هنگامی که الزامات فرآیند از علامت 750 درجه فارنهایت (400 درجه ) فراتر می رود-حرکت به قلمرو سخت 800 درجه فارنهایت تا 1400 درجه فارنهایت (425 درجه تا 760 درجه)-انتخاب یک بخاری کارتریج از یک انتخاب معمولی جزء به یک کار تخصصی مهندسی تغییر می کند، و وظیفه علمی و مهندسی تخصصی که نیاز به مواد دارد. محدودیت ها این محدوده دمایی-بالا برای برنامه های کاربردی در نظر گرفته نشده است. برای مجموعهای از فرآیندهای صنعتی پیشرفته، از جمله پردازش پلاستیک با دمای بالا (مانند رزینهای مهندسی که برای ذوب و قالبگیری نیاز به حرارت شدید دارند)، پخت کامپوزیت پیشرفته (که در صنایع هوافضا و خودروسازی برای تقویت اجزای فیبر کربن استفاده میشود)، پخت سرامیکی خام و سرامیکی (جایی که مواد قابل پخت در آنها هستند)، بسیار مهم است. و انواع خاصی از عملیات حرارتی (از جمله بازپخت، سخت شدن، و تلطیف فلزات با استحکام بالا). نقاط درد رایج در این کاربردها بی اهمیت نیستند: اکسیداسیون سریع (پوسته پوسته شدن) غلاف بخاری، خرابی زودرس عایق داخلی تحت فشار شدید حرارتی، و کاهش شدید طول عمر به دلیل چرخه بی امان گرمایش و سرمایش- که همگی می توانند منجر به هزینه های برنامه ریزی نشده، کاهش کیفیت و افزایش هزینه های تعمیر و نگهداری محصول شوند.
در این دماهای بالا، محدودیتهای استاندارد فولادهای ضد زنگ سری 300-به طور کلی-کاربردهای گرمایشی{8}}فوراً آشکار میشوند. این آلیاژها هنگامی که در معرض دمای بالاتر از 750 درجه فارنهایت قرار می گیرند به سرعت شروع به اکسید شدن می کنند و یک مقیاس اکسید شکننده و پوسته پوسته تشکیل می دهند که با چرخه حرارتی به تدریج پوسته پوسته می شود. این پوسته پوسته شدن نه تنها ضخامت غلاف را در طول زمان فرسایش می دهد، بلکه یکپارچگی ساختاری آن را نیز به خطر می اندازد، در نهایت اجزای داخلی را در معرض محیط اطراف قرار می دهد و منجر به خرابی فاجعه بار بخاری می شود. برای رفع این مشکل، اولین خط دفاعی{12}در طراحی بخاری کارتریج با دمای بالا، ارتقاء استراتژیک مواد غلاف است. آلیاژهایی مانند Incoloy 840 و 800HT بهعنوان حاملهای استاندارد در این فضا ظاهر میشوند، به لطف افزایش پایداری{15}در دمای بالا و مقاومت در برابر اکسیداسیون. Incoloy 840، بهویژه، به دلیل ترکیبی که به دقت متعادل شده است، برای اکثر کاربردها در دمای بالا مورد استفاده قرار میگیرد - محتوای آلومینیوم آن یک لایه نازک، متراکم و پایدار آلومینا (Al2O3) را بر روی سطح غلاف هنگامی که در معرض گرما قرار میگیرد، تشکیل میدهد. برخلاف لایه اکسید کروم تشکیل شده بر روی فولادهای زنگ نزن که در دماهای بالاتر شکسته می شود، این لایه آلومینا به عنوان یک مانع غیرقابل نفوذ در برابر اکسیداسیون عمل می کند و به بخاری کارتریجی با غلاف Incoloy 840 اجازه می دهد تا عملیات هوای خشک مداوم را در انتهای بالایی از 800 درجه فارنهایت تا 1400 درجه فارنهایت کاهش دهد.
ساختار داخلی بخاری کارتریج نیز باید برای مقابله با گرمای شدید به طور چشمگیری تکامل یابد، زیرا اجزای داخلی استاندارد نمی توانند عملکرد یا ایمنی را در این دماها حفظ کنند. عایق اکسید منیزیم (MgO) که هم به عنوان رسانای حرارتی و هم به عنوان عایق الکتریکی در بخاریهای استاندارد عمل میکند، به سطح خلوص بالاتری-معمولاً 99.8 درصد یا بالاتر- نیاز دارد تا ناخالصیهایی را که تحت گرمای شدید تجزیه میشوند، از بین ببرد. علاوه بر این، این MgO با خلوص بالا در حین ساخت تا چگالی حتی بیشتر (اغلب 2.8 گرم بر سانتیمتر مکعب یا بیشتر) فشرده میشود که رسانایی حرارتی آن را افزایش میدهد تا از انتقال گرمای کارآمد از سیمپیچ گرمایش داخلی به غلاف اطمینان حاصل شود و در عین حال خواص عایق الکتریکی آن برای جلوگیری از اتصال کوتاه حفظ شود. مواد سیم پیچ مقاومتی نیز دچار تغییر حیاتی میشوند: آلیاژهای استاندارد نیکل-کروم (NiCr) که تا ۱۲۰۰ درجه فارنهایت عملکرد خوبی دارند، اغلب با آلیاژهای آهن-کروم-آلومینیوم (FeCrAl) جایگزین میشوند، مانند آلیاژهای کانتال که میتوانند در دمای 80 درجه تا 1 درجه عمل کنند. F{13}}ارائه یک حاشیه ایمنی مهم برای برنامههای{14}در دمای بالا. علاوه بر این، طراحی منطقه ترمینال به یک عامل-یا{17}}شکست تبدیل میشود. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد و از کار افتادن اتصالات الکتریکی، این بخاریها اغلب دارای انتهای سردتر (بخش غیر گرم غلاف) و عایقهای سرامیکی با دمای بالا هستند که به عنوان یک مانع حرارتی عمل میکنند تا دمای ترمینال را در محدوده ایمن برای سیمکشی و اتصالات نگه دارند.
در حالی که مدیریت چگالی وات در برنامههای{0}در دمای بالا بسیار مهم است، زمینه و رویکرد به طور قابلتوجهی از گرمایش{1} منظور عمومی تغییر میکند. برای مثال، در گرمایش هوا در دمای بالا، ذاتاً هدایت حرارتی ضعیف هوا به این معنی است که انتقال حرارت از غلاف بخاری به هوا بسیار ناکارآمد است. در نتیجه، چگالی مجاز وات (وات در هر اینچ مربع از سطح غلاف) باید بسیار پایین-اغلب 10-20 W/in² یا کمتر{12}} نگه داشته شود تا از فراتر رفتن غلاف از حداکثر دمای ماده خود جلوگیری شود، حتی اگر دمای هوای اطراف بسیار کمتر از 1400 درجه فارنهایت باشد. بخاریهای کارتریجی پرهدار (که سطح غلاف را افزایش میدهد تا اتلاف گرما را بهبود بخشد) یا بخاریهایی که در بلوکهای جرم حرارتی بزرگ قرار میگیرند (که گرما را به طور یکنواخت جذب و توزیع میکنند و گرمای بیش از حد موضعی را کاهش میدهند). برای مثال، یک بخاری تک کارتریجی که برای اجاقهای صنعتی 1200 درجه فارنهایت طراحی شده است، نمیتواند به سادگی نسخهای{14}}در مقیاس بالاتر از بخاری مورد استفاده برای یک قالب پلاستیکی با دمای 500 درجه فارنهایت باشد. کل هندسه آن{15}}شامل طول، قطر، ضخامت غلاف، و الگوی سیم پیچ سیم پیچ و مشخصات قدرت باید دقیقاً محاسبه شود تا دمای سطح را مدیریت کرده و از عملکرد ایمن و قابل اطمینان اطمینان حاصل شود.
با ترکیب این چالشها، برنامههای کاربردی در محدوده 800 درجه فارنهایت تا 1400 درجه فارنهایت اغلب شامل چرخه حرارتی قابلتوجهی-تغییر سریع بین دمای عملیاتی بالا و دمای محیط یا دمای پایینتر{3}} است که تنش مکانیکی قابل توجهی را از انبساط و انقباض مکرر ایجاد میکند. با گذشت زمان، این تنش می تواند باعث ترک خوردن غلاف، شل شدن عایق MgO یا جابجایی سیم پیچ داخلی شود که همگی باعث تسریع شکست می شوند. برای کاهش این امر، طراحی محکم با تلورانس های کنترل شده بین غلاف و سوراخ نصب ضروری است. تناسب دقیق، حرکت را در طول چرخه حرارتی به حداقل می رساند و استرس روی غلاف را کاهش می دهد. علاوه بر این، عایق{7}}MgO با چگالی بالا نقش مهمی در ایمن سازی سیم پیچ داخلی ایفا می کند و از جابجایی یا تماس آن با غلاف در حین انبساط و انقباض جلوگیری می کند. برای فرآیندهایی که بهطور مداوم بالای 1000 درجه فارنهایت کار میکنند، این روش صنعتی استاندارد است که این بخاریهای کارتریجی با دمای بالا را بهعنوان مواد مصرفی با طول عمر مشخص{11}در نظر بگیرید که اغلب به جای سالها، در هزاران ساعت کار اندازهگیری میشوند. با این حال، این عمر مفید را می توان به طور قابل توجهی از طریق مشخصات صحیح (تطبیق بخاری با درجه حرارت، متوسط و مشخصات چرخشی برنامه) و نصب مناسب (اطمینان از سوراخ نصب محکم و تمیز و اتصال حرارتی کافی به قطعه گرم شده) به حداکثر رساند.
