Cartușul de încălzire din oțel inoxidabil, o componentă populară de conversie electrotermică, depinde de acțiunile complementare ale materialelor izolatoare și ale elementelor de încălzire cu rezistență metalică pentru a-și îndeplini scopul principal. Arderea uscată sau încălzirea fără utilizarea unui mediu de transfer de căldură face ca componenta să sufere o serie de modificări chimice și fizice complicate care au ca rezultat o deteriorare ireversibilă a performanței. Esența unei astfel de daune este un proces de deteriorare ireversibilă a materialelor sub cuplarea mai multor câmpuri, care implică în primul rând cinci mecanisme de deteriorare interconectate la niveluri micro, mezo și macro. Chiar și după ce încălzitorul se răcește la temperatura camerei, niciuna dintre aceste modificări nu poate fi anulată.
Oxidarea granulelor cu migrarea elementului și recristalizarea firelor din aliaje de rezistență sunt exemple ale daunelor inițiale și cele mai elementare cauzate de deteriorarea microstructurală a conductorilor metalici. La granițele granulelor, cromul din învelișul de oțel inoxidabil interacționează de preferință cu oxigenul într-un mediu cu temperatură înaltă-la 500 de grade pentru a forma un strat de oxid de Cr2O3. Temperatura locală a încălzitorului poate crește la 800-1000 de grade în timpul incendiului uscat, ceea ce face ca cromul să difuzeze continuu în exterior și să scadă conținutul de crom al matricei sub nivelul crucial de 12%. Ca urmare, oțelul inoxidabil își pierde capacitatea naturală de a rezista la coroziune și de a menține integritatea structurală. În același timp, precipitarea carburilor precum M₂₃C₄ intensifică fragilizarea granulației, făcând învelișul metalic mai fragil și predispus la crăpare. Temperaturile ridicate prelungite provoacă recristalizare dinamică în firul de încălzire din nichel-crom/fier-crom-aluminiu, care produce căldură prin rezistență, determinând ca boabele să se extindă în mod nenatural la trei până la cinci ori dimensiunea lor originală. Conform datelor experimentale, dimensiunea granulației aliajului Ni80Cr20 crește de la 20μm la 90μm după 72 de ore de ardere uscată. Acest lucru determină o scădere cu 60% a rezistenței la tracțiune și o fluctuație a rezistivității de peste ±15%, ceea ce scade direct eficiența de încălzire și durata de viață a firului de încălzire.
Eșecul tranziției de fază a materialului izolator primar al încălzitorului, pulberea de oxid de magneziu, este al doilea rău major. Cu o rată de contracție a volumului de până la 18%, pulberea de oxid de magneziu (MgO) începe să se sinterizeze și să se densifice la 800 de grade, distrugând structura originală liberă și poroasă a stratului izolator și scăzând capacitatea acestuia de a izola împotriva căldurii și a electricității. MgO suferă o reacție de descompunere ireversibilă atunci când temperatura crește peste 1000 de grade: MgO → Mg + 1/2O₂. Magneziul gazos produs în spațiul interior etanș provoacă o creștere bruscă a presiunii interne a aerului, care poate duce cu ușurință la microfisuri în stratul izolator și chiar bombarea învelișului metalic. Rezultatele examinării XRD verifică că MgO ars uscat ar duce la heterofaze de Mg(OH)₂, iar rezistența sa dielectrică va scădea semnificativ cu 40-40 mm6. performanta de izolare. Mai mult, MgO suferă o tranziție de fază de la un sistem cristalin cubic la unul hexagonal la temperaturi ridicate, iar conductivitatea sa termică scade de la 48 W/m·K la 22 W/m·K. În timpul procesului de răcire, această schimbare a formei cristalului este ireversibilă, ceea ce scade permanent capacitatea stratului izolator de a disipa căldura și crește probabilitatea supraîncălzirii locale în utilizarea ulterioară.
Al treilea proces de deteriorare semnificativă este defectarea contactului interfeței, care este cauzată de dezvoltarea stratului de reacție interfacială și stresul de nepotrivire a expansiunii termice. Coeficientul de dilatare termică (CTE) al MgO este de numai 13×10⁻¹/grad, în timp ce mantaua din oțel inoxidabil este de aproximativ 18×10⁻¹/grad. Diferența semnificativă de temperatură în timpul incendiului uscat face ca tensiunile termice ale celor două materiale să difere cu mai mult de 5%. Conform simulării cu elemente finite, această expansiune termică neuniformă provoacă un stres termic enorm la interfața metal-izolatorului, creând o rețea de microfisuri care au o dimensiune de 10-15 μm. Acest lucru crește rezistența termică de contact cu 300–500% și previne transferul normal de căldură de la firul de încălzire la manta metalică. Aliajul Fe-Cr al tecii se combină cu MgO pentru a genera o fază spinel (Fe,Mg)Cr₂O₄ la temperaturi mai mari de 800 de grade, conform spectrului energetic, conform cercetării. La fiecare 100 de ore, grosimea acestui strat de reacție crește cu aproximativ 3μm. Acest lucru crește rezistența interfacială și reduce forța de legătură dintre stratul izolator și manta, creând un risc ascuns pentru defectarea generală a încălzitorului.
Alterarea permanentă a caracteristicilor electrice, care se manifestă ca o avalanșă-ca o scădere a rezistenței de izolație și o creștere bruscă a curentului de scurgere din cauza efectului de tunel, este al patrulea rău. Concentrația inerentă a purtătorului în MgO crește exponențial la temperaturi ridicate, atingând 10²¹/m³ la 900 de grade. Vacantele de oxigen (Vö) și de magneziu (VMg") create de descompunerea la temperatură înaltă-răman în rețeaua cristalină de MgO și formează perechi de receptori donatori-, chiar dacă concentrația de purtător scade în timpul răcirii. Acest lucru face ca rezistența de izolație la temperatura camerei a încălzitorului să scadă semnificativ de la M50ΩM00000000000000000000000000. Între timp, canalele conductoare sunt create de microfisurile care se dezvoltă în interiorul stratului izolator și la interfață. Curentul de scurgere al încălzitorului crește cu două până la trei ordine de mărime, în timp ce efectul de tunel cuantic funcționează. limita de siguranță și prezintă un risc semnificativ de scurgere electrică și scurtcircuit.
Deteriorarea termodinamică ireversibilă, care este controlată de regulile termodinamicii și nu poate fi anulată prin răcire simplă, este a cincea și prima sursă de ireversibilitate a tuturor daunelor menționate mai sus. În esență, arderea uscată este sistemul intern închis al procesului de creștere-entropiei spontane a încălzitorului cu cartuş. Conform calculelor, după 24 de ore de incendiu uscat, entropia unui sistem tipic de încălzire crește cu 1200J/(kg·K), ceea ce este semnificativ mai mare decât capacitatea materialelor ceramice și metalice de a se auto-repara. Mai mult, ireversibilitatea reacțiilor chimice majore în timpul focului uscat este determinată de schimbarea energiei libere Gibbs (ΔG): la 1000 de grade, ΔG al reacției de descompunere a MgO este de -56 kJ/mol, în timp ce ΔG al oxidării oțelului inoxidabil este de - bariere de temperatură joasă și barieră lentă la 420°C. viteza de reacție, ambele reacții - care sunt reacții exoterme spontane la temperaturi ridicate - nu pot avea loc în direcția opusă în timpul răcirii. Ca urmare, produșii de reacție, cum ar fi oxizii și carburile, vor rămâne în material pe termen nelimitat, iar microstructura deteriorată și compoziția de fază nu pot fi restaurate.
În rezumat, deteriorarea prin foc uscat a încălzitoarelor cu cartuș din oțel inoxidabil este o deteriorare sinergetică integrată pe mai multe-scale, cauzată de temperatură ridicată, care include defecțiunea interfeței, difuzia atomică, reacția de tranziție de fază, degradarea proprietăților electrice și o creștere a entropiei termodinamice. Schimbarea bruscă a stării materialelor care este limitată de legile termodinamicii este cauza ireversibilității acestei daune: răcirea nu poate opri reacțiile chimice spontane și modificările microstructurale care apar la temperaturi ridicate, iar sistemul nu poate reveni niciodată la starea sa inițială de -entropie scăzută, de{3}}performanță ridicată. Prin urmare, mai degrabă decât încercarea de reparații după-defecțiune, cheia pentru prevenirea daunelor provocate de arderea uscată este de a întări managementul temperaturii echipamentului de încălzire și sistemul de protecție împotriva-la ardere uscată pentru a împiedica în primul rând să apară situații de ardere uscată. soluția rezidă în continuare în eliminarea condițiilor de funcționare a arderii uscate.
