發布時間：2019-07-09 科技相關
交通領域中輕量化對節能降耗、提高運力具有十分重要的意義，據考證，使用鋁合金材料可降低裝備質量60%以上。隨著鋁型材部件機械強度的提高，尤其是鋁合金材料能有效改善部件的耐腐蝕性和靜態扭轉剛性，以及便于報廢后回收等重要價值，鋁合金材料的應用面正不斷擴大。在國家“十三五”發展規劃的高端裝備制造業中，高品質工業鋁型材產品正成為實現大飛機、汽車、軌道交通列車、航天、軍工、船舶等工業先進裝備技術升級和國產化目標的關鍵基礎材料。
但在汽車、航空、軍工等高端應用領域中，對所使用的幾何結構鋁型材機械性能和表面質量要求也越來越高，我國目前大多數鋁型材企業采用交流感應加熱和燃氣加熱，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口。而超導直流感應加熱技術對提高擠壓型材產品的機械性能和表面光潔度方面有著很大的幫助，是企業產品升級換代的有效技術路徑。
另外，從節能降耗方面來看，高溫超導直流感應加熱技術的意義更為巨大。近期據筆者對鋁型材企業的實地考察得出結果，企業年耗電費超過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1M W的加熱爐如果采用超導直流感應技術年節電可達200萬k W h，直接減少電費開支100萬元人民幣，同時相當于節約0.8萬t標煤，減少二氧化碳排放2萬t，減少氮氧化物排放300t。我國鋁型材產能占世界總量的一半，全國鋁型材廠加熱爐超過萬臺，若采用超導直流感應新技術進行節能改造，其節能降耗空間非常巨大。在我國龐大的鋁型材加工產業環境下，具有節能減排以及高精度加熱這2項優勢的高溫超導直流感應加熱技術有著非常巨大的應用價值。若采用超導直流感應新技術進行節能改造，其節能降耗空間非常巨大。
早在19世紀末20世紀初，通過用液氦冷卻水銀，意外發現當溫度下降到-268.95 ℃（4.2K）時，水銀的電阻完全消失，這種現象也稱為超導電性，之后各國科學家開展了超導技術及應用研究。
超導材料，目前有低溫超導材料和高溫超導材料。低溫超導是指在-269℃（4K）的液氦環境中，超導所具有的特性。而高溫超導只是相對低溫超導所需的超低溫高許多的溫度，通常是最高也要在-194℃（20 ～77K）左右的超導材料。
日本住友化學株式會社1999年研制出了用鉍（Bi）2223帶材繞制傳導冷卻的磁體，對磁體在20K溫區內快速勵磁和長期運行進行了驗證。2001年，日本SMES研究和發展中心對傳導冷卻的，外加場為10T，儲存能量為72MJ的15kWh高溫超導環形磁體的可行性進行了驗證，實驗取得了令人滿意的結果。
美國Los Alamos國立實驗室1997年研制的傳導冷卻的高溫超導高梯度磁分離系統，在100A下可產生1.6T的磁場。2005年，美國進行了高溫超導磁體在95G H z振動陀螺儀中應用的實驗，實驗取得了滿意的結果。
2005年，中國科學院電工研究所制作完成了內徑120mm、外徑211.2m m、高202.8m m的單螺管高溫超導磁體。該磁體制作材料為（Bi）2223，采用傳導冷卻，環境溫度20K時，中心場強為3.2T；77K自場下，磁體臨界電流為49.8A。
高溫超導技術在近年來得到很大的發展，第2代超導帶材先后得到了商業化生產，但是高溫超導技術及應用的實用化進展并不是很快，占據全球市場主要份額的仍然是低溫超導，特別是超導核磁共振成像（MRI），根據歐洲Conectus的調查數據，2012年全球超導市場中，低溫超導占據了約52億歐元的份額，MRI一項即占據41億歐元市場份額，而高溫超導市場大小為3 000萬歐元。
雖然當前的超導市場中低溫超導仍然是絕對的主流，但隨著高溫超導技術的不斷發展，以及新的高溫超導業務的逐漸開展，高溫超導技術正成為超導研究的熱點。長遠來看，其市場份額將會得到很大的增長，所以針對高溫超導應用技術的研究，對于拓展高溫超導市場，有著重要的意義。在這一發展背景下，開展對超導直流感應加熱技術的研究，推進超導直流感應加熱技術的實用化，是非常有意義的。高溫超導感應加熱原理如圖1 所示，現在通常是采用如釔鋇銅氧（YBCO）等高溫超導帶材繞制的超導磁體在鐵芯中產生背景磁場，由機械傳動系統帶動如鋁錠等金屬工件在磁場中旋轉，工件切割磁力線形成渦流并產生焦耳熱，實現對工件的熱處理。
1. 鋁型材熱處理介紹
在鋁型材加工鋁錠擠壓工序之前，預先加熱鋁錠是鋁型材生產中的一個關鍵工序（如圖2所示）。常用的鋁錠加熱方法包括：電磁感應加熱、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用較多，特別適用于小于30MN的中小擠壓機生產線。天然氣加熱方法的缺點是很難控制溫度梯度，不能控制鋁擠壓時的溫度均勻性。在大于36MN的擠壓生產線上，高質量的工業型材以及航空軍工材、結構材上，多采用電磁感應加熱方法，超導直流感應加熱是近年來為鋁擠壓工藝開發的新型感應加熱技術。
傳統感應加熱方式利用交變的磁場在靜止坯料中產生感應渦流，實現坯料加熱。但是當加熱鋁、銅等金屬并非鐵磁材料，采用傳統交流感應加熱時，加熱效率低于50%。超導直流感應加熱技術是鋁錠坯料旋轉對靜止的磁場產生相對運動，切割磁感線形成渦流并產生焦耳熱，實現對鋁錠坯料的加熱，加熱效率提高至80%～85%，使其擁有明顯的競爭優勢。
2. 高溫超導感應加熱技術的優勢
超導感應加熱技術利用超導材料在臨界低溫下呈現零電阻的特性，建立直流磁場約0.5 ～1T，鋁錠在直流磁場中通過驅動電機帶動旋轉，切割磁力線，產生感應電流，加熱鋁錠。加熱的基本原理與傳統感應加熱相同，都是法拉第電磁感應定律、渦流效應與焦耳定律。圖3為傳統感應加熱與超導感應加熱的工作原理比較，表1是超導直流感應加熱技術與傳統交流感應加熱技術、燃氣加熱技術的對比。高溫超導感應加熱與傳統交流感應加熱比較，總結起來具有4大列優特點。
（1）效率高，省電
在超導直流感應加熱技術中，產生0.5T目標直流磁場的超導線圈中功率損耗可忽略，整個系統的效率主要取決于帶動錠子旋轉的電機，而目前成熟的電機技術可輕易地達到效率90%以上，相對于傳統感應加熱爐約50%效率，節能效果十分明顯。
（2）加熱質量高
錠料幅向加熱均勻且軸向溫度梯度準確可控。傳統的交流感應加熱爐通常采用大于工頻（50Hz）交流電，因為集膚效應，產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。超導直流感應加熱，可通過調整錠料的速度和增大磁場的強度，增大渦流效應的透入深度以實現更均勻的幅向溫度，目前錠料的轉速控制為240 ～720rpm（相當于4 ～12Hz），相對于傳統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
傳統交流感應加熱因加熱質量不高，加熱不均勻，主要用于鋁、銅的加熱；而高溫超導直流感應加熱因加熱質量提高，加熱更均勻，同時還適用于鎂合金、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將高溫超導直流感應加熱的目光投向了有色金屬預加熱擠壓、冶煉等領域。
（4）安裝維護簡單便捷
超導直流感應加熱裝置中的超導線圈勵磁繞組在運行過程中，超導磁體靜止、不旋轉、無振動，也不存在磨損。超導磁體冷卻系統采用制冷機傳導冷卻，結構簡單、操作方便、能夠長期運行，無低溫液體輸送和補充操作。另外在工作時，超導磁體的電阻特別小，甚至是0，所以對超導線圈的絕緣性要求降低了。另外，與常規的交流感應加熱器，超導感應加熱裝置不需要大功率交流變頻電源，不需要設計無功補償裝置。
21世紀初，挪威、德國、意大利、俄羅斯等國家的學校和科研院所普遍開展超導感應加熱技術的研究，成為近些年來交流感應加熱和電加熱方面的國際學術研究的主流，如挪威科技大學及挪威SINTEF能源研究所、德國漢諾威萊布尼茲大學、意大利的帕瓦多大學、博洛尼亞大學和羅馬大學、俄羅斯的圣彼得堡國立電工大學等，這些科研工作獲得意大利高等教育機構和科學技術部的資金支持。
2002年，挪威的M.Runde和N.Magnusso利用超導線圈提高了傳統交流感應加熱裝置的加熱效率。為此研制了10kW交流超導感應加熱裝置，如圖4所示。
2003年，因為超導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想。由于超導直流系統的理論損耗為0，這種方法的理論效率可以高達90%。2005年，意大利博洛尼亞大學的學者M .Fabbrihe和A.Morandi和研究團隊針對鋁錠在直流靜磁場中的加熱溫度分布做出了仿真計算2007年M.Fabbrihe和A.Morandi又針對感應加熱裝置的磁場分布提出了鞍形線圈磁體結構，2009年，為了驗證仿真模型的正確性，他們開發了一套直流加熱模型。該模型利用6塊XGS26釤-鈷永磁體來產生直流磁場，如圖5所示，并驗證了仿真模型合理性。
2008年，俄國圣彼得堡電工大學的Nikanorov與德國漢諾威萊布尼茨大學的Zlobina等用有限元建模方法開發了針對鋁錠及超導線圈的三維模型，分析了不同參數對加熱后鋁錠表面溫度分布的影響。
2008年，法國的研究學者Thierry Lubin,Denis Detter等提出采用旋轉的磁場作用在鋁錠上對其加熱的方法。該方法雖然可以達到較高的功率效率，但是旋轉超導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在已有研究的基礎上，針對工業加熱需均勻溫度的鋁錠的加工需求，利用仿真模型對感應加熱過程進行了計算，并對線圈設計進行了優化，得到了3D線圈結構，該結構優化了鋁錠端部的磁場分布，可減小端部效應的影響，實現更好高溫度均勻性的感應加熱。
2008年，德國齊內吉電力公司(Zenergy Power)開發出了全球首臺高溫超導感應加熱設備（圖6），并在維斯拉盧鋁業公司工廠投入使用，這是超導直流感應加熱技術從實驗室到市場的重要一步。該設備由高溫超導磁體、制冷系統、加熱保溫和驅動系統4個主要部分組成。超導磁體正常工作所需的低溫環境主要由安裝在超導磁體頂部的制冷系統提。
2014年，韓國國立昌原大學的Jong ho Choi制造了10kW級的高溫超導直流感應加熱裝置，其中超導磁體是選用YBCO高溫超導帶材繞制。實驗裝置樣機如圖7所示，磁體設計是C型單氣隙鐵芯幾何結構，無絕緣的超導跑道型線圈。利用該加熱樣機，對直徑為8cm、長度為30c m鋁錠加熱測試，并且對鋁錠進行了加熱測試，加熱效率分別87.5%。
2015年，在以往10kW級的高溫超導直流感應加熱裝置基礎上，韓國國立昌原大學的Jong ho Choi等開始了300 kW級的高溫超導直流感應加熱裝置可行性分析，加熱器如圖8所示。該高溫超導直流感應加熱裝置樣機支持長度為70 cm、直徑為23.6 mm鋁錠進行加熱。選用SuNam YBCO帶材，帶材寬度12 mm、帶材厚度0.15 mm，磁體設計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，線圈數量300匝，總帶材長度3 407 m。當勵磁電流440 A磁體電感值1.73 H，鋁錠中心磁場強度1.1 T。
國內對超導直流感應加熱的研究還很少，鮮見報道。在2008年德國研制成全球,1臺直流超導感應加熱裝置后國內才出現了一些介紹性的報道，北京英納超導技術有限公司完成了超導加熱技術的原理性小型樣機的初步試驗，該小型樣機的鋁錠尺寸為30 mm×80 mm，試驗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部表面。該實驗驗證感應加熱技術原理完全成立，但尚無法演示其效率提升效果，同時小型樣機的機械傳動和電機部件也有待優化。近年來，上海超導科技股份有限公司與江西聯創光電科技股份有限公司進行技術合作在開展MW級高溫超導感應加熱技術的研究及加熱器設備的研制。（DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2018.10.016）
作者：黃建民 楊平 江西聯創光電科技股份有限公司
本文刊載于《新材料產業》2018年第10期
