम (पिघलने का बिंदु 660 डिग्री लेकिन 200 डिग्री से ऊपर तेजी से ताकत खो देता है) और पीटीएफई (अधिकतम निरंतर उपयोग 260 डिग्री)। प्लेट सामग्री के चयन के लिए मुख्य पैरामीटर हैं:

अधिकतम निरंतर संचालन तापमान - निर्दिष्ट तापमान पर सामग्री में यांत्रिक शक्ति और ऑक्सीकरण या रेंगना प्रतिरोध होना चाहिए।

तापीय चालकता - चालकता जितनी अधिक होगी, पूरे प्लेट में तापमान की एकरूपता उतनी ही बेहतर होगी।

थर्मल विस्तार गुणांक (सीटीई) - अनुचित तनाव को रोकने के लिए एम्बेडेड हीटर और माउंटिंग हार्डवेयर से मेल खाना चाहिए।

संक्षारण और ऑक्सीकरण प्रतिरोध - हवा या कठोर प्रक्रिया वाले वातावरण में विशेष महत्व रखता है।

लागत और मशीनेबिलिटी - निर्माण के लिए व्यावहारिक पहलू।

300 डिग्री से अधिक तापमान पर प्लेट सामग्री के लिए विकल्प
सामग्री का चुनाव विशिष्ट तापमान सीमा, आवश्यक एकरूपता और प्रक्रिया वातावरण पर निर्भर करता है। ये उपयोग की जाने वाली सबसे लोकप्रिय सामग्रियां हैं।

स्टेनलेस स्टील (304, 316, 321)
स्टेनलेस स्टील प्लेटें लगभग 500 C (300 C विश्वसनीय) के लिए अच्छी होती हैं। ग्रेड 304 और 316 में मजबूत ऑक्सीकरण प्रतिरोध और मध्यम ताकत है। बार-बार थर्मल साइक्लिंग के लिए, ग्रेड 321 (टाइटेनियम के साथ स्थिर) इंटरग्रेनुलर जंग के लिए बेहतर प्रतिरोध प्रदान करता है।

हालाँकि, स्टेनलेस स्टील में अपेक्षाकृत कम ताप चालकता होती है (304 के लिए लगभग 15 W/m·K, एल्यूमीनियम के लिए 205 W/m·K)। समान सतह तापमान प्राप्त करने के लिए अक्सर मोटी प्लेटों (15-25 मिमी) की आवश्यकता होती है। यदि प्लेट पर्याप्त रूप से मोटी नहीं है, या यदि हीटर को सतह के बहुत करीब रखा गया है, तो विकृति विकसित हो सकती है। 500 डिग्री से अधिक तापमान पर स्टेनलेस स्टील्स का ऑक्सीकरण तेज हो जाता है और उच्च निकल मिश्र धातुओं की आवश्यकता होती है।

निकेल-क्रोमियम मिश्र धातु (इंकोलॉय, इंकोनेल)
इनकोलॉय (800, 825) और इंकोनेल (600, 625) जैसे कठोर कर्तव्य के लिए निकल {0}क्रोमियम - लौह मिश्र धातु, इन सामग्रियों में 800 डिग्री और उससे अधिक तक बहुत अच्छी ताकत और ऑक्सीकरण प्रतिरोध होता है। वे 500-800 डिग्री के तापमान पर हवा या संक्षारक वातावरण में प्लेटों को गर्म करने के लिए पसंदीदा सामग्री हैं।

इंकोलॉय 800 का अधिकतम निरंतर तापमान लगभग 870 डिग्री है। लगभग 11{14}}15 W/m·K की तापीय चालकता के साथ, यह स्टेनलेस स्टील के समान है। इसमें उच्च निकल सामग्री होती है जो ऑक्सीकरण और क्लोराइड तनाव संक्षारण क्रैकिंग का प्रतिरोध करती है। इनकोनेल 600 का उपयोग 1090 डिग्री तक किया जा सकता है, हालांकि तापीय चालकता परिवेश के तापमान पर लगभग 15 W/mK और 800 डिग्री पर 20 W/mK तक गिर जाती है। इन मिश्र धातुओं की कीमत स्टेनलेस स्टील से काफी अधिक है, फिर भी ये आमतौर पर अति-उच्च तापमान प्रक्रियाओं के लिए एकमात्र व्यवहार्य विकल्प हैं।

कास्ट एल्यूमिनियम कांस्य या तन्य लौह
कास्ट एल्यूमीनियम कांस्य (तांबा-एल्यूमीनियम मिश्र धातु) मध्यम उच्च तापमान अनुप्रयोगों (300-450 डिग्री) के लिए एक मजबूत उम्मीदवार है क्योंकि इसमें उत्कृष्ट ताकत और उत्कृष्ट तापीय चालकता (∼40-60 डब्लू/एम·के) है। इसका व्यापक रूप से हॉट प्लेट डाई और मोल्डिंग उपकरण के लिए उपयोग किया जाता है जहां गर्मी हस्तांतरण महत्वपूर्ण है। लेकिन ऑक्सीकरण के कारण एल्यूमीनियम कांस्य 500 डिग्री से ऊपर स्वीकार्य नहीं है।

तन्य लौह (गांठदार कच्चा लोहा) का उपयोग लगभग 30-40 W/m·K की तापीय चालकता के साथ लगभग 600 डिग्री तक किया जा सकता है। निकल मिश्रधातु से सस्ता और जटिल आकार में बनाया जा सकता है। हालाँकि, जब तक नियंत्रित वातावरण में लेपित या उपयोग नहीं किया जाता है, तब तक तन्य लौह 500 डिग्री सेल्सियस पर सतह स्केलिंग के लिए अतिसंवेदनशील होता है।

विदेशी वैकल्पिक सामग्री
उच्चतम तापमान अनुप्रयोगों (800-1200 डिग्री) के लिए सिरेमिक प्लेट्स (एल्यूमिना, सिलिकॉन कार्बाइड) या ग्रेफाइट प्लेट्स का उपयोग किया जाता है। सिरेमिक प्लेटों में बहुत कम तापीय चालकता होती है (सिलिकॉन कार्बाइड के लिए 20-30 डब्लू/एम·के, एल्यूमिना के लिए 3-5 डब्लू/एम·के) जो तापमान में असमानता पैदा कर सकती है जब तक कि बिखरे हुए हीटिंग उपकरणों के साथ सावधानीपूर्वक निर्माण न किया जाए। ग्रेफाइट प्लेटों में अच्छी तापीय चालकता (100-150 W/mK) होती है। हालाँकि, ऑक्सीकरण 400 डिग्री से अधिक शुरू होता है और इसके लिए एक सुरक्षात्मक वातावरण (वैक्यूम या अक्रिय गैस) की आवश्यकता होती है। ये सामग्रियां सामान्य औद्योगिक हॉट प्लेटों की सीमा से बाहर हैं, लेकिन पूर्णता के लिए इनका उल्लेख किया गया है।

प्लेट उच्च तापमान हीटर प्रौद्योगिकियाँ
प्लेट में लगा या उससे जुड़ा हीटर उच्च तापमान का प्रतिरोध करने में भी सक्षम होना चाहिए। मानक पीटीएफई इंसुलेटेड या सिलिकॉन रबर हीटर 260 डिग्री से ऊपर स्वीकार्य नहीं हैं। नीचे दिए गए हीटर प्रकार का उपयोग अति-उच्च तापमान प्लेटों के लिए किया जाता है।

कार्ट्रिज हीटर - उच्च तापमान
कार्ट्रिज हीटर बेलनाकार प्रतिरोधक हीटर होते हैं जिन्हें प्लेट में विशेष ड्रिल किए गए छेद में फिट किया जाता है। 300 डिग्री से ऊपर की सेवा के लिए, शीथ सामग्री स्वीकार्य ऑक्सीकरण प्रतिरोध के साथ उच्च निकल मिश्र धातु (इंकोलॉय 800, इंकोनेल 600) या स्टेनलेस स्टील होनी चाहिए। अंदर का इन्सुलेशन संपीड़ित मैग्नीशियम ऑक्साइड (एमजीओ) है जो > 800 डिग्री तक स्थिर है। कार्ट्रिज हीटर सतह के तापमान 750 डिग्री और उससे अधिक तक पहुंच सकते हैं।

इन हीटरों में बहुत अच्छा बिजली घनत्व (50 डब्ल्यू/सेमी 2 तक) होता है और इन्हें एक समान प्लेट तापमान बनाने के लिए ग्रिड में व्यवस्थित किया जा सकता है। हालाँकि, हीटर शीथ और प्लेट सामग्री के बीच सीटीई बेमेल को ध्यान में रखा जाना चाहिए। ढीला फिट (0.05–0.10 मिमी क्लीयरेंस) हीटर के विस्तार और प्रतिस्थापन की अनुमति देता है।

मीका इंसुलेटेड बैंड या स्ट्रिप हीटर
अभ्रक इंसुलेटेड हीटर अभ्रक कोर पर एक प्रतिरोध तार के घाव से बने होते हैं जो अभ्रक शीट के बीच सैंडविच होते हैं और एक धातु म्यान (स्टेनलेस स्टील या इंकोलॉय) में लेपित होते हैं। आमतौर पर इन हीटरों को या तो परिधि के चारों ओर जकड़ दिया जाता है या हीटिंग प्लेट के नीचे की तरफ बोल्ट से बांध दिया जाता है। अभ्रक इन्सुलेशन को 480 डिग्री (कुछ ग्रेड से 650 डिग्री तक) तक के तापमान पर निरंतर संचालन के लिए रेट किया गया है। अभ्रक हीटर विभिन्न उच्च तापमान प्लेट अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं, जिसमें धातु म्यान का तापमान 450-600 डिग्री तक पहुंच जाता है।

स्ट्रिप हीटर (आयताकार क्रॉस-सेक्शन) को प्लेट में डाला जा सकता है या मशीनी खांचे में बांधा जा सकता है। उनमें कार्ट्रिज हीटर की तुलना में कम वाट घनत्व (अक्सर 5-15 डब्लू/सेमी2) होता है, लेकिन उन्हें बदलना आसान होता है।

सिरेमिक फाइबर इलेक्ट्रिक हीटर
600 डिग्री से ऊपर प्लेट तापमान के लिए सिरेमिक फाइबर इंसुलेटेड हीटर का उपयोग किया जाता है। इनमें एक प्रतिरोध तार (FeCrAl या NiCr) को सिरेमिक फाइबर कंबल या वैक्यूम निर्मित सिरेमिक बोर्ड में डाला जाता है। सिरेमिक इन्सुलेशन 1200 डिग्री तक मजबूत है। ऐसे हीटरों का उपयोग अक्सर मुक्त {{6}रेडिएटर पैनल के रूप में किया जाता है, न कि किसी धातु की प्लेट में बंद किया जाता है। यदि धातु की प्लेट की अभी भी आवश्यकता है (यांत्रिक समर्थन या यहां तक ​​कि तापमान वितरण के लिए), तो एक सिरेमिक हीटर को पतली इंकोलॉय प्लेट के पीछे स्थित किया जा सकता है, प्लेट को विकिरण और चालन द्वारा गर्म किया जा सकता है।

उच्च-तापमान हीटिंग प्लेट सामग्री चयन चार्ट
निम्नलिखित तालिका विशिष्ट उच्च तापमान हीटिंग प्लेट सामग्रियों की मुख्य विशेषताओं को रेखांकित करती है।

सामग्री अधिकतम सतत तापमान डिग्री तापीय चालकता W/m·K सापेक्ष लागत अनुप्रयोग विशिष्ट
एल्यूमिनियम (6061) 200 (लेपित) 205 निम्न 260 डिग्री से ऊपर उपयुक्त नहीं स्टेनलेस स्टील 304 500 15 कम सामान्य प्रयोजन 500 डिग्री तक; विकृत होने का खतरा
थर्मल साइक्लिंग के लिए स्टेनलेस स्टील 321 550 15 कम - मध्यम प्रतिरोध
इंकोलॉय 800 870 11-15 उच्च 500-800 डिग्री; ऑक्सीकरण प्रतिरोध
इनकोनेल 600 1090 15-20 बहुत अधिकअत्यधिक तापमान; संक्षारक वातावरण
कास्ट एल्यूमिनियम कांस्य 450 40-60 मध्यम अच्छा कंडक्टर; मोल्डिंग उपकरण
तन्य लौह 600 30-40 कम - मध्यम 600 डिग्री तक सस्ता; ऊपर स्केलिंग
सिलिकॉन कार्बाइड (सिरेमिक) 1400 20-30 उच्च तापमान पर बहुत अधिक भंगुरता
प्लेटों का डिज़ाइन - व्यावहारिक विचार
थर्मल विस्तार का बेमेल
यदि आप किसी भिन्न सामग्री की प्लेट में धातु हीटर (ऐसे कारतूस हीटर) एम्बेड करते हैं, तो आपको थर्मल विस्तार (सीटीई) के गुणांक में अंतर पर विचार करना चाहिए। उदाहरण के लिए, एक इंकोलॉय कार्ट्रिज हीटर का CTE लगभग 15 x 10⁻⁶/डिग्री होता है, और एक इंकोलॉय प्लेट का CTE समान होता है, इसलिए कोई बेमेल नहीं होता है। हालांकि, एक स्टेनलेस स्टील प्लेट (सीटीई ~17) इनकॉनेल हीटर (सीटीई ~14) के साथ गर्म होने पर कतरनी तनाव उत्पन्न करेगी। क्लीयरेंस फिट और उच्च तापमान एंटी-सीज़ कंपाउंड या ग्रेफाइट फ़ॉइल सापेक्ष गति को संभव बनाता है।

ऑक्सीकरण प्रतिरोध
हवा में 500 C पर काम करने वाली प्लेटों के लिए सतह का ऑक्सीकरण अपरिहार्य है। एक पतली ऑक्साइड कोटिंग सहनीय हो सकती है, लेकिन महत्वपूर्ण स्केलिंग उत्सर्जन को बदल सकती है और प्रक्रिया को प्रदूषित कर सकती है। समय-समय पर सफाई या उच्च तापमान वाले सिरेमिक कोटिंग्स (उदाहरण के लिए, एल्यूमिना आधारित) का अनुप्रयोग स्केलिंग को कम करने में मदद कर सकता है। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में प्लेट के चारों ओर एक अक्रिय गैस पर्ज (नाइट्रोजन या आर्गन) का उपयोग किया जा सकता है।

हीटर पर प्लेट लगाना
ऊंचे तापमान पर, प्लेट में हीटरों को टांकने या वेल्डिंग करने से आम तौर पर बचा जाता है, क्योंकि तब प्रतिस्थापन असंभव होता है। मैकेनिकल क्लैंपिंग (स्ट्रिप हीटर के लिए) या ड्रिल किए गए छेद में हटाने योग्य कार्ट्रिज हीटर अनुशंसित विकल्प हैं। गर्मी हस्तांतरण को बढ़ाने और विस्तार के कारण अंतराल को भरने के लिए हीटर और प्लेट के बीच एक थर्मल पेस्ट या प्रवाहकीय भराव (उदाहरण के लिए ग्रेफाइट आधारित) लगाया जाना चाहिए।

सारांश
300 डिग्री से अधिक उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए हीटिंग प्लेटों को अद्वितीय सामग्री और हीटर तकनीक की आवश्यकता होती है। एल्यूमीनियम और पीटीएफई, मानक, लगभग 260 डिग्री तक जाते हैं। स्टेनलेस स्टील प्लेटों में अभ्रक इंसुलेटेड या कार्ट्रिज हीटर 300 डिग्री रेंज के लिए किफायती हैं, लेकिन विरूपण और ऑक्सीकरण से निपटना पड़ता है। उच्च तापमान कार्ट्रिज हीटर (इंकोलॉय शीथ, एमजीओ इन्सुलेशन) या सिरेमिक फाइबर हीटर का उपयोग करके 500-800 डिग्री रेंज के लिए निकल-क्रोमियम मिश्र धातु (इंकोलॉय, इंकोनेल) को प्लेट सामग्री के रूप में पसंद किया जाता है। 300-600 डिग्री रेंज में, कास्ट एल्यूमीनियम कांस्य और नमनीय लोहे का विशेष उपयोग होता है जहां तापीय चालकता को प्राथमिकता दी जाती है। यदि अधिकतम निरंतर तापमान पार हो जाए तो कोई भी घटक जल्दी टूट जाएगा। इस प्रकार भौतिक सीमाएँ व्यवहार्य परिचालन लिफाफे को परिभाषित करती हैं। प्लेट सामग्री और हीटर प्रकार की उपयुक्त पसंद से, औद्योगिक प्रक्रियाओं की मांग के लिए भरोसेमंद उच्च तापमान हीटिंग प्लेटें डिजाइन की जा सकती हैं।