I. Antecedentes de la aplicación de tecnología industrial
En el campo del transporte, el peso ligero es de gran importancia para el ahorro de energía, la reducción del consumo y la mejora de la capacidad de transporte. Según la investigación, el uso de material de aleación de aluminio puede reducir la calidad del equipo en más del 60%. Con el aumento de la resistencia mecánica de los componentes del perfil de aluminio, especialmente los materiales de aleación de aluminio pueden mejorar de manera efectiva la resistencia a la corrosión y la rigidez torsional estática de los componentes, y facilitar el reciclaje después de la chatarra y otros valores importantes, la aplicación de los materiales de aleación de aluminio se está expandiendo. En la industria de fabricación de equipos de alta gama en el plan de desarrollo nacional "13 de cinco años", los productos de aluminio industrial de alta calidad se están convirtiendo en los materiales básicos clave para lograr el objetivo de la actualización tecnológica y la localización de equipos industriales avanzados como aviones grandes, automóviles, trenes de tránsito ferroviario, aeroespacial, industria militar y barcos.
Pero en el campo de aplicaciones de gama alta como la industria automotriz, aeroespacial, militar, la estructura geométrica del aluminio para usar propiedades mecánicas y requisitos de calidad de la superficie también son cada vez más altos, en la actualidad la mayoría de las empresas de aluminio adoptan calentamiento por inducción de CA y gas. El calentamiento, su capacidad de procesamiento limitada de precisión, además de la precisión inadecuada del troquel de extrusión, es en gran parte el calentamiento de lingotes de aluminio anterior en el proceso de calentamiento de la extrusión de perfiles de aluminio a la uniformidad de distribución del gradiente axial y no puede cumplir con los requisitos. En la actualidad, muchos perfiles de aluminio de alta gama en China todavía dependen de las importaciones. La tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora es de gran ayuda para mejorar las propiedades mecánicas y el acabado superficial de los productos de perfil extruido. Es un camino tecnológico efectivo para que las empresas actualicen sus productos.
Además, desde el punto de vista del ahorro de energía y la reducción del consumo, la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora de alta temperatura es de gran importancia. Según la reciente investigación de campo del autor sobre empresas de aluminio, el consumo anual de energía de la empresa supera los 600 millones de yuanes, y el proceso de calentamiento representa más del 60% del consumo de energía de toda la planta. SI el horno de calentamiento de 1M W adopta la tecnología de inducción de CC superconductora, puede ahorrar electricidad hasta 2 millones de kWh por año, reducir directamente los costos de electricidad en 1 millón de yuanes y, al mismo tiempo, ahorrar 0.8 millones de toneladas de carbón estándar, reducir el dióxido de carbono emisiones en 20,000 T, y reducir las emisiones de óxido de nitrógeno en 300 T. La capacidad de producción de aluminio de China representa la mitad del total mundial, el horno de calefacción de la fábrica de aluminio del país supera los diez mil, si el uso de la tecnología de inducción de CC superconductora para la transformación de ahorro de energía, su espacio de ahorro de energía es muy grande. En el enorme entorno de la industria de procesamiento de perfiles de aluminio de China, la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora de alta temperatura con las ventajas de conservación de energía y reducción de emisiones y calentamiento de alta precisión tiene un gran valor de aplicación. Si la nueva tecnología de inducción de CC superconductora se utiliza para la renovación de ahorro de energía, el espacio para el ahorro de energía y la reducción del consumo es muy grande.
Tecnología de calentamiento por inducción superconductora y superconductora de alta temperatura
Ya a fines del siglo XIX y principios del siglo XX, al enfriar mercurio con helio líquido, se descubrió accidentalmente que cuando la temperatura descendía a -19 ℃ (20 K), la resistencia del mercurio desaparecía por completo, lo que también se conocía como superconductividad. Después de eso, científicos de varios países llevaron a cabo investigaciones sobre tecnología y aplicación de superconductividad.
Materiales superconductores, en la actualidad existen materiales superconductores de baja temperatura y materiales superconductores de alta temperatura. La superconductividad criogénica se refiere a las propiedades de la superconductividad en un entorno de helio líquido de -269 ℃ (4K). Sin embargo, la superconductividad a alta temperatura es solo la temperatura ultrabaja y la temperatura mucho más alta que requiere la superconductividad a baja temperatura, que generalmente temperatura de -194 ℃ (20 ~ 77K).
En 1999, Sumitomo Chemical Corporation de Japón desarrolló una tira de bismuto (Bi) 2223 alrededor de un imán enfriado por conducción y verificó la excitación rápida y el funcionamiento a largo plazo del imán en la región de temperatura de 20K. En 2001, el centro de investigación y desarrollo SMES de Japón verificó la viabilidad de un anillo magnético superconductor de alta temperatura de 15kWh con refrigeración por conducción, un campo externo de 10T y una energía almacenada de 72MJ, y el experimento obtuvo resultados satisfactorios.
El sistema de separación magnética de alto gradiente superconductor de alta temperatura enfriado por conducción desarrollado por el laboratorio nacional de Los Álamos en 1997 genera un campo magnético de 1.6 T a 100 A. En 2005, se llevó a cabo el experimento de aplicar un imán HTS en un giroscopio vibratorio de 95 G HZ en los Estados Unidos, y se obtuvieron resultados satisfactorios.
En 2005, el Instituto de Ingeniería Eléctrica de la Academia de Ciencias de China completó la producción de un imán superconductor de alta temperatura de un solo hilo con un diámetro interior de 120 mm, un diámetro exterior de 211.2 m y una altura de 202.8 m. El imán está hecho de (Bi) 2223, que se enfría por conducción. Cuando la temperatura ambiente es de 20 K, la intensidad del campo central es de 3.2 t. La corriente crítica del imán es de 49.8 A con un campo propio de 77 K.
En los últimos años, la tecnología superconductora de alta temperatura tuvo un gran desarrollo, la segunda generación de la tira superconductora tiene producción comercial, pero la tecnología superconductora de alta temperatura y la aplicación del progreso práctico no es pronto, el principal mercado mundial sigue siendo una temperatura baja superconductores, especialmente para superconductores de imágenes por resonancia magnética (MRI), según los datos de la encuesta europea Conectus, los mercados de superconductores en todo el mundo en 2012, los superconductores de baja temperatura ocupan la cuota de 5.2 millones de euros, MRI que ocupa una cuota de mercado de 4.1 millones de euros , y tamaño de mercado de superconductores de alta temperatura por 3 millones de euros.
Aunque el mercado actual de superconductores sigue siendo la corriente principal absoluta, con el desarrollo continuo de la tecnología HTS, así como el desarrollo gradual del nuevo negocio HTS, la tecnología HTS se está convirtiendo en el foco de investigación de la superconductividad. A la larga, su cuota de mercado aumentará considerablemente, por lo que la investigación sobre la tecnología de aplicación de HTS es de gran importancia para expandir el mercado de HTS. Bajo este trasfondo de desarrollo, es de gran importancia llevar a cabo investigaciones sobre la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora y promover su aplicación práctica. Ahora se usa generalmente como YBCO (YBCO), y otro campo magnético de fondo de imán superconductor de bobinado de banda superconductora de alta temperatura en el núcleo, impulsado por el sistema de transmisión mecánica, como lingotes de aluminio y otros artefactos metálicos en rotación de campo magnético, líneas de corte de piezas de trabajo para forme un vórtice y produzca calor de joule, realice el tratamiento térmico de la pieza de trabajo.
III. Perspectiva de aplicación de la tecnología de calentamiento por inducción superconductora de alta temperatura
1. Introducción al tratamiento térmico de perfiles de aluminio
El precalentamiento de los lingotes de aluminio es un proceso clave en la producción de perfiles de aluminio antes del proceso de extrusión del procesamiento de perfiles de aluminio. Los métodos comunes de calentamiento de los lingotes de aluminio incluyen calentamiento por inducción electromagnética, calentamiento por horno de resistencia, calentamiento por gas natural, etc.
El método de calentamiento de gas natural se usa ampliamente en la fabricación de perfiles de aluminio civil, especialmente adecuado para líneas de producción de extrusoras pequeñas y medianas de menos de 30MN. La desventaja del método de calentamiento con gas natural es que es difícil controlar el gradiente de temperatura y no se puede controlar la uniformidad de temperatura de la extrusión de aluminio. El calentamiento por inducción electromagnética se utiliza principalmente en la línea de producción de extrusión con más de 36MN, perfiles industriales de alta calidad, materiales aeroespaciales y militares y materiales estructurales. El calentamiento por inducción de CC superconductora es una nueva tecnología de calentamiento por inducción desarrollada para la extrusión de aluminio en los últimos años.
El método tradicional de calentamiento por inducción UTILIZA un campo magnético alterno para generar corrientes de Foucault en el blanco estático para calentar el blanco. Sin embargo, cuando el aluminio, el cobre y otros metales no son materiales ferromagnéticos, la eficiencia de calentamiento es inferior al 50 % cuando se adopta el calentamiento por inducción de CA tradicional. La tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora consiste en que la rotación de los lingotes de aluminio genera un movimiento relativo al campo magnético estático, y las líneas de inducción magnética de corte forman corrientes parásitas y generan calor Joule, para realizar el calentamiento de los lingotes de aluminio. La eficiencia de calefacción se mejora al 80% ~ 85%, lo que le otorga una ventaja competitiva obvia.
2. Ventajas de la tecnología de calentamiento por inducción HTS
La tecnología de calentamiento por inducción superconductora aprovecha la característica de resistencia cero de los materiales superconductores a baja temperatura crítica para establecer un campo magnético de CC de aproximadamente 0.5 ~ 1T. En el campo magnético de CC, el lingote de aluminio es impulsado por un motor para girar, cortar las líneas del campo magnético, generar corriente inducida y calentar el lingote de aluminio. El principio básico del calentamiento es el mismo que el calentamiento por inducción tradicional, que es la ley de inducción electromagnética de Faraday, el efecto de corrientes parásitas y la ley de Joule. Comparación del principio de funcionamiento entre el calentamiento por inducción tradicional y el calentamiento por inducción superconductora; comparación de la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora con la tecnología de calentamiento por inducción de CA tradicional y la tecnología de calentamiento por gas. En comparación con el calentamiento por inducción de CA convencional, el calentamiento por inducción HTS tiene cuatro ventajas.
(1) alta eficiencia y ahorro de energía
En la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora, se puede ignorar la creación de una pérdida de potencia de CC objetivo de 0.5 T en la bobina superconductora del campo magnético, la eficiencia de todo el sistema depende principalmente de la rotación del eje de accionamiento del motor y la tecnología madura de El motor puede lograr fácilmente una eficiencia de más del 90%, en comparación con la eficiencia de calentamiento por inducción tradicional de alrededor del 50%, el efecto de ahorro de energía es muy obvio.
(2) Calentamiento de alta calidad
El lingote se calienta uniformemente y el gradiente de temperatura axial se controla con precisión. El horno de calentamiento por inducción de CA tradicional generalmente adopta una corriente alterna mayor que la frecuencia de potencia (50 Hz), debido al efecto piel, la corriente de Foucault generada se distribuye principalmente en la superficie del lingote y la uniformidad del efecto de calentamiento de amplitud del lingote no es bueno. El calentamiento por inducción de CC superconductora puede lograr una temperatura de amplitud más uniforme ajustando la velocidad del eje, aumentando la fuerza del campo magnético y aumentando la profundidad de penetración del efecto de la corriente de Foucault. En la actualidad, la velocidad del eje se controla a 240 ~ 720 rpm (equivalente a 4 ~ 12 Hz). En comparación con el horno de calentamiento tradicional, puede obtener una distribución de temperatura axial más profunda y uniforme.
(3) Puede calentar una variedad de materiales metálicos no ferrosos
El calentamiento por inducción de CA tradicional se utiliza principalmente para calentar aluminio y cobre debido a su baja calidad de calentamiento y calentamiento desigual. El calentamiento por inducción de CC superconductor de alta temperatura es más uniforme debido a la calidad de calentamiento mejorada y también es adecuado para el calentamiento de aleaciones de magnesio, aleaciones de titanio, aleaciones de níquel-cromo hierro y otras aleaciones especiales. Los investigadores extranjeros incluso han centrado su atención en el calentamiento por inducción de CC superconductora de alta temperatura para la fundición por extrusión de precalentamiento de metales no ferrosos y otros campos.
(4) Instalación y mantenimiento simples y convenientes
Durante el funcionamiento del devanado de excitación de la bobina superconductora en el dispositivo de calentamiento por inducción de CC superconductora, el imán superconductor es estático, no gira, no vibra y no tiene abrasión. El sistema de enfriamiento de imán superconductor adopta la máquina de refrigeración para conducir el enfriamiento, que es de estructura simple, fácil de operar y puede funcionar durante mucho tiempo sin transporte de líquidos a baja temperatura y operación complementaria. Además, cuando funciona, la resistencia del imán superconductor es muy pequeña, incluso 0, por lo que se reduce el requisito de aislamiento de la bobina superconductora. Además, en comparación con el calentador de inducción de CA convencional, el dispositivo de calentamiento por inducción superconductor no requiere una fuente de alimentación de conversión de frecuencia de CA de alta potencia y no requiere el diseño de un dispositivo de compensación reactiva.
Investigación sobre tecnología de inducción de CC superconductora de alta temperatura en el país y en el extranjero y desarrollo de calentadores (equipos)
A principios del siglo XXI, Noruega, Alemania, Italia, Rusia y otros países de escuelas e institutos de investigación científica para la investigación de tecnología de calentamiento por inducción superconductora, se convirtieron en los últimos años en el calentamiento por inducción de CA y el calentamiento eléctrico en la corriente principal de la investigación académica internacional, como como la universidad noruega de ciencia y tecnología y el instituto de investigación de energía SINTEF de Noruega, Hannover, Alemania, la universidad Leibniz de Italia, la universidad de La Habana, la universidad de bolonia, Roma, st. Petersburgo, la universidad eléctrica nacional de Rusia, etc., el trabajo de investigación científica para las instituciones italianas de educación superior y el Ministerio de Ciencia y Tecnología para su financiación.
En 2002, M.Unde y N.Mnusso de Noruega mejoraron la eficiencia de calentamiento de los dispositivos tradicionales de calentamiento por inducción de CA mediante el uso de bobinas superconductoras. Se desarrolló un dispositivo de calentamiento por inducción superconductor de CA de 10kW.
En 2003, propusieron la idea de usar calefacción de CC debido a la pérdida no despreciable de CA de las bobinas superconductoras en condiciones de CA. Dado que la pérdida teórica del sistema DC superconductor es cero, la eficiencia teórica de este método puede llegar al 90%. En 2005, la universidad de Bolonia en Italia, el académico m. Fabbri y Arjun orandi y el equipo de distribución de temperatura de calentamiento de lingotes de aluminio en el campo magnético estático de CC realizaron el cálculo de simulación en 2007 m. abbrihe y arjun orandi y han sido propuestos para la distribución del campo magnético en dispositivos de calentamiento por inducción, estructura magnética de bobina de sillín, 2009, para verificar la corrección del modelo de simulación, desarrollaron un modelo de calentamiento de CC. El modelo UTILIZA 6 XGS26 samario – imanes permanentes de cobalto para generar un campo magnético de CC, lo que verifica la racionalidad del modelo de simulación.
En 2008, Nikanorov de la Universidad Electrotécnica de San Petersburgo en Rusia y Zlobina de la Universidad de Leibnitz en Hannover, Alemania, etc. desarrollaron un modelo TRIDIMENSIONAL para lingotes de aluminio y bobinas superconductoras usando el método de modelado de elementos finitos, y analizaron la influencia de diferentes parámetros sobre la distribución de la temperatura superficial de los lingotes de aluminio después del calentamiento.
En 2008, Thierry Lubin y Denis Detter et al. en Francia propuso el método de calentamiento de lingotes de aluminio mediante la aplicación de un campo magnético giratorio. Aunque este método puede lograr una alta eficiencia energética, es difícil fabricar un electrodo superconductor giratorio debido a los altos requisitos de la tecnología de fabricación.
En 2008, Italia m. abri y a. Morandi, sobre la base de la investigación existente sobre calentamiento industrial, debe ser la temperatura uniforme de los requisitos de procesamiento de aluminio, se calculó el modelo de simulación del proceso de calentamiento por inducción y se optimizó el diseño de la bobina, la estructura de la bobina 3 d, la optimización de la estructura de la distribución del campo magnético del extremo del lingote de aluminio puede reducir la influencia del efecto final, una mejor uniformidad a alta temperatura del calentamiento por inducción.
En 2008, la alemana Zenergy Power desarrolló el primer equipo de calentamiento por inducción superconductor de alta temperatura del mundo y lo puso en funcionamiento en la planta de aluminio de Vislalu, lo que representa un paso importante para la tecnología de calentamiento por inducción de CC superconductora del laboratorio al mercado. El equipo consta de cuatro partes principales: imán superconductor de alta temperatura, sistema de refrigeración, calefacción y aislamiento, y el sistema de conducción. El entorno criogénico necesario para el funcionamiento normal del imán superconductor lo proporciona principalmente el sistema de refrigeración montado en la parte superior del imán superconductor.
En 2014, Jong-Ho Choi de la Universidad de Changwon en Corea del Sur fabricó un dispositivo de calentamiento por inducción de CC superconductor de alta temperatura de 10 kW, en el que el imán superconductor estaba enrollado por una tira superconductora de alta temperatura YBCO. El prototipo de diseño de imán del dispositivo experimental es una estructura geométrica de núcleo de hierro de espacio de aire único de tipo c, bobina de tipo pista superconductora no aislada. Este prototipo de calentamiento se utilizó para probar el lingote de aluminio con un diámetro de 8 cm y una longitud de 30 C m, y la eficiencia de calentamiento fue del 87.5 %, respectivamente.
En 2015, sobre la base del anterior dispositivo de calentamiento por inducción de CC superconductor de alta temperatura de 10 kW, Jong-Ho Choi y otros de la Universidad de Changwon en Corea del Sur comenzaron el análisis de viabilidad del dispositivo de calentamiento por inducción de CC superconductor de alta temperatura de 300 kW. El prototipo del dispositivo de calentamiento por inducción de CC superconductor de ALTA TEMPERATURA admite el calentamiento de lingotes de aluminio con una longitud de 70 cm y un diámetro de 23.6 mm. La tira SuNam YBCO se selecciona con un ancho de 12 mm y un espesor de 0.15 mm. El imán está diseñado con una bobina de pista de doble torta con un núcleo de hierro. La longitud y el diámetro del imán son 62.5 cm y 22 cm, el número de bobinas es de 300 vueltas y la longitud total de la tira es de 3 407 m. Cuando la inductancia del imán con corriente de excitación de 440 A es de 1.73 H, la intensidad del campo magnético central del lingote de aluminio es de 1.1 t.
Hay algunos tipos de investigación sobre el calentamiento por inducción de CC superconductora en China. En Alemania, en 2008, se convirtió en un superconductor global de 1 CC después de que el dispositivo de calentamiento por inducción ha estado en el hogar, algunos informaron introductoriamente que Beijing, superconducting technology co., LTD. El prototipo pequeño completó la tecnología de calentamiento del superconductor de las pruebas preliminares del prototipo a pequeña escala del tamaño del lingote de aluminio es de 30 mm * 80 mm, y el experimento de la temperatura del lingote de aluminio es la superficie radial al punzón de origen de los lingotes de aluminio e inserta el acoplamiento eléctrico tipo K , y luego medido con un multímetro, contacto eléctrico accidentalmente con la superficie interna del orificio de los lingotes de aluminio. Este experimento verifica que el principio de la tecnología de calentamiento por inducción es completamente válido, pero no puede demostrar el efecto de mejora de la eficiencia. Mientras tanto, la transmisión mecánica y los componentes del motor del pequeño prototipo también deben optimizarse. En los últimos años, Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd. y Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd. han llevado a cabo una cooperación técnica en la investigación de la tecnología de calentamiento por inducción superconductora de alta temperatura MW y el desarrollo de equipos de calefacción.