Как производят ТЭН: технология изготовления трубчатых электрических нагревателей
От заготовки трубы до готового нагревателя — разбираем каждый этап производства ТЭН. Почему чистота металла определяет срок службы, как работает опрессовка и чем патронный ТЭН отличается от круглого двухконцевого.
Технология производства ТЭН включает как универсальные операции, общие для всех типов нагревателей, так и специфические — характерные для каждого вида: двухконцевых круглых, патронных, плоских и нагревательных кабелей.
Наибольшее распространение имеют круглые двухконцевые ТЭН — именно их производство рассматривается как базовое. Диаметр оболочки таких нагревателей варьируется от 5 до 18 мм. ТЭН малого диаметра (5–10 мм) компактнее и на 1,5 раза экономичнее по расходу материала, однако требуют более высокой точности производства: толщина изоляции между спиралью и оболочкой у них в 2–4 раза меньше, чем у ТЭН большого диаметра (12–18 мм).
Рис. 1. Последовательность основных операций производства ТЭН.
Пошаговый процесс: от трубы до готового ТЭН
1
Очистка труб от масла и загрязнений
Это, пожалуй, самая критичная операция всего производства. Даже ничтожные остатки масла на внутренних стенках трубы при рабочей температуре 700–800 °C образуют углеродистые соединения, которые «темнят» периклаз и резко снижают его электроизоляционные свойства. Снижение изоляции у таких ТЭН может начаться уже через 5 минут после включения. Трубы обезжиривают химически или ультразвуковым методом, после чего прокаливают при 300–600 °C. После прокалки прикасаться к спирали нагревательного узла руками не допускается.
Критично для изоляции
2
Резка труб на заготовки мерной длины
Трубы режут на заготовки требуемой длины. После резки обязательно снимают внутренние фаски и заусенцы — острые кромки могут надрезать проволоку спирали при последующей опрессовке. Ультразвуковая очистка, дающая лучший результат, выполняется до резки — с трубами в состоянии поставки длиной до 6,5 м. Повторная очистка коротких заготовок (до 2 м) повышает качество обезжиривания.
Точность ±допуск
3
Изготовление спирали и контактных стержней
Нагревательную спираль навивают из проволоки нихрома или фехраля расчётного диаметра на станке. Наружный диаметр спирали должен точно совпадать с диаметром внутреннего конца контактного стержня — это исключает смещение спирали при засыпке и опрессовке. Контактные стержни изготавливают на токарных автоматах. Внутренний конец стержня бывает трёх типов: гладкий цилиндрический (предпочтительный — исключает разрыв проволоки при обжатии), резьбовой и конический.
Спираль + стержень
4
Засыпка периклаза и уплотнение вибрацией
Собранный нагревательный узел (спираль + стержни) устанавливается в трубу-заготовку. Через воронку засыпается электротехнический периклаз, одновременно трубка подвергается вибрации — это обеспечивает равномерное заполнение пространства между спиралью и оболочкой. Плотность насыпного слоя на этом этапе составляет 2100–2450 кг/м³ — она напрямую влияет на степень последующей опрессовки. После засыпки торцы закрывают технологическими пробками.
Наполнение + вибрация
5
Опрессовка — обжим трубки
Ключевая операция производства. Трубку ТЭН прокатывают через специальную волоку или обжимают на прокатных роликах, уменьшая наружный диаметр на 13–22%. Это уплотняет периклаз до требуемой плотности и обеспечивает плотный контакт «спираль — периклаз — оболочка». Многоступенчатый процесс: на первых ступенях уплотняется периклаз, на последних — нарастает удлинение трубки. Чрезмерная степень обжатия (>22%) дробит зёрна периклаза, ухудшая его электроизоляционные свойства в 1,5–2 раза.
Критичный параметр: 13–22%
6
Термообработка (отжиг)
После обжатия металл трубки и спирали имеет внутренние механические напряжения — это снижает пластичность и может привести к трещинам при гибке. Отжиг в электрической печи сопротивления снимает напряжения и восстанавливает пластичность. Нагрев в защитной или контролируемой атмосфере предпочтителен для высоколегированных сталей. Температура и время отжига подбираются по материалу оболочки.
Снятие напряжений
7
Подрезка торцов и гибка
Торцы трубки подрезают на токарных станках для получения точной длины нагревателя. Прогрессивная технология — опрессовка с минусовым допуском и последующее растягивание тэна до номинального размера (не более 2% длины) — позволяет обойтись без подрезки. Гибку выполняют на гибочных станках с копирами различных форм. Угол гиба может достигать 90° и более; время гиба одного конца — 3–5 секунд. Для особых форм применяют гибочные прессы.
Финальная форма
8
Герметизация торцов
Завершающая технологическая операция, определяющая долговечность ТЭН в эксплуатации. В выборку периклаза вставляют керамический изолятор (шейка изолятора должна входить в трубку с плотным прилеганием), затем наносят герметик двумя слоями: между изолятором и периклазом и между изолятором и контактным стержнем. Недостаточная очистка поверхностей под герметик образует микроскопические «дырки», через которые влага постепенно проникает в периклаз и разрушает изоляцию. Глубина выборки периклаза — важнейший параметр: слишком малая или слишком большая глубина одинаково плохо сказываются на герметичности.
Главный барьер от влаги
Рис. 2. Узел герметизации торца ТЭН (по Рис. 28 книги). α — герметик между изолятором и периклазом; β — между изолятором и контактным стержнем.
Периклаз: ключевой материал и его роль в качестве ТЭН
Электротехнический периклаз (MgO) — самый ответственный материал в производстве ТЭН. Его свойства напрямую определяют, как долго проработает нагреватель.
⚠ Влага — главный враг периклаза
Периклаз химически связывает влагу: MgO + H₂O → Mg(OH)₂. После сушки при 150–200 °C такой материал покажет удовлетворительную изоляцию, но при первом включении нагревателя вода выделится обратно и резко снизит сопротивление вплоть до пробоя. Опыт: 10 качественных ТЭН без герметизации торцов за одни сутки в камере с влажностью 98% — после включения все 10 вышли из строя.
Правила хранения и подготовки периклаза
Если влажность окружающей среды превышала 80% даже кратковременно, периклаз может содержать до 1% воды (10 г на 1 кг материала). Для восстановления его свойств требуется прокалка при 700–750 °C в течение 4 часов — слой прокаливаемого материала не должен превышать 100 мм. При незначительном увлажнении достаточно просушки при 150–200 °C.
На производстве периклаз с момента вскрытия герметичной упаковки хранят в сушильных шкафах при 150 °C. Это требование соблюдается на всех операциях — от засыпки до герметизации. Перерыв между операциями более 0,5 часа требует возврата заготовки в сушильный шкаф. Передовые предприятия устанавливают сушильные шкафы непосредственно на рабочих местах вдоль производственной линии.
Входной контроль периклаза
Контролируемый параметр
Что проверяют
Химический состав
Чистота MgO, отсутствие примесей, снижающих электроизоляцию
Зерновой состав
Фракционный состав — влияет на плотность засыпки и степень опрессовки
Удельное объёмное сопротивление
Электроизоляционные свойства при рабочей температуре
Электрическая прочность
Стойкость к пробою при рабочем напряжении
Токи утечки
Допустимый ток утечки через изоляцию
Плотность утряски
Характеристика уплотняемости при вибрации и обжатии
Влагопоглощение
Скорость и объём поглощения влаги из воздуха
Наличие магнитных включений
Металлические частицы снижают электроизоляцию в горячем состоянии
Особенности производства патронных и плоских ТЭН
Патронные ТЭН
Главное отличие патронного нагревателя от двухконцевого — оба контактных вывода расположены с одной стороны. Нагревательная спираль намотана на керамический стержень, что предъявляет особые требования к керамике: она должна выдерживать плотную намотку проволоки, но при этом способна рассыпаться в порошок при обжатии и удлинении ТЭН в ходе опрессовки.
Для производства патронных ТЭН применяют два вида керамики: стеатит — для температуры на спирали до 600–700 °C, и периклазовую мелкозернистую керамику — для более высоких температур (до 1200 °C). Керамика выпускается в нескольких конфигурациях: центрирующая звёздочка, керамические стержни с намотанной проволокой, задняя торцевая шайба, верхняя шайба.
Плоские ТЭН
Плоский ТЭН конструктивно отличается сечением оболочки: прямоугольным или близким к прямоугольному. Спираль намотана на керамическую пластину, зазор между спиралью и оболочкой засыпается периклазом. Уплотнение периклаза производится на прессе за счёт плющения трубки.
При большой длине плоского ТЭН (до 6 м) опрессовка выполняется участками по 600–800 мм последовательно. Качество герметизации плоских и патронных ТЭН несколько уступает двухконцевым круглым — это обусловлено конструктивными особенностями. Для повышения влагозащиты к таким ТЭН приваривают герметизирующие коробки.
Производство нагревательных кабелей
Нагревательные кабели с минеральной изоляцией разделяют с ТЭН ряд общих операций: очистку заготовок, подготовку периклаза, вибрационное уплотнение, опрессовку, отжиг, измерение и контроль электрических параметров. Однако большинство операций и оборудования принципиально отличаются — кабели и ТЭН существенно различаются по геометрии.
Для кабелей используют трубы диаметром 10–25 мм с толщиной стенки 1–4 мм и длиной до 5 м. Вместо спирали в наполнитель запрессовываются одна или две металлические токопроводящие жилы. Периклаз прокаливается перед заполнением при 800–900 °C для удаления влаги и обеспечения максимальной электроизоляции. После опрессовки кабель может дополнительно прокатываться для получения итогового диаметра.
Контроль качества готового изделия
Готовые ТЭН проходят обязательный контроль электрических и механических параметров. Входной контроль охватывает все ключевые материалы ещё до начала производства.
Состояние поверхности, разброс удельного сопротивления, качество термообработки
Герметизирующие материалы
Вязкость, адгезия, паропроницаемость, допустимый срок хранения
Концевые изоляторы (керамика)
Электрическая прочность, влагопоглощение по ГОСТ 13871-78
Готовые нагреватели проверяют на электрическое сопротивление спирали (соответствие расчётной мощности), электрическое сопротивление изоляции в холодном и горячем состоянии, электрическую прочность изоляции, а также на соответствие геометрических размеров чертежу. Нагреватели, прошедшие контроль, маркируются и упаковываются с соблюдением требований по влажности хранения.
Часто задаваемые вопросы о производстве ТЭН
Из чего изготавливают трубку ТЭН?
Оболочку ТЭН изготавливают из труб углеродистой стали, нержавеющей стали, меди или алюминия. Трубы проходят очистку от масла, резку в размер и снятие внутренних фасок перед сборкой нагревательного узла.
Почему важна чистота трубы при производстве ТЭН?
Остатки масла или загрязнений на внутренних стенках трубы при высоких температурах образуют углеродистые соединения, которые «темнят» периклаз и резко снижают его электроизоляционные свойства вплоть до пробоя. Это главная причина ранних отказов ТЭН при производстве с нарушением технологии.
Что такое опрессовка ТЭН?
Опрессовка — обжим трубки ТЭН на 13–22% по диаметру для уплотнения засыпанного периклаза. Чем выше итоговая плотность периклаза, тем лучше теплопроводность и электроизоляция нагревателя. Чрезмерный обжим (более 22%) дробит зёрна периклаза и ухудшает его изоляционные свойства в 1,5–2 раза.
Зачем ТЭН отжигают после опрессовки?
Термообработка (отжиг) снимает механические напряжения в металле трубки и спирали, возникшие при обжатии, восстанавливает пластичность и упрощает последующую гибку ТЭН в требуемую конфигурацию без риска образования трещин.
Можно ли заказать ТЭН нестандартной формы на заводе в Миассе?
Да. Завод ТЭН Миасс изготавливает нагреватели нестандартных конфигураций по чертежу или образцу заказчика. Возможны любые формы гиба в одной или нескольких плоскостях, различные материалы оболочки, мощности и напряжения питания.
Производим ТЭН в Миассе с 1989 года
Стандартные серии и нестандартное изготовление по чертежу. Контроль качества на каждом этапе производства. Отгрузка по России.