高溫超導(dǎo)材料在金屬熱處理設(shè)備中的應(yīng)用及市場展望

高溫超導(dǎo)技術(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)最具潛力的高新技術(shù)之一，已成為全球科技領(lǐng)域新的研究重點(diǎn)，世界各國十分重視高溫超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。在我國，國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃中將高溫超導(dǎo)材料列為重點(diǎn)發(fā)展的前沿課題（2006-2020）。2012年，國務(wù)院印發(fā)的《“十二五”國家戰(zhàn)略性新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》提出，國家要求重點(diǎn)進(jìn)行超導(dǎo)共性基礎(chǔ)材料研究及其產(chǎn)業(yè)化，著力提高超導(dǎo)材料工藝裝備的技術(shù)水平和保障能力；開展建立產(chǎn)學(xué)研結(jié)合緊密、具備較強(qiáng)的自主創(chuàng)新能力和可持續(xù)發(fā)展能力的高品質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)化、綠色環(huán)保的超導(dǎo)材料產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新體系；到2015年攻克一批國家發(fā)展急需、帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)關(guān)鍵共性技術(shù)，到2020年關(guān)鍵超導(dǎo)帶材國產(chǎn)化水平顯著提升。

近年來，超導(dǎo)材料和超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，鉍系氧化物（鉍鍶鈣銅氧，BSCCO）和釔系氧化物（釔鋇銅氧，YBCO）材料的發(fā)現(xiàn)使高溫超導(dǎo)材料走入實(shí)用化階段。基于高溫超導(dǎo)材料的交流損耗低及高載流能力等特點(diǎn)，其在電力、通信、工業(yè)、國防等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

一、高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展歷程

在我國開展的超導(dǎo)材料研究經(jīng)歷了由低溫到高溫的過程：低溫超導(dǎo)材料臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc低于77K，在液氦溫度條件下工作使用，主要材料為鈮鈦（NbTi）和鈮錫（Nb3Sn），目前低溫超導(dǎo)材料已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，如高能物理的加速器、醫(yī)用的核磁共振等。但由于低溫超導(dǎo)材料的轉(zhuǎn)變溫度低，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較高，所以應(yīng)用受限；高溫超導(dǎo)材料臨界轉(zhuǎn)變溫度Tc高于77K，需在液氮條件下工作使用，主要材料為YBCO和BSCCO，具有較弱的各向異性，可在液氦以上的溫區(qū)使用并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的條件，運(yùn)行使用條件相較于低溫材料成本下降很多，極大地促進(jìn)了高溫超導(dǎo)材料的應(yīng)用。

在高溫超導(dǎo)帶材中，BSCCO已經(jīng)進(jìn)行了長期的研究，由金屬管線內(nèi)填充超導(dǎo)粉末BSCCO而制成的第1代高溫超導(dǎo)帶材（又稱鉍系帶材）已邁向產(chǎn)業(yè)化，但相當(dāng)于銅導(dǎo)線100倍的高成本使其難以打入輸電線市場。第2代材料由于其成本低，更適用于產(chǎn)業(yè)化運(yùn)轉(zhuǎn)而被市場看好。所以，各國正在努力研究開發(fā)在金屬帶狀基底上鍍上超導(dǎo)層YBCO而制成的第2代高溫超導(dǎo)帶材（又稱釔系帶材），以降低成本和提高性能。較之鉍系帶材，YBCO高溫超導(dǎo)帶材擁有十分明顯的性能優(yōu)勢：首先在物理性能上具有載流密度高的特點(diǎn)，有進(jìn)一步提升超導(dǎo)臨界溫度的可能；其次是交流損耗低，可以采用特定方式來克服故障電流；最重要的是可以不采用貴重金屬如銀等，成本遠(yuǎn)低于鉍系帶材。

二、YBCO超導(dǎo)帶材應(yīng)用的主要技術(shù)問題

高溫超導(dǎo)技術(shù)具有廣闊的市場前景及應(yīng)用方向，這將極大地促進(jìn)高溫超導(dǎo)帶材的發(fā)展。未來YBCO帶材的發(fā)展應(yīng)重點(diǎn)研究以下問題：

①高溫超導(dǎo)材料臨界磁場及臨界電流的參數(shù)提高仍然為研究重點(diǎn)難題。超導(dǎo)材料的這些參量限定了超導(dǎo)應(yīng)用的條件，因而尋找新型超導(dǎo)材料成為研究的重要課題。目前我國鐵基超導(dǎo)材料的研究也已取得突破，處于國際領(lǐng)先水平。

②超導(dǎo)材料生產(chǎn)成本高，價(jià)格高昂。YBCO超導(dǎo)帶材的緩沖層和超導(dǎo)層，普遍采用真空鍍膜沉積法生產(chǎn)，設(shè)備成本昂貴以及不適合大批量制備，這是導(dǎo)致高溫超導(dǎo)帶材價(jià)格昂貴的首要原因，主要可以通過生產(chǎn)工藝的優(yōu)化及改進(jìn)，研發(fā)配套設(shè)備等方法來解決。只有降低超導(dǎo)材料成本，才有可能大規(guī)?；瘧?yīng)用超導(dǎo)材料。

③長距離超導(dǎo)線材的制備仍然有很大難度。氧化物高溫超導(dǎo)陶瓷材料各向異性和短的電子相干長度以及大量晶界的存在嚴(yán)重影響線材的超導(dǎo)，例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有一系列工藝問題。

三、高溫超導(dǎo)帶材在金屬加熱設(shè)備中的應(yīng)用前景

我國是銅鋁和鋼鐵等金屬冶煉與深加工大國，能耗占全國總能耗的30%以上；根據(jù)我國頒布的“十二五”節(jié)能減排指標(biāo)，到2015年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗下降到20%，全國化學(xué)需氧量和二氧化硫排放總量分別下降10%。

據(jù)測算，1MW大功率高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的金屬加熱效率相當(dāng)于2.4MW常規(guī)加熱器的加熱效率，可節(jié)能約60%，且加熱同樣棒材的加熱時(shí)間較常規(guī)加熱器的加熱時(shí)間節(jié)約30%左右（如表1所示）。

如果我國有400萬t（相當(dāng)于“十二五”末期鋁材需求量的12%）高檔棒材加熱采用高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)替代傳統(tǒng)加熱處理，每年可節(jié)約電能6×109kWh，減少電費(fèi)開支3.5億元以上，同時(shí)相當(dāng)于節(jié)約24萬t標(biāo)煤，減少二氧化碳排放60萬t，減少氮氧化物排放9 000t。

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化，可實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備在金屬熱處理行業(yè)的全面普及，拓展我國超導(dǎo)材料的應(yīng)用領(lǐng)域，加快超導(dǎo)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用，具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)前景及發(fā)展趨勢

傳統(tǒng)感應(yīng)加熱器采用銅線圈通工頻或中頻交流電，在線圈內(nèi)部的鋁錠中產(chǎn)生交變磁場并感應(yīng)渦流，從而加熱鋁錠，此種設(shè)備加熱效率低（50%左右），透熱深度淺。應(yīng)用高溫超導(dǎo)加熱器，則可利用超導(dǎo)帶材繞制的無阻超導(dǎo)線圈產(chǎn)生穩(wěn)定的直流磁場，鋁錠在電機(jī)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)加熱，超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的效率可高達(dá)90%，透熱深度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)備。

常規(guī)傳統(tǒng)感應(yīng)加熱器在金屬加工處理中的應(yīng)用已經(jīng)很普遍，基于高溫超導(dǎo)帶材的高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱器在美國、德國等超導(dǎo)研究機(jī)構(gòu)也有小功率樣機(jī)，功率普遍為幾百千瓦。國外已有高溫超導(dǎo)電磁感應(yīng)加熱器商業(yè)運(yùn)行記錄，如在德國一鋁材廠鋁擠壓生產(chǎn)線上高溫超導(dǎo)電磁感應(yīng)加熱器可加熱直徑為152mm、長度為685mm的鋁錠，鋁材加熱能力可達(dá)到2.2t/h，設(shè)備總功率為360kW。經(jīng)過多年研究，我國高溫超導(dǎo)技術(shù)在超導(dǎo)材料技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展和突破，上海交通大學(xué)研發(fā)成功百米量級的第2代高溫超導(dǎo)帶材制備工藝，目前的研發(fā)工作將重點(diǎn)解決長帶的均勻性和重復(fù)性，提高帶材載流能力，研發(fā)公里級長帶的鍍膜工藝并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，形成相關(guān)的超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)鏈。2013年，聯(lián)創(chuàng)光電和上海超導(dǎo)科技股份有限公司、中國科學(xué)院電工研究所三方合作共建研發(fā)團(tuán)隊(duì)，共同開發(fā)額定功率為1MW的高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備，開展高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的研制和初步試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期目的。

2.高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的總體設(shè)計(jì)方案

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱器主要應(yīng)用于工業(yè)鋁型材生產(chǎn)行業(yè)，主要涉及高溫超導(dǎo)磁體技術(shù)、旋轉(zhuǎn)抓手機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和加工技術(shù)、實(shí)時(shí)測控技術(shù)等核心關(guān)鍵技術(shù)。

（1）結(jié)構(gòu)和原理

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱器的主要部件包括高溫超導(dǎo)磁體、低溫系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等。

作為磁源的直流勵(lì)磁高溫超導(dǎo)磁體在鐵芯的氣隙處產(chǎn)生直流磁場，加熱工件鋁棒在氣隙處直流磁場中旋轉(zhuǎn)并切割磁力線，電磁感應(yīng)效應(yīng)在加熱工件中形成渦流并產(chǎn)生焦耳熱。通過調(diào)整氣隙處的磁場以及加熱工件的旋轉(zhuǎn)速度可以調(diào)整超導(dǎo)感應(yīng)加熱器的輸出功率和頻率，進(jìn)而得到滿足加熱工件工藝要求的加熱節(jié)拍（如圖1所示）。

（2）高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的優(yōu)勢

加熱效率高：加熱鋁棒的效率由常規(guī)感應(yīng)加熱的50%左右提升到 80%。工件加熱均勻：通過降低工作頻率或增大氣隙磁場可以增加渦流的透入深度，透熱深度由常規(guī)工頻感應(yīng)加熱的1cm增加到4～6cm，從而獲得更為均勻的加熱效果，高溫超導(dǎo)設(shè)備所用YBCO超導(dǎo)帶材主要參數(shù)如表2所示。

工件加熱過程重復(fù)性好：實(shí)驗(yàn)表明，沿鋁棒的軸向和徑向的溫度可重復(fù)性可以達(dá)到±4%℃，線性溫度梯度可以達(dá)到1℃/cm。

（3）高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備各分子系統(tǒng)

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的研發(fā)按照“總體設(shè)計(jì)—分組開發(fā)”的思路進(jìn)行，首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求形成總體設(shè)計(jì)方案，將設(shè)備總系統(tǒng)分解為機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、鐵芯磁體系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、智能控制與顯示系統(tǒng)等4個(gè)子系統(tǒng)，各個(gè)子系統(tǒng)組建小組分別負(fù)責(zé)細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和制備，最后進(jìn)行系統(tǒng)總裝集成并進(jìn)行設(shè)備調(diào)試測試（如圖2所示）。

機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)：包括560kW主電機(jī)和主減速箱；180kW輔電機(jī)和輔減速箱；主、輔液壓離合拖板；液壓油泵、冷卻水箱、升降托架。配電系統(tǒng)：包括總進(jìn)線柜、變頻柜、進(jìn)線柜、機(jī)械傳動(dòng)柜構(gòu)成。磁體系統(tǒng)：包括鐵芯、超導(dǎo)線圈和杜瓦、制冷機(jī)、水冷機(jī)。智能控制與顯示系統(tǒng)：顯示與操作平臺(tái)。

四、高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備的市場預(yù)測及發(fā)展趨勢

1.全球及中國鋁型材行業(yè)現(xiàn)狀

隨著世界經(jīng)濟(jì)增長和鋁型材用途的不斷拓展，世界鋁型材的消耗量呈現(xiàn)不斷增長趨勢，由2001年約869萬t增長至2009年約1 550萬t，年復(fù)合增長率約為7.5%，2012年，全球鋁型材消費(fèi)量約達(dá)1 669萬t。

從國內(nèi)來看，中國鋁型材（主要包括工業(yè)鋁型材和建筑鋁型材）消費(fèi)量呈逐年遞增的趨勢，2000～2009年我國鋁型材消費(fèi)量年均復(fù)合增長率為19.85%。隨著近年來我國經(jīng)濟(jì)增長放緩，2010～2014年中國鋁型材消費(fèi)量年均復(fù)合增長率為10.55%。預(yù)計(jì)2015年中國鋁型材消費(fèi)量將會(huì)達(dá)到1 510萬t。從鋁型材消費(fèi)結(jié)構(gòu)來看，同期的日本、北美和歐洲的鋁型材消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，工業(yè)鋁型材耗用占比分別達(dá)到為40%、55%和60%，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于我國工業(yè)型材占比的30%（如圖3所示）。鋁型材消費(fèi)結(jié)構(gòu)的差異反映出我國鋁型材在工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)、加工、開發(fā)和應(yīng)用方面均有不足，但同時(shí)也預(yù)示著我國工業(yè)鋁型材消費(fèi)還具有巨大的增長空間。

國家發(fā)展和改革委員會(huì)、財(cái)政部等部委出臺(tái)的《關(guān)于加快鋁工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)意見的通知》指出，鋁型材工業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主要目標(biāo)之一即為，使建筑型材與工業(yè)型材比例達(dá)到3∶7，增加新型高附加值工業(yè)鋁型材所占比例。預(yù)計(jì)未來10年，我國工業(yè)鋁型材的消費(fèi)量將持續(xù)增長，在鋁型材產(chǎn)品中的比例將由現(xiàn)在的30%左右提高到2020年的50%～55%左右。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工業(yè)鋁型材需求年復(fù)合增長率為10.2%，據(jù)第3方權(quán)威機(jī)構(gòu)測算，2016年我國工業(yè)鋁擠壓材消耗量約為6 038kt，而到2020年，這一數(shù)字將飆升至9 461kt，遠(yuǎn)超全球除我國以外地區(qū)的工業(yè)鋁擠壓材年消耗總量4 760 kt。

從鋁型材行業(yè)整個(gè)市場環(huán)境分析看，鋁擠壓企業(yè)具有廣闊的市場容量和前景，這必然會(huì)促使鋁擠壓企業(yè)擴(kuò)大產(chǎn)能（擠壓力大的重型擠壓機(jī)數(shù)量增加）和技術(shù)創(chuàng)新，節(jié)能環(huán)保。中國鋁型材加工的重要特點(diǎn)是向高性能、高精度、節(jié)能、環(huán)保方向發(fā)展。

2、全球及中國鋁型材擠壓機(jī)市場分析

從全球鋁型材產(chǎn)能來看，2014年全球可生產(chǎn)鋁型材的國家和地區(qū)約100個(gè)，生產(chǎn)企業(yè)約為2 300余家，中國鋁型材2014年產(chǎn)能達(dá)到1 700萬t，其中中國的產(chǎn)能占世界總產(chǎn)能的比重超過50%，位列第1。

目前，全球鋁型材擠壓加工工藝裝備向大型化、精密化、自動(dòng)化方向發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，世界各國已裝備不同結(jié)構(gòu)、類型、用途的擠壓機(jī)達(dá)8 000臺(tái)以上，鋁型材擠壓機(jī)分類如圖4所示，其中日本400余臺(tái)，歐洲（主要為德國）500多臺(tái)，美國700余臺(tái)，俄羅斯400多臺(tái)，中國3 500余臺(tái)，但大部分為15～25MN之間的小型擠壓機(jī)。雖然中國的鋁擠壓機(jī)占世界總數(shù)的43.75%，但是中國鋁擠壓與世界先進(jìn)水平仍然存在差距，鋁擠壓行業(yè)的平均熱效率近45%，比鋁型材工業(yè)發(fā)達(dá)國家加工效率約為65%的平均水平低20%左右。

2012年底，中國有在產(chǎn)的擠壓機(jī)約4 500臺(tái)，其中：≥45MN（5 000UStf）的74臺(tái)，占世界總數(shù)的60%。分布在29家企業(yè)，擠壓力≥80MN的重型擠壓機(jī)25臺(tái)，占總數(shù)的33.8%。預(yù)計(jì)至2015年年末中國保有的大鋁材擠壓機(jī)可能達(dá)到115臺(tái)。

五、結(jié)語

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置的節(jié)能省電以及加熱均勻、工件加熱品質(zhì)高等優(yōu)勢，符合國家大力倡導(dǎo)的鋁型材擠壓工業(yè)技術(shù)水平提升、節(jié)能降耗的目標(biāo)要求，預(yù)計(jì)高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化之后將具有廣闊的市場前景，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益十分明顯。

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