推廣應(yīng)用鋁圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)

張 強(qiáng)，王祝堂

(1.東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060；2.中國(guó)有色金屬加工工業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100814)

江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司等單位歷時(shí)7 a研發(fā)的高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)與裝備已于2020年推向市場(chǎng)，受到一致好評(píng)。參與此技術(shù)與裝備研發(fā)、制造、推廣應(yīng)用的單位有：聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司、北京交通大學(xué)、上海超導(dǎo)有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鵬力有限責(zé)任公司等。

現(xiàn)在投產(chǎn)的是兆瓦級(jí)(MW)的，是高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱領(lǐng)域功率最大者，技術(shù)全球唯一，在大容量金屬加熱設(shè)備發(fā)展進(jìn)程中具有里程碑意義。它的優(yōu)點(diǎn)如下：①經(jīng)濟(jì)效益顯著，節(jié)能省電，加熱成本下降50%，根據(jù)聯(lián)創(chuàng)公司的數(shù)據(jù)，在鋁擠壓前的加熱中，傳統(tǒng)工頻感應(yīng)爐的錠坯加熱費(fèi)為260元/t，而超導(dǎo)感應(yīng)加熱法的僅需130元/t；②高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱無(wú)明火，不排放溫室氣體，安全可靠，對(duì)環(huán)境與電網(wǎng)友好；③加熱速度快，直徑300 mm的錠坯可在5 min內(nèi)加熱到460 ℃，適于擠壓所有變形鋁合金的加熱；④溫度控制精準(zhǔn)，溫度均勻，徑向溫差不大于1 ℃，可實(shí)現(xiàn)梯度加熱，最大梯度可達(dá)80 ℃/m；⑤應(yīng)用范圍廣，不但可在鋁擠壓與鍛造方面應(yīng)用，而且也適用于鎂、鈦材料熱加工錠坯的加熱，此加熱法還可以推廣到單晶硅生長(zhǎng)爐、超導(dǎo)污水處理、礦產(chǎn)品超導(dǎo)磁選等。

高溫超導(dǎo)加熱技術(shù)是一種高新技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)世界科技領(lǐng)域新的制高點(diǎn)之一，美國(guó)、日本、德國(guó)已建設(shè)了示范項(xiàng)目。中國(guó)在《“十三五”規(guī)劃》、《中國(guó)制造2025》等有關(guān)文件中，都將高溫超導(dǎo)技術(shù)列為重點(diǎn)支持的前沿技術(shù)。它完全克服了現(xiàn)有交流感應(yīng)技術(shù)的局限性與不足。由于現(xiàn)有交流感應(yīng)加熱技術(shù)的趨膚效應(yīng)，導(dǎo)致圓錠的透熱深度小、加熱不均勻，且熱效率低與成本高。

1 超導(dǎo)感應(yīng)加熱原理

通過(guò)超導(dǎo)磁體產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，在加熱區(qū)內(nèi)形成直流氣隙磁場(chǎng)，圓錠旋轉(zhuǎn)切割磁力線產(chǎn)生渦流被加熱(參見(jiàn)圖1)，形成高穿透深度、高能效、高均勻性、溫度梯度可控的加熱方式，獲得高品質(zhì)的加熱，為生產(chǎn)高品質(zhì)的鋁擠壓材與鍛件奠定了基礎(chǔ)。

圖1 兩種加熱技術(shù)原理示意圖

兩種感應(yīng)加熱法的工藝參數(shù)見(jiàn)表1。由表1中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的優(yōu)點(diǎn)極為明顯：頻率低，轉(zhuǎn)速慢，維修簡(jiǎn)便；電流穿透深度幾乎為常規(guī)法的7倍，不但可加熱大直徑錠坯，而且溫度更加均勻，產(chǎn)品質(zhì)量有一定的提升，加熱效率提高約一倍；電能損耗大幅度下降，超導(dǎo)加熱時(shí)電機(jī)的電能損耗約10%，比常規(guī)加熱法銅線圈的電能損耗約低40個(gè)百分點(diǎn)；制冷等電能損耗約低5個(gè)百分點(diǎn)。

表1 兩種加熱法工藝參數(shù)比較

2 世界超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁圓錠坯加熱器運(yùn)轉(zhuǎn)概況

截至 2019年，全世界投產(chǎn)的超導(dǎo)強(qiáng)磁低頻直流感應(yīng)鋁圓錠坯加熱器共有3臺(tái)。一臺(tái)在德國(guó)，720 kW。一臺(tái)在韓國(guó)，300 kW。它們所加熱的錠坯的最大直徑為300 mm。中國(guó)聯(lián)創(chuàng)公司等研發(fā)的1 MW超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器，可對(duì)更大直徑錠坯進(jìn)行通體均勻加熱，是目前全球最先進(jìn)的這類工藝和裝置，見(jiàn)圖2及表2。

圖2 德國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)的超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁圓錠坯加熱器

由表2所列的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，中國(guó)的鋁圓錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器所有參數(shù)居世界前列?？杉訜徨V坯的直徑為韓國(guó)加熱器的1.88倍，為德國(guó)加熱器的2.54倍，可加熱錠坯的長(zhǎng)度為韓國(guó)加熱器的2.14倍，為德國(guó)加熱器的2.17倍，特別是加熱生產(chǎn)能力為德國(guó)加熱器產(chǎn)能的2.6倍，為韓國(guó)加熱器產(chǎn)能的3.88倍。

表2 德國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)的超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁圓錠坯加熱技術(shù)參數(shù)

3 中國(guó)超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置簡(jiǎn)介

中國(guó)聯(lián)創(chuàng)公司1MW超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置(參見(jiàn)圖3)由三部分構(gòu)成：超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。它的技術(shù)參數(shù)：加熱能效達(dá)到80%以上，徑向熱穿透深度100 mm以上，加熱均勻度誤差不大于±5 ℃，可以溫度梯度加熱、最大梯度100 ℃/m，加熱模式為同時(shí)加熱2根圓錠，加熱頻率4 Hz～10 Hz。

1)超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。由超導(dǎo)磁體、低溫制冷單元和鐵心等組成，采用大口徑傳導(dǎo)式超導(dǎo)磁體技術(shù)和氣隙可調(diào)鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

2)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。由變頻電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、頂緊裝置、主軸箱和夾具等組成。采用頂力中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大扭矩強(qiáng)頂力主軸技術(shù)。

3)實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。采用PLC(可編程序邏輯控制器)作為控制核心，集機(jī)電控制、磁體勵(lì)磁控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)和加熱過(guò)程監(jiān)控等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了裝置高度自動(dòng)化。

4)高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)(圖4)。超導(dǎo)磁體的主要參數(shù)：鐵心中心柱直徑1 770 mm；氣隙空間566 mm×566 mm×1 700 mm，中心磁場(chǎng)大于0.5 T～1T；超導(dǎo)線圈勵(lì)磁安匝數(shù)36.5萬(wàn)匝，三段式螺管式結(jié)構(gòu)。

圖4 高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱鋁錠坯裝置磁體系統(tǒng)

5)動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)(圖5)。錠坯獲得的熱功率來(lái)自電機(jī)輸出功率，因此在設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性和錠坯的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)相互匹配。

圖5 高溫超導(dǎo)感應(yīng)鋁錠坯加熱器的動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)

6)可加熱不同直徑和長(zhǎng)度的錠坯。由于鐵芯系統(tǒng)是開(kāi)放式的，以及液壓自助式的抓手系統(tǒng)，因而可以加熱長(zhǎng)0.8 m～1.5 m的錠坯。切換機(jī)械抓手末端卡套，就可以加熱直徑200 mm～450 mm的任一種錠坯。

以加熱直徑446 mm、長(zhǎng)1 500 mm鋁錠坯為例，加熱到450 ℃不同功率時(shí)的加熱時(shí)間及加熱效率見(jiàn)表3。由于鋁的電阻率隨著溫度上升而加大，因此加熱功率隨著溫度上升而增大。

表3 不同平均加熱功率時(shí)的加熱時(shí)間與效率

4 鋁錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱優(yōu)點(diǎn)

1)透熱深度大，錠坯心表溫差小。加熱鋁錠坯時(shí)，超導(dǎo)感應(yīng)加熱的透深度大于100 mm，而常規(guī)感應(yīng)加熱的小于20 mm。超導(dǎo)感應(yīng)加熱頻率為4 Hz～8 Hz，而常規(guī)感應(yīng)加熱的大于50 Hz。超導(dǎo)感應(yīng)加熱可實(shí)現(xiàn)對(duì)Φ400 mm以上錠坯幾乎整體均勻加熱，而且特別適合用于對(duì)加熱不均勻性敏感的2×××系及7×××系鋁合金的加熱，這些高強(qiáng)度鋁合金在加熱不均勻時(shí)易開(kāi)裂。

2)超導(dǎo)感應(yīng)加熱時(shí)，錠坯的心表溫差都不大于1.2 ℃，例如φ220 mm錠坯的為-0.9 ℃、+1.1 ℃；φ300 mm錠坯的為-0.6 ℃、+1.2 ℃；φ446 mm錠的為-0.8 ℃、+1.0 ℃。

3)在錠坯均勻加熱時(shí)，其軸向溫度均勻度可達(dá)±5 ℃。

4)在進(jìn)行梯度加熱時(shí)，錠坯軸向可實(shí)現(xiàn)10 ℃～40 ℃的梯度加熱。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益從各方面進(jìn)行了分析(見(jiàn)表4)，得出如下結(jié)論：

表4 鋁錠坯加熱的經(jīng)濟(jì)分析

1)能效率高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)生產(chǎn)線的能效率約比傳統(tǒng)加熱法的高一倍，而且生產(chǎn)利用率越高，其效益越顯著。

2)綜合經(jīng)營(yíng)成本低。傳統(tǒng)感應(yīng)加熱需配置大功率水冷機(jī)組，而超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器所用超導(dǎo)線圈基本無(wú)能耗，外圍輔助設(shè)備電力成本很低。

3)投資回收期短。設(shè)備投資回收期僅二三年，這在鋁加工產(chǎn)業(yè)較大項(xiàng)目建設(shè)中并不多見(jiàn)。若按電費(fèi)0.8元/kWh計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約729萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期1.56 a；按電費(fèi)1元/kWh計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約911萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期1.26 a。

6 有色金屬圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝備市場(chǎng)前景

有色金屬材料在擠壓、鍛造前都要進(jìn)行預(yù)加熱，以提高其塑性變形能力，中國(guó)是全球最大的有色金屬(這里指鋁、鎂、鈦)擠壓材與鍛件生產(chǎn)與消費(fèi)國(guó)，2020年擠壓鋁材產(chǎn)量可能達(dá)19 500 kt，生產(chǎn)能力約27 800 kt/a，擁有1.5 MN～225 MN的擠壓機(jī)約7 500臺(tái)，其中擠壓力不小于45 MN的約175臺(tái)，最大的為225 MN、2臺(tái)。鋁合金鍛造機(jī)約145臺(tái)，1臺(tái)最大的800 MN，世界之最。這是一個(gè)多么大的市場(chǎng)，如果2025年有5%的鋁擠壓機(jī)的錠坯采用高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備加熱，就需要該設(shè)備約370臺(tái)。不過(guò)由于圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱器是一種高精尖裝備，推廣起來(lái)有一定難度。

7 在單晶硅生長(zhǎng)爐、選礦和污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用

超導(dǎo)技術(shù)除鋁錠坯擠壓前與鍛造前的預(yù)加熱方面有著廣泛與高效的應(yīng)用外，在單晶硅生長(zhǎng)爐、礦石磁選與污水處理領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用前景。

1)超導(dǎo)單晶生長(zhǎng)爐。中國(guó)是全球最大的單晶硅生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)。相較于永磁體、常規(guī)電磁鐵，超導(dǎo)磁體，由于其具有低能耗、快速響應(yīng)控制、磁強(qiáng)度高、均勻性好等一系列優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是制備單晶硅的最佳選擇，其設(shè)備體積可縮小4/5，質(zhì)量可減輕9/10，電耗可降低20%，產(chǎn)品成品率可以提高30%。

2)超導(dǎo)磁選礦。超導(dǎo)磁選機(jī)的問(wèn)世是選礦設(shè)備的一次重大性突破，具有如下優(yōu)點(diǎn)：可產(chǎn)生5 T以上的磁場(chǎng)強(qiáng)度，而普通電磁選機(jī)僅1.2 T，因而有價(jià)礦石回收率大大提高；運(yùn)行成本大幅下降，超導(dǎo)磁選機(jī)比目前的稀土電磁選機(jī)省電90%，不需要大量冷卻水，機(jī)器啟動(dòng)時(shí)的冷卻費(fèi)用僅2 500元，是常規(guī)冷卻費(fèi)用的1.25%，總耗電量?jī)H25 kWh/h；與電磁體相比，使用期限長(zhǎng)7倍，與立環(huán)電磁選機(jī)相比，節(jié)約的水量更大；安全輕巧，與低溫超導(dǎo)磁選機(jī)相比，高溫超導(dǎo)磁選機(jī)不需要液氦制冷，尺寸小，總質(zhì)量?jī)H2 t～4 t。

3)超導(dǎo)污水處理。污水處理是一個(gè)世界性的大課題，也是一道難題，據(jù)GEP Research發(fā)布的《全球及中國(guó)工業(yè)廢水處理行業(yè)發(fā)展報(bào)告》稱，2017年全球工業(yè)廢水處理行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為3 675億元，其中中國(guó)為24.1%，全球第二；估計(jì)2020年中國(guó)工業(yè)廢水處理市場(chǎng)容量可達(dá)3 500億元。

8 結(jié)束語(yǔ)

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)與裝備在輕合金圓錠坯擠壓及鍛造前的預(yù)加熱方面是一項(xiàng)高新精尖技術(shù)，宜在“十四五”規(guī)劃指導(dǎo)下大力推廣，為節(jié)能減排與實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)以及有色金屬?gòu)?qiáng)國(guó)夢(mèng)作出新的貢獻(xiàn)。它的具體優(yōu)點(diǎn)：

1)與傳統(tǒng)工頻感應(yīng)爐相比，加熱成本可下降50%；

2)加熱速度快，可在5 min內(nèi)將直徑300 mm錠坯加熱到460 ℃；

3)控溫精準(zhǔn)，錠坯心表溫度均勻，徑向溫差不大于1 ℃；

4)安全可靠，無(wú)明火，對(duì)用戶和電網(wǎng)友好；

5)加熱產(chǎn)品的質(zhì)量有一定提高。

我國(guó)有50臺(tái)以上鋁擠壓機(jī)的大型擠壓企業(yè)約16個(gè)，有2臺(tái)以上鍛造機(jī)的大型鋁鍛造廠約6個(gè)，這些大企業(yè)可以在推廣此項(xiàng)新技術(shù)方面起表率引領(lǐng)作用。