I. Tło zastosowania technologii przemysłowych
W dziedzinie transportu lekkość ma ogromne znaczenie dla oszczędności energii, zmniejszenia zużycia i poprawy przepustowości transportu. Według badań użycie materiału ze stopu aluminium może obniżyć jakość sprzętu o ponad 60%. Wraz ze wzrostem wytrzymałości mechanicznej elementów profili aluminiowych, zwłaszcza materiałów ze stopów aluminium, które mogą skutecznie poprawiać odporność na korozję i statyczną sztywność skrętną elementów oraz ułatwiać recykling po złomowaniu i innych ważnych wartościach, rozszerza się zastosowanie materiałów ze stopów aluminium. W branży produkcji wysokiej klasy sprzętu w krajowym „13. pięcioletnim” planie rozwoju wysokiej jakości przemysłowe produkty aluminiowe stają się kluczowymi podstawowymi materiałami do osiągnięcia celu modernizacji technologii i lokalizacji zaawansowanego sprzętu przemysłowego, takiego jak duże samoloty, samochody, kolejowe pociągi tranzytowe, lotnictwo, przemysł wojskowy i statki.
Ale w dziedzinie zaawansowanych zastosowań, takich jak przemysł motoryzacyjny, lotniczy, wojskowy, geometryczna struktura aluminium w celu wykorzystania właściwości mechanicznych i wymagań dotyczących jakości powierzchni jest również coraz wyższa, obecnie większość przedsiębiorstw aluminiowych przyjmuje ogrzewanie indukcyjne i gaz ogrzewanie, jego precyzyjna ograniczona zdolność przetwarzania, oprócz niewystarczającej precyzji matrycy do wytłaczania, jest w dużej mierze dawnym ogrzewaniem wlewków aluminiowych w procesie nagrzewania wytłaczania profili aluminiowych do jednorodności rozkładu gradientu osiowego i nie może spełnić wymagań. Obecnie wiele wysokiej klasy profili aluminiowych w Chinach nadal polega na imporcie. Nadprzewodnikowa technologia nagrzewania indukcyjnego DC jest bardzo pomocna w poprawie właściwości mechanicznych i wykończenia powierzchni wytłaczanych produktów profilowych. Jest to skuteczna ścieżka technologiczna dla przedsiębiorstw do unowocześniania swoich produktów.
Ponadto, z punktu widzenia oszczędności energii i redukcji zużycia, duże znaczenie ma wysokotemperaturowa nadprzewodząca technologia nagrzewania indukcyjnego DC. Według ostatnich badań terenowych autora dotyczących przedsiębiorstw aluminiowych, roczne zużycie energii przez przedsiębiorstwo przekracza 600 milionów juanów, a proces ogrzewania stanowi ponad 60% zużycia energii w całym zakładzie. JEŚLI piec grzewczy o mocy 1M W przyjmuje nadprzewodzącą technologię indukcji prądu stałego, może zaoszczędzić energię elektryczną do 2 milionów kWh rocznie, bezpośrednio obniżyć koszty energii elektrycznej o 1 milion juanów, a jednocześnie zaoszczędzić 0.8 miliona ton standardowego węgla, zmniejszyć dwutlenek węgla emisję o 20,000 300 ton oraz zredukować emisję tlenków azotu o XNUMX ton. Zdolność produkcyjna aluminium w Chinach stanowi połowę całkowitej światowej, krajowy piec grzewczy do fabryki aluminium ponad dziesięć tysięcy, jeśli zastosowanie nadprzewodzącej technologii indukcyjnej prądu stałego do transformacji oszczędzającej energię, jej przestrzeń do oszczędzania energii jest bardzo duża. W ogromnym chińskim środowisku przemysłu obróbki profili aluminiowych wysokotemperaturowa nadprzewodząca technologia ogrzewania indukcyjnego DC z zaletami oszczędzania energii i redukcji emisji oraz ogrzewania o wysokiej precyzji ma bardzo dużą wartość użytkową. Jeśli nowa technologia indukcji nadprzewodzącej prądu stałego zostanie wykorzystana do renowacji oszczędzających energię, przestrzeń do oszczędzania energii i redukcji zużycia jest bardzo duża.
Nadprzewodząca i wysokotemperaturowa technologia nagrzewania indukcyjnego nadprzewodzącego
Już na przełomie XIX i XX wieku, schładzając rtęć ciekłym helem, przypadkowo odkryto, że gdy temperatura spadła do -19℃ (20K), rezystancja rtęci całkowicie zanikła, co był również znany jako nadprzewodnictwo. Następnie naukowcy z różnych krajów przeprowadzili badania nad technologią i zastosowaniem nadprzewodnictwa.
Materiały nadprzewodzące, obecnie istnieją materiały nadprzewodzące o niskiej temperaturze i materiały nadprzewodzące o wysokiej temperaturze. Nadprzewodnictwo kriogeniczne odnosi się do właściwości nadprzewodnictwa w środowisku ciekłego helu -269 ℃ (4 K). Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe to jednak tylko ultra-niska temperatura i znacznie wyższa temperatura wymagana przez nadprzewodnictwo niskotemperaturowe, które zwykle ma maksimum temperatura -194℃ (20 ~ 77K).
W 1999 roku firma Sumitomo Chemical Corporation z Japonii opracowała pasek bizmutu (Bi) 2223 wokół przewodząco chłodzonego magnesu i zweryfikowała szybkie wzbudzenie i długotrwałą pracę magnesu w zakresie temperatur 20 K. W 2001 roku japońskie centrum badawczo-rozwojowe SMES zweryfikowało wykonalność wysokotemperaturowego nadprzewodzącego magnesu pierścieniowego o mocy 15 kWh z chłodzeniem przewodzącym, polem zewnętrznym 10 T i zmagazynowaną energią 72 MJ, i eksperyment uzyskał zadowalające wyniki.
Przewodzący, chłodzony, wysokotemperaturowy nadprzewodzący system separacji magnetycznej o wysokim gradiencie, opracowany przez krajowe laboratorium Los Alamos w 1997 r., generuje pole magnetyczne o natężeniu 1.6 T przy 100 A. W 2005 r. przeprowadzono eksperyment z zastosowaniem magnesu HTS w żyroskopie wibracyjnym 95 G HZ w w Stanach Zjednoczonych i uzyskano zadowalające wyniki.
W 2005 roku Instytut Elektrotechniki Chińskiej Akademii Nauk zakończył produkcję jednogwintowego, wysokotemperaturowego magnesu nadprzewodzącego o średnicy wewnętrznej 120 mm, średnicy zewnętrznej 211.2 m i wysokości 202.8 m. Magnes jest wykonany z (Bi) 2223, który jest chłodzony przez przewodzenie. Gdy temperatura otoczenia wynosi 20 K, natężenie pola centralnego wynosi 3.2 t. Krytyczny prąd magnesu wynosi 49.8 A przy polu własnym 77 K.
W technologii nadprzewodników wysokotemperaturowych nastąpił wielki rozwój w ostatnich latach, druga generacja taśmy nadprzewodzącej ma produkcję komercyjną, ale technologia nadprzewodników wysokotemperaturowych i zastosowanie praktycznego postępu nie nastąpi wkrótce, głównym rynkiem światowym jest wciąż niska temperatura nadprzewodników, zwłaszcza nadprzewodników do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI), zgodnie z danymi z europejskiego badania Conectus, rynki nadprzewodników na całym świecie w 2012 r. , a rynek nadprzewodników wysokotemperaturowych za 5.2 4.1 mln euro.
Chociaż obecny rynek nadprzewodników jest nadal absolutnym nurtem, wraz z ciągłym rozwojem technologii HTS, a także stopniowym rozwojem nowej działalności HTS, technologia HTS staje się przedmiotem badań nad nadprzewodnictwem. W dłuższej perspektywie jego udział w rynku znacznie wzrośnie, dlatego badania nad technologią aplikacji HTS mają ogromne znaczenie dla rozwoju rynku HTS. Na tym tle rozwojowym bardzo ważne jest prowadzenie badań nad technologią nagrzewania indukcyjnego DC nadprzewodników i promowanie jej praktycznego zastosowania. Teraz jest zwykle używany jako YBCO (YBCO) i inne wysokotemperaturowe nadprzewodnikowe uzwojenie paska nadprzewodzącego magnetycznego pola magnetycznego tła w rdzeniu, napędzane przez mechaniczny system transmisji, taki jak wlewki aluminiowe i inne metalowe artefakty w obrocie pola magnetycznego, linie cięcia przedmiotu obrabianego do tworzą wir i wytwarzają ciepło dżuli, realizują obróbkę cieplną przedmiotu obrabianego.
III. Perspektywy zastosowania wysokotemperaturowej technologii nagrzewania indukcyjnego z nadprzewodnikami
1. Wprowadzenie do obróbki cieplnej profili aluminiowych
Podgrzewanie wlewków aluminiowych jest kluczowym procesem w produkcji profili aluminiowych przed procesem wyciskania profili aluminiowych. Typowe metody ogrzewania wlewków aluminiowych obejmują ogrzewanie indukcyjne elektromagnetyczne, ogrzewanie pieca oporowego, ogrzewanie gazem ziemnym i tak dalej.
Metoda ogrzewania gazem ziemnym jest szeroko stosowana w cywilnej produkcji profili aluminiowych, szczególnie odpowiednia dla małych i średnich linii produkcyjnych wytłaczarek mniejszych niż 30MN. Wadą metody ogrzewania gazem ziemnym jest to, że trudno jest kontrolować gradient temperatury i nie można kontrolować jednorodności temperatury wytłaczania aluminium. Nagrzewanie indukcyjne elektromagnetyczne jest najczęściej stosowane na linii produkcyjnej do wytłaczania z ponad 36MN, wysokiej jakości profilami przemysłowymi, materiałami lotniczymi i wojskowymi oraz materiałami konstrukcyjnymi. Nadprzewodzące nagrzewanie indukcyjne DC to nowa technologia nagrzewania indukcyjnego opracowana w ostatnich latach do wytłaczania aluminium.
Tradycyjna metoda nagrzewania indukcyjnego WYKORZYSTUJE zmienne pole magnetyczne do generowania prądów wirowych w półfabrykacie statycznym w celu jego nagrzania. Jednakże, gdy aluminium, miedź i inne metale nie są materiałami ferromagnetycznymi, wydajność ogrzewania jest mniejsza niż 50%, gdy zastosuje się tradycyjne nagrzewanie indukcyjne AC. Nadprzewodnikowa technologia nagrzewania indukcyjnego prądu stałego polega na tym, że obrót aluminiowych wlewków generuje ruch względny w stosunku do statycznego pola magnetycznego, a tnące linie indukcji magnetycznej tworzą prądy wirowe i generują ciepło Joule'a, aby zrealizować ogrzewanie wlewków aluminiowych. Wydajność ogrzewania została poprawiona do 80% ~ 85%, co daje oczywistą przewagę konkurencyjną.
2. Zalety technologii nagrzewania indukcyjnego HTS
Technologia nagrzewania indukcyjnego nadprzewodników wykorzystuje zerową charakterystykę materiałów nadprzewodzących w krytycznie niskiej temperaturze, aby wytworzyć pole magnetyczne prądu stałego o wartości około 0.5 ~ 1 T. W polu magnetycznym prądu stałego wlewek aluminiowy jest napędzany przez silnik w celu obracania, cięcia linii pola magnetycznego, generowania prądu indukowanego i podgrzewania wlewka aluminiowego. Podstawowa zasada ogrzewania jest taka sama jak tradycyjne ogrzewanie indukcyjne, czyli prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya, efekt prądów wirowych i prawo Joule'a. Porównanie zasady działania tradycyjnego nagrzewania indukcyjnego i nadprzewodzącego nagrzewania indukcyjnego; porównanie nadprzewodzącej technologii nagrzewania indukcyjnego prądu stałego z tradycyjną technologią nagrzewania indukcyjnego prądu przemiennego i technologią nagrzewania gazowego. W porównaniu z konwencjonalnym ogrzewaniem indukcyjnym AC, ogrzewanie indukcyjne HTS ma cztery zalety.
(1) Wysoka wydajność i oszczędność energii
W nadprzewodzącej technologii nagrzewania indukcyjnego prądu stałego, tworzenie docelowej straty mocy prądu stałego o wartości 0.5 T w cewce nadprzewodzącej pola magnetycznego można zignorować, wydajność całego systemu zależy głównie od obrotów wrzeciona napędowego silnika i dojrzałej technologii silnik może z łatwością osiągnąć wydajność ponad 90%, w porównaniu z tradycyjną wydajnością ogrzewania indukcyjnego wynoszącą około 50%, efekt oszczędzania energii jest bardzo oczywisty.
(2) Wysoka jakość ogrzewania
Wlewek jest ogrzewany równomiernie, a osiowy gradient temperatury jest dokładnie kontrolowany. Tradycyjny indukcyjny piec grzewczy AC zwykle przyjmuje prąd przemienny większy niż częstotliwość sieciowa (50 Hz), ze względu na efekt naskórkowy, generowany prąd wirowy jest głównie rozprowadzany na powierzchni wlewka, a jednorodność efektu ogrzewania amplitudy sztabka nie jest dobra. Nadprzewodnikowe nagrzewanie indukcyjne prądem stałym może osiągnąć bardziej równomierną amplitudę temperatury poprzez regulację prędkości wrzeciona, zwiększenie siły pola magnetycznego i zwiększenie głębokości penetracji efektu prądów wirowych. Obecnie prędkość wrzeciona jest kontrolowana na poziomie 240 ~ 720 obr./min (co odpowiada 4 ~ 12 Hz). W porównaniu z tradycyjnym piecem grzewczym może uzyskać głębszy i bardziej równomierny osiowy rozkład temperatury.
(3) Może ogrzewać różne materiały z metali nieżelaznych
Tradycyjne ogrzewanie indukcyjne AC jest stosowane głównie do ogrzewania aluminium i miedzi ze względu na niską jakość ogrzewania i nierównomierne ogrzewanie. Wysokotemperaturowe nadprzewodzące nagrzewanie indukcyjne DC jest bardziej jednorodne ze względu na lepszą jakość ogrzewania i nadaje się również do ogrzewania stopu magnezu, stopu tytanu, stopu żelaza niklowo-chromowego i innych specjalnych stopów. Zagraniczni badacze zwrócili nawet uwagę na wysokotemperaturowe nadprzewodnikowe nagrzewanie indukcyjne prądem stałym do wstępnego podgrzewania metali nieżelaznych, wytłaczania, wytapiania i innych dziedzin.
(4) Prosta i wygodna instalacja i konserwacja
Podczas pracy uzwojenia wzbudzenia cewki nadprzewodzącej w nagrzewnicy indukcyjnej prądu stałego nadprzewodzący magnes nadprzewodzący jest nieruchomy, nie obraca się, nie wibruje i nie ulega ścieraniu. Układ chłodzenia z magnesem nadprzewodzącym przyjmuje maszynę chłodniczą do prowadzenia chłodzenia, która ma prostą konstrukcję, jest łatwa w obsłudze i może działać przez długi czas bez transportu cieczy w niskiej temperaturze i dodatkowej operacji. Ponadto podczas pracy rezystancja magnesu nadprzewodzącego jest bardzo mała, nawet 0, więc wymagania izolacji cewki nadprzewodzącej są zmniejszone. Ponadto, w porównaniu z konwencjonalną nagrzewnicą indukcyjną prądu przemiennego, nadprzewodnikowe urządzenie do nagrzewania indukcyjnego nie wymaga zasilacza z konwersją częstotliwości prądu przemiennego o dużej mocy i nie wymaga zaprojektowania reaktywnego urządzenia kompensacyjnego.
Badania nad wysokotemperaturową technologią indukcji prądu stałego nadprzewodnikowego w kraju i za granicą oraz rozwój grzałki (urządzenia)
Na początku XXI wieku Norwegia, Niemcy, Włochy, Rosja i inne kraje szkół i instytutów naukowo-badawczych zajmujących się badaniami nad technologią nagrzewania indukcyjnego stały się w ostatnich latach głównym nurtem międzynarodowych badań naukowych, takich jako norweski uniwersytet nauki i technologii oraz norweski instytut badań nad energią SINTEF, Hanower, Niemcy, włoski uniwersytet Leibniza uniwersytet w Hawanie, uniwersytet w Bolonii, Rzym, ul. Petersburg, narodowy uniwersytet elektryczny Rosji itp., prace naukowo-badawcze dla włoskich instytucji szkolnictwa wyższego oraz Ministerstwa Nauki i Technologii w celu finansowania.
W 2002 roku M.Unde i N.Mnusso z Norwegii poprawili wydajność grzewczą tradycyjnych indukcyjnych urządzeń grzewczych AC, stosując cewki nadprzewodzące. Opracowano nadprzewodnikowe urządzenie grzewcze indukcyjne o mocy 10 kW prądu przemiennego.
W 2003 roku zaproponowali pomysł wykorzystania ogrzewania DC ze względu na nie do pominięcia straty prądu przemiennego cewek nadprzewodzących w warunkach prądu przemiennego. Ponieważ teoretyczna strata nadprzewodzącego układu prądu stałego wynosi zero, teoretyczna skuteczność tej metody może sięgać nawet 90%. W 2005 roku na uniwersytecie bolońskim we Włoszech uczony m.in. Fabbri i Arjun orandi oraz zespół zajmujący się rozkładem temperatury nagrzewania wlewka aluminiowego w statycznym polu magnetycznym prądu stałego wykonali obliczenia symulacyjne w 2007 r. m.in. abbrihe i arjun orandi i zaproponowali rozkład pola magnetycznego w indukcyjnych urządzeniach grzejnych, konstrukcja magnesu z cewką siodłową, 2009, w celu weryfikacji poprawności modelu symulacyjnego opracowali model nagrzewania prądu stałego. Model WYKORZYSTUJE 6 magnesów stałych samarowo-kobaltowych XGS26 do generowania stałego pola magnetycznego, co weryfikuje racjonalność modelu symulacyjnego.
W 2008 roku Nikanorov z Petersburskiego Uniwersytetu Elektrotechnicznego w Rosji i Zlobina z Uniwersytetu Leibniza w Hanowerze w Niemczech itd. opracowali TRÓJWYMIAROWY model wlewków aluminiowych i cewek nadprzewodzących za pomocą metody elementów skończonych i przeanalizowali wpływ różnych parametrów rozkładu temperatury powierzchniowej wlewków aluminiowych po nagrzaniu.
W 2008 roku Thierry Lubin i Denis Detter et al. we Francji zaproponowali metodę ogrzewania wlewków aluminiowych przez przyłożenie wirującego pola magnetycznego. Chociaż ta metoda może osiągnąć wysoką wydajność energetyczną, trudno jest wykonać obrotową elektrodę nadprzewodzącą ze względu na wysokie wymagania technologii wytwarzania.
W 2008 roku włoski m.in. abbri i a. Morandi, na podstawie istniejących badań nad ogrzewaniem przemysłowym, powinna być jednolita temperatura wymagań obróbki aluminium, przy użyciu modelu symulacyjnego procesu nagrzewania indukcyjnego została obliczona, a konstrukcja cewki jest zoptymalizowana, struktura cewki 3 d, optymalizacja struktury rozkład pola magnetycznego końca wlewka aluminiowego może zmniejszyć wpływ efektu końcowego, lepszą jednorodność ogrzewania indukcyjnego w wysokiej temperaturze.
W 2008 roku niemiecka firma Zenergy Power opracowała pierwszy na świecie wysokotemperaturowy nadprzewodzący indukcyjny sprzęt grzewczy i uruchomiła go w fabryce aluminium Vislalu, co jest ważnym krokiem w kierunku nadprzewodzącej technologii nagrzewania indukcyjnego prądu stałego z laboratorium na rynek. Sprzęt składa się z czterech głównych części: wysokotemperaturowego magnesu nadprzewodzącego, układu chłodzenia, ogrzewania i izolacji oraz układu napędowego. Środowisko kriogeniczne wymagane do normalnej pracy magnesu nadprzewodzącego jest zapewniane głównie przez układ chłodzenia zamontowany na górze magnesu nadprzewodzącego.
W 2014 roku Jong-Ho Choi z Changwon University w Korei Południowej wyprodukował wysokotemperaturowe nadprzewodnikowe urządzenie grzewcze prądu stałego o mocy 10 kW, w którym magnes nadprzewodzący został uzwojony przez wysokotemperaturową taśmę nadprzewodzącą YBCO. Prototypowy projekt magnesu eksperymentalnego urządzenia to żelazny rdzeń z pojedynczą szczeliną powietrzną typu c, nieizolowana cewka nadprzewodząca typu pasa startowego. Ten prototyp grzewczy został użyty do przetestowania wlewka aluminiowego o średnicy 8 cm i długości 30 C m, a wydajność ogrzewania wyniosła odpowiednio 87.5%.
W 2015 roku, w oparciu o poprzednie wysokotemperaturowe nadprzewodzące indukcyjne urządzenie grzejne prądu stałego o mocy 10 kW, Jong-Ho Choi i in. Prototyp WYSOKOTEMPERATUROWEGO urządzenia do nagrzewania indukcyjnego prądu stałego z nadprzewodnictwem umożliwia nagrzewanie wlewków aluminiowych o długości 300 cm i średnicy 70 mm. Wybrano taśmę Sunam YBCO o szerokości 23.6 mm i grubości 12 mm. Magnes jest wyposażony w podwójną cewkę typu racetrack z żelaznym rdzeniem. Długość i średnica magnesu to 0.15cm i 62.5cm, liczba zwojów to 22 zwojów, a całkowita długość paska to 300m. Gdy indukcyjność magnesu przy prądzie wzbudzenia 3 A wynosi 407 H, natężenie centralnego pola magnetycznego wlewka aluminiowego wynosi 440 t.
Istnieje kilka rodzajów badań nad nadprzewodzącym ogrzewaniem indukcyjnym DC w Chinach. W Niemczech w 2008 roku rozwinęło się globalne urządzenie nadprzewodzące 1 dc po tym, jak urządzenie do nagrzewania indukcyjnego było w kraju, niektóre wstępne donosiły, że Pekin, firma Superconducting Technology Co., LTD. Mały prototyp zakończył technologię ogrzewania nadprzewodników wstępnych prób prototypu na małą skalę wlewka aluminiowego o wymiarach 30 mm * 80 mm, a eksperyment temperatury wlewka aluminiowego to powierzchnia promieniowa do stempla początkowego wlewków aluminiowych i wkładka sprzęgło elektryczne typu K , a następnie zmierzony za pomocą multimetru, elektryczny przypadkowy kontakt z wewnętrzną powierzchnią otworu wlewka aluminiowego. Ten eksperyment weryfikuje, czy zasada technologii nagrzewania indukcyjnego jest w pełni poprawna, ale nie może wykazać efektu poprawy wydajności. Tymczasem mechaniczna przekładnia i komponenty silnika małego prototypu również wymagają optymalizacji. W ostatnich latach firmy Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd. i Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd. prowadziły współpracę techniczną w zakresie badań technologii nagrzewania indukcyjnego nadprzewodników wysokotemperaturowych MW oraz rozwoju urządzeń grzewczych.