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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-07-08 14:30
一、產(chǎn)業(yè)技術(shù)應(yīng)用背景
交通領(lǐng)域中輕量化對(duì)節(jié)能降耗、提高運(yùn)力具有十分重要的意義，據(jù)考證，使用鋁合金材料可降低裝備質(zhì)量60%以上。隨著鋁型材部件機(jī)械強(qiáng)度的提高，尤其是鋁合金材料能有效改善部件的耐腐蝕性和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛性，以及便于報(bào)廢后回收等重要價(jià)值，鋁合金材料的應(yīng)用面正不斷擴(kuò)大。在國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃的高端裝備制造業(yè)中，高品質(zhì)工業(yè)鋁型材產(chǎn)品正成為實(shí)現(xiàn)大飛機(jī)、汽車、軌道交通列車、航天、軍工、船舶等工業(yè)先進(jìn)裝備技術(shù)升級(jí)和國產(chǎn)化目標(biāo)的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。
但在汽車、航空、軍工等高端應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)所使用的幾何結(jié)構(gòu)鋁型材機(jī)械性能和表面質(zhì)量要求也越來越高，我國目前大多數(shù)鋁型材企業(yè)采用交流感應(yīng)加熱和燃?xì)饧訜?，其精密加工能力受限，除了擠壓模具精度不足外，很大程度上也是型材擠壓前加熱工序中鋁錠加熱的幅向均勻性和軸向梯度分布要求不能滿足要求所致。目前，我國很多高端鋁型材依然要依靠進(jìn)口。而超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)對(duì)提高擠壓型材產(chǎn)品的機(jī)械性能和表面光潔度方面有著很大的幫助，是企業(yè)產(chǎn)品升級(jí)換代的有效技術(shù)路徑。
另外，從節(jié)能降耗方面來看，高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)的意義更為巨大。近期據(jù)筆者對(duì)鋁型材企業(yè)的實(shí)地考察得出結(jié)果，企業(yè)年耗電費(fèi)超過6億元人民幣，加熱工序所占的能耗占全廠能耗的60%以上。一臺(tái)1M W的加熱爐如果采用超導(dǎo)直流感應(yīng)技術(shù)年節(jié)電可達(dá)200萬k W h，直接減少電費(fèi)開支100萬元人民幣，同時(shí)相當(dāng)于節(jié)約0.8萬t標(biāo)煤，減少二氧化碳排放2萬t，減少氮氧化物排放300t。我國鋁型材產(chǎn)能占世界總量的一半，全國鋁型材廠加熱爐超過萬臺(tái)，若采用超導(dǎo)直流感應(yīng)新技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，其節(jié)能降耗空間非常巨大。在我國龐大的鋁型材加工產(chǎn)業(yè)環(huán)境下，具有節(jié)能減排以及高精度加熱這2項(xiàng)優(yōu)勢的高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)有著非常巨大的應(yīng)用價(jià)值。若采用超導(dǎo)直流感應(yīng)新技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造，其節(jié)能降耗空間非常巨大。
二、超導(dǎo)及高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)
早在19世紀(jì)末20世紀(jì)初，通過用液氦冷卻水銀，意外發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度下降到-268.95 ℃（4.2K）時(shí)，水銀的電阻完全消失，這種現(xiàn)象也稱為超導(dǎo)電性，之后各國科學(xué)家開展了超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用研究。
超導(dǎo)材料，目前有低溫超導(dǎo)材料和高溫超導(dǎo)材料。低溫超導(dǎo)是指在-269℃（4K）的液氦環(huán)境中，超導(dǎo)所具有的特性。而高溫超導(dǎo)只是相對(duì)低溫超導(dǎo)所需的超低溫高許多的溫度，通常是最高也要在-194℃（20 ～77K）左右的超導(dǎo)材料。
日本住友化學(xué)株式會(huì)社1999年研制出了用鉍（Bi）2223帶材繞制傳導(dǎo)冷卻的磁體，對(duì)磁體在20K溫區(qū)內(nèi)快速勵(lì)磁和長期運(yùn)行進(jìn)行了驗(yàn)證。2001年，日本SMES研究和發(fā)展中心對(duì)傳導(dǎo)冷卻的，外加場為10T，儲(chǔ)存能量為72MJ的15kWh高溫超導(dǎo)環(huán)形磁體的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)取得了令人滿意的結(jié)果。
美國Los Alamos國立實(shí)驗(yàn)室1997年研制的傳導(dǎo)冷卻的高溫超導(dǎo)高梯度磁分離系統(tǒng)，在100A下可產(chǎn)生1.6T的磁場。2005年，美國進(jìn)行了高溫超導(dǎo)磁體在95G H z振動(dòng)陀螺儀中應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)取得了滿意的結(jié)果。
2005年，中國科學(xué)院電工研究所制作完成了內(nèi)徑120mm、外徑211.2m m、高202.8m m的單螺管高溫超導(dǎo)磁體。該磁體制作材料為（Bi）2223，采用傳導(dǎo)冷卻，環(huán)境溫度20K時(shí)，中心場強(qiáng)為3.2T；77K自場下，磁體臨界電流為49.8A。
高溫超導(dǎo)技術(shù)在近年來得到很大的發(fā)展，第2代超導(dǎo)帶材先后得到了商業(yè)化生產(chǎn)，但是高溫超導(dǎo)技術(shù)及應(yīng)用的實(shí)用化進(jìn)展并不是很快，占據(jù)全球市場主要份額的仍然是低溫超導(dǎo)，特別是超導(dǎo)核磁共振成像（MRI），根據(jù)歐洲Conectus的調(diào)查數(shù)據(jù)，2012年全球超導(dǎo)市場中，低溫超導(dǎo)占據(jù)了約52億歐元的份額，MRI一項(xiàng)即占據(jù)41億歐元市場份額，而高溫超導(dǎo)市場大小為3 000萬歐元。
雖然當(dāng)前的超導(dǎo)市場中低溫超導(dǎo)仍然是絕對(duì)的主流，但隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新的高溫超導(dǎo)業(yè)務(wù)的逐漸開展，高溫超導(dǎo)技術(shù)正成為超導(dǎo)研究的熱點(diǎn)。長遠(yuǎn)來看，其市場份額將會(huì)得到很大的增長，所以針對(duì)高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)的研究，對(duì)于拓展高溫超導(dǎo)市場，有著重要的意義。在這一發(fā)展背景下，開展對(duì)超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)的研究，推進(jìn)超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)的實(shí)用化，是非常有意義的。高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱原理如圖1 所示，現(xiàn)在通常是采用如釔鋇銅氧（YBCO）等高溫超導(dǎo)帶材繞制的超導(dǎo)磁體在鐵芯中產(chǎn)生背景磁場，由機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)如鋁錠等金屬工件在磁場中旋轉(zhuǎn)，工件切割磁力線形成渦流并產(chǎn)生焦耳熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的熱處理。
三、高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用前景
1. 鋁型材熱處理介紹
在鋁型材加工鋁錠擠壓工序之前，預(yù)先加熱鋁錠是鋁型材生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵工序（如圖2所示）。常用的鋁錠加熱方法包括：電磁感應(yīng)加熱、電阻爐加熱、天然氣加熱等。
天然氣加熱方式在民用鋁型材制造中應(yīng)用較多，特別適用于小于30MN的中小擠壓機(jī)生產(chǎn)線。天然氣加熱方法的缺點(diǎn)是很難控制溫度梯度，不能控制鋁擠壓時(shí)的溫度均勻性。在大于36MN的擠壓生產(chǎn)線上，高質(zhì)量的工業(yè)型材以及航空軍工材、結(jié)構(gòu)材上，多采用電磁感應(yīng)加熱方法，超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱是近年來為鋁擠壓工藝開發(fā)的新型感應(yīng)加熱技術(shù)。
傳統(tǒng)感應(yīng)加熱方式利用交變的磁場在靜止坯料中產(chǎn)生感應(yīng)渦流，實(shí)現(xiàn)坯料加熱。但是當(dāng)加熱鋁、銅等金屬并非鐵磁材料，采用傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱時(shí)，加熱效率低于50%。超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)是鋁錠坯料旋轉(zhuǎn)對(duì)靜止的磁場產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁感線形成渦流并產(chǎn)生焦耳熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁錠坯料的加熱，加熱效率提高至80%～85%，使其擁有明顯的競爭優(yōu)勢。
2. 高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)的優(yōu)勢
超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)利用超導(dǎo)材料在臨界低溫下呈現(xiàn)零電阻的特性，建立直流磁場約0.5 ～1T，鋁錠在直流磁場中通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，切割磁力線，產(chǎn)生感應(yīng)電流，加熱鋁錠。加熱的基本原理與傳統(tǒng)感應(yīng)加熱相同，都是法拉第電磁感應(yīng)定律、渦流效應(yīng)與焦耳定律。圖3為傳統(tǒng)感應(yīng)加熱與超導(dǎo)感應(yīng)加熱的工作原理比較，表1是超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)與傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱技術(shù)、燃?xì)饧訜峒夹g(shù)的對(duì)比。高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱與傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱比較，總結(jié)起來具有4大列優(yōu)特點(diǎn)。
（1）效率高，省電
在超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)中，產(chǎn)生0.5T目標(biāo)直流磁場的超導(dǎo)線圈中功率損耗可忽略，整個(gè)系統(tǒng)的效率主要取決于帶動(dòng)錠子旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，而目前成熟的電機(jī)技術(shù)可輕易地達(dá)到效率90%以上，相對(duì)于傳統(tǒng)感應(yīng)加熱爐約50%效率，節(jié)能效果十分明顯。
（2）加熱質(zhì)量高
錠料幅向加熱均勻且軸向溫度梯度準(zhǔn)確可控。傳統(tǒng)的交流感應(yīng)加熱爐通常采用大于工頻（50Hz）交流電，因?yàn)榧w效應(yīng)，產(chǎn)生的渦流主要分布在錠料表面，錠料的幅向加熱效果的均勻性不佳。超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱，可通過調(diào)整錠料的速度和增大磁場的強(qiáng)度，增大渦流效應(yīng)的透入深度以實(shí)現(xiàn)更均勻的幅向溫度，目前錠料的轉(zhuǎn)速控制為240 ～720rpm（相當(dāng)于4 ～12Hz），相對(duì)于傳統(tǒng)加熱爐可以得到更深入、更均勻的軸向溫度分布。
（3）可加熱各種有色金屬材料
傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱因加熱質(zhì)量不高，加熱不均勻，主要用于鋁、銅的加熱；而高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱因加熱質(zhì)量提高，加熱更均勻，同時(shí)還適用于鎂合金、鈦合金、鎳鉻鐵合金以及其他特殊合金的加熱。國外研究者甚至已經(jīng)將高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的目光投向了有色金屬預(yù)加熱擠壓、冶煉等領(lǐng)域。
（4）安裝維護(hù)簡單便捷
超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱裝置中的超導(dǎo)線圈勵(lì)磁繞組在運(yùn)行過程中，超導(dǎo)磁體靜止、不旋轉(zhuǎn)、無振動(dòng)，也不存在磨損。超導(dǎo)磁體冷卻系統(tǒng)采用制冷機(jī)傳導(dǎo)冷卻，結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、能夠長期運(yùn)行，無低溫液體輸送和補(bǔ)充操作。另外在工作時(shí)，超導(dǎo)磁體的電阻特別小，甚至是0，所以對(duì)超導(dǎo)線圈的絕緣性要求降低了。另外，與常規(guī)的交流感應(yīng)加熱器，超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置不需要大功率交流變頻電源，不需要設(shè)計(jì)無功補(bǔ)償裝置。
四、國內(nèi)外高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)技術(shù)研究及加熱器（設(shè)備）的研制
21世紀(jì)初，挪威、德國、意大利、俄羅斯等國家的學(xué)校和科研院所普遍開展超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)的研究，成為近些年來交流感應(yīng)加熱和電加熱方面的國際學(xué)術(shù)研究的主流，如挪威科技大學(xué)及挪威SINTEF能源研究所、德國漢諾威萊布尼茲大學(xué)、意大利的帕瓦多大學(xué)、博洛尼亞大學(xué)和羅馬大學(xué)、俄羅斯的圣彼得堡國立電工大學(xué)等，這些科研工作獲得意大利高等教育機(jī)構(gòu)和科學(xué)技術(shù)部的資金支持。
2002年，挪威的M.Runde和N.Magnusso利用超導(dǎo)線圈提高了傳統(tǒng)交流感應(yīng)加熱裝置的加熱效率。為此研制了10kW交流超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置，如圖4所示。
2003年，因?yàn)槌瑢?dǎo)線圈在交流工況下存在不可忽視的交流損耗，他們又提出了采用直流加熱的設(shè)想。由于超導(dǎo)直流系統(tǒng)的理論損耗為0，這種方法的理論效率可以高達(dá)90%。2005年，意大利博洛尼亞大學(xué)的學(xué)者M(jìn) .Fabbrihe和A.Morandi和研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)鋁錠在直流靜磁場中的加熱溫度分布做出了仿真計(jì)算2007年M.Fabbrihe和A.Morandi又針對(duì)感應(yīng)加熱裝置的磁場分布提出了鞍形線圈磁體結(jié)構(gòu)，2009年，為了驗(yàn)證仿真模型的正確性，他們開發(fā)了一套直流加熱模型。該模型利用6塊XGS26釤-鈷永磁體來產(chǎn)生直流磁場，如圖5所示，并驗(yàn)證了仿真模型合理性。
2008年，俄國圣彼得堡電工大學(xué)的Nikanorov與德國漢諾威萊布尼茨大學(xué)的Zlobina等用有限元建模方法開發(fā)了針對(duì)鋁錠及超導(dǎo)線圈的三維模型，分析了不同參數(shù)對(duì)加熱后鋁錠表面溫度分布的影響。
2008年，法國的研究學(xué)者Thierry Lubin,Denis Detter等提出采用旋轉(zhuǎn)的磁場作用在鋁錠上對(duì)其加熱的方法。該方法雖然可以達(dá)到較高的功率效率，但是旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)電極的制作工藝要求較高，不易制作。
2008年，意大利的M.Fabbri和A. Morandi在已有研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)工業(yè)加熱需均勻溫度的鋁錠的加工需求，利用仿真模型對(duì)感應(yīng)加熱過程進(jìn)行了計(jì)算，并對(duì)線圈設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了3D線圈結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)優(yōu)化了鋁錠端部的磁場分布，可減小端部效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)更好高溫度均勻性的感應(yīng)加熱。
2008年，德國齊內(nèi)吉電力公司(Zenergy Power)開發(fā)出了全球首臺(tái)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備（圖6），并在維斯拉盧鋁業(yè)公司工廠投入使用，這是超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到市場的重要一步。該設(shè)備由高溫超導(dǎo)磁體、制冷系統(tǒng)、加熱保溫和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4個(gè)主要部分組成。超導(dǎo)磁體正常工作所需的低溫環(huán)境主要由安裝在超導(dǎo)磁體頂部的制冷系統(tǒng)提。
2014年，韓國國立昌原大學(xué)的Jong ho Choi制造了10kW級(jí)的高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱裝置，其中超導(dǎo)磁體是選用YBCO高溫超導(dǎo)帶材繞制。實(shí)驗(yàn)裝置樣機(jī)如圖7所示，磁體設(shè)計(jì)是C型單氣隙鐵芯幾何結(jié)構(gòu)，無絕緣的超導(dǎo)跑道型線圈。利用該加熱樣機(jī)，對(duì)直徑為8cm、長度為30c m鋁錠加熱測試，并且對(duì)鋁錠進(jìn)行了加熱測試，加熱效率分別87.5%。
2015年，在以往10kW級(jí)的高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱裝置基礎(chǔ)上，韓國國立昌原大學(xué)的Jong ho Choi等開始了300 kW級(jí)的高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱裝置可行性分析，加熱器如圖8所示。該高溫超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱裝置樣機(jī)支持長度為70 cm、直徑為23.6 mm鋁錠進(jìn)行加熱。選用SuNam YBCO帶材，帶材寬度12 mm、帶材厚度0.15 mm，磁體設(shè)計(jì)是采用含鐵芯的雙餅跑道型線圈。磁體的長度62.5 cm、直徑22 cm，線圈數(shù)量300匝，總帶材長度3 407 m。當(dāng)勵(lì)磁電流440 A磁體電感值1.73 H，鋁錠中心磁場強(qiáng)度1.1 T。
國內(nèi)對(duì)超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的研究還很少，鮮見報(bào)道。在2008年德國研制成全球,1臺(tái)直流超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置后國內(nèi)才出現(xiàn)了一些介紹性的報(bào)道，北京英納超導(dǎo)技術(shù)有限公司完成了超導(dǎo)加熱技術(shù)的原理性小型樣機(jī)的初步試驗(yàn)，該小型樣機(jī)的鋁錠尺寸為30 mm×80 mm，試驗(yàn)中鋁錠溫度的是向鋁錠的徑向面圓心處打孔，并插入K型電熱偶，然后用萬用表測量，電熱偶接觸鋁錠孔的內(nèi)部表面。該實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證感應(yīng)加熱技術(shù)原理完全成立，但尚無法演示其效率提升效果，同時(shí)小型樣機(jī)的機(jī)械傳動(dòng)和電機(jī)部件也有待優(yōu)化。近年來，上海超導(dǎo)科技股份有限公司與江西聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司進(jìn)行技術(shù)合作在開展MW級(jí)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)的研究及加熱器設(shè)備的研制。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.10.016）
作者：黃建民 楊平 江西聯(lián)創(chuàng)光電科技股份有限公司
來源：新材料產(chǎn)業(yè)
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