【教授侃铝】积极推广铝圆锭坯超导感应加热技术

2021年08月30日 9:40 2806次浏览 来源:   分类: 铝资讯   作者:

导读: 高温超导加热技术是一种高新技术,被认为是21世纪世界科技领域新的制高点之一,美国、日本、德国已建设了示范项目。中国在《“十三五”规划》《中国制造2025》等有关文件中,都将高温超导技术列为重点支持的前沿技术。江西联创光电超导应用有限公司等历时7年研发的高温超导强磁场感应技术与装备已于2020年推向市场,受到一致好评。

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表1 两种加热法工艺参数比较

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表2 德国、韩国和中国的超导直流感应铝锭坯加热技术参数

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表3 不同平均加热功率时的加热时间与效率

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表4 铝锭坯加热的经济分析

高温超导加热技术是一种高新技术,被认为是21世纪世界科技领域新的制高点之一,美国、日本、德国已建设了示范项目。中国在《“十三五”规划》《中国制造2025》等有关文件中,都将高温超导技术列为重点支持的前沿技术。

江西联创光电超导应用有限公司等历时7年研发的高温超导强磁场感应技术与装备已于2020年推向市场,受到一致好评。参与此技术与装备研发、制备、推广应用的单位有:联创光电超导应用有限公司、北京交通大学、上海超导有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鹏力有限责任公司。

现在投产的是兆瓦级(MW)的,是高温超导感应加热领域功率最大者,技术全球唯一,在大容量金属加热设备进程中具有里程碑意义。它的革命性优点如下:

●经济效益显著,节能省电,加热成本下降50%。根据联创公司的数据,在铝挤压前的加热中,传统工频感应炉的锭坯加热费为260元/t,而超导感应加热法的仅需130元/t;

●高温超导感应加热无明火,不排放温室气体,安全可靠,对环境与电网友好;

●加热速度快,直径300mm的锭坯可在5min内加热到460℃,适于挤压所有变形铝合金的加热;

●温度控制精准,温度均匀,径向温差≤1℃,可实现梯度加热,max梯度可达80℃。由于温度控制精准,挤压材性能的一致性也有所提高;

●应用范围广,不但可在铝挤压与锻造方面广为应用,而且也适用于镁、钛材料热加工锭坯的加热。此加热法还可以推广到单晶硅生长炉、超导污水处理、矿产品超导磁选等。

超导感应加热原理

超导感应加热是通过超导磁体产生背景磁场,在加热区内形成直流气隙磁场,圆锭旋转切割磁力线,产生涡流被加热,形成高穿透深度、高能效、高均匀性、温度梯度可控的加热方式,获得高品质加热,为生产高品质的挤压材与锻件奠定了基础。

两种感应加热法工艺参数的比较见表1,由表中的数据可见,超导直流感应加热的优势极为明显,频率低,转速慢,维修简便;电流穿透深度几乎为常规法的7倍,不但可加热大直径锭,而且温度均匀得多,产品质量有一定的上升,加热效率提高了约一倍;电能损耗大幅度下降,超导加热时电机的损耗约10%,比常规加热法铜线圈的损耗约低40个百分点;制冷等损耗约低5个百分点。

世界超导直流感应

加热器运转概况

截至2019年,全世界投产的超导强磁低频直流感应圆锭坯加热器共有3台:一台在德国,720kW;一台在韩国,300kW,它们所加热锭坯的max直径为300mm,可见它们在磁场强度、总功率、机械传动系统等方面尚未取得突破性的进展;另一台是中国联创公司等研发的,1MW,可对大直径锭坯进行通体均匀加热。德国、韩国和中国的超导直流感应铝锭坯加热技术参数见表2。

由表2所列的数据可见,我国在铝锭坯超导直流感应加热器领域是世界领跑者,所有参数居世界前列。可加热锭坯的直径为韩国加热器的1.88倍,为德国加热器的2.54倍,可加热锭坯的长度为韩国加热器的2.14倍,为德国加热器的2.17倍,特别是在加热生产能力方面,中国的大到5.7t/h,为德国加热器产能的2.6倍、韩国加热器产能的3.88倍。

中国超导感应加热装置简说

中国联创公司1MW超导感应加热装置由三部分构成:超导磁体系统、机械传动系统、实时测控系统。它的技术参数:加热能效>80%,径向热穿透深度≥100mm,加热均匀度≤±5℃,温度梯度max100℃/m,加热模式为同时加热2根圆锭,加热频率4Hz~10Hz。

●超导磁体系统。由超导磁体、低温制冷单元和铁心等组成,采用大口径传导式超导磁体技术和气隙可调铁心结构设计技术。

●机械传动系统。由变频电机、减速机、联轴器、顶紧装置、主轴箱和夹具等组成,采用顶力中转机构和大扭矩强顶力主轴技术。

●实时测控系统。采用PLC(可编程序逻辑控制器)作控制核心,集机电控制、磁体励磁控制、参数监测和加热过程监控等功能于一体,实现了装置高度自动化。

●高温超导磁体系统。超导磁体的主要参数:铁心中心柱直径1770mm;气隙空间566×566×1700mm,中心磁场>0.5T-1T;超导线圈励磁安匝数36.5万,三段式螺管式结构。

●动力机械系统。锭坯获得的热功率来自电机输出功率,因此在设计动力系统时,电机的输出转矩特性和锭坯的负载转矩特性应相互匹配。

●可加热不同直轻和长度的锭坯。

由于铁芯系统是开放式的,以及液压自助式的抓手系统,因而可以加热长0.8-1.5m的锭坯。切换机械抓手末端卡套,就可以加热直径200-450mm的任一种锭坯。

现以加热直径446mm、长1500 mm铝锭坯为例,加热到450℃不同功率时的加热时间及加热效率见表3。由于铝的电阻率随着温度上升而加大,因此加热功率随着温度上升而增大。

铝锭坯超导感应加热优点

●透热深度大,心表温差小。加热铝锭坯时,超导感应加热的透深度>100mm,而常规感应加热<20mm。超导感应加热频率为4Hz~8Hz,而常规感应加热>50Hz。超导感应加热可实现对Φ400mm以上锭坯几乎整体均匀加热,而且特别适合于对加热不均匀敏感的2000系及7000系合金的加热,因为这些高强度合金在加热不均匀时易开裂。

●超导感应加热时,锭的心表温差都≤1.2℃,例如直径220mm锭的为-0.9℃、+1.1℃;300mm锭的为-0.6℃、+1.2℃;446mm锭的为-0.8℃、+1.0℃。

●在锭坯均匀加热时,其轴向温度均匀度可达±5℃。

●在进行梯度加热时,锭坯轴向可实现10℃~40℃的梯度加热。

经济效益分析

超导感应加热法研究团队对该法的经济效益从各方面进行了分析(表4),得出如下结论:

●能效高,经济效益显著。超导感应加热法生产线的能效约比传统加热法的高一倍,而且生产利用率越高,其效益越显著。

●综合经营成本低。传统感应加热需配置大功率水冷机组,而超导直流感应加热器所用超导线圈基本无能耗,外围辅助设备电力成本很低。

●投资回收期短。设备投资期短,仅二三年,这在铝加工产业较大项目建设中并不多见。若按电费0.8元/kWh计算,可节约电费约729万元,静态投资回收期1.56年,按电费1元/kWh计算,可节约电费约911万元,静态投资回收期1.26年。

有色金属圆锭坯

超导感应加热装备市场前景

有色金属材料在挤压、锻造前都要进行预加热,以提高其塑性变形能力,中国是全球最大的有色金属(本文指铝、镁、钛)挤压材与锻件生产和消费国,2020年挤压铝材产量可能达19500kt,生产能力约27800kt/a,拥有1.5MN~225MN的挤压机约7500台,其中挤压力≥45MN的约175台,最大的为225MN的2台。铝合金锻造机约145台,最大800MN的1台,世界之最。这是一个多么大的市场,如果2025年有5%铝挤压机的锭坯采用高温超导感应加热设备加热,就需要约370台。不过由于圆锭坯超导感应加热器是一种高精尖装备,推广起来有一定难度。

另外,超导技术除铝锭坯挤压前与锻造前的预加热方面有着广泛与高效的应用外,在单晶硅生长炉、矿石磁选与污水处理领域也有着巨大的应用前景。

结束语

高温超导感应加热技术与装备在轻合金圆锭坯挤压及锻造前的预加热方面是一项高新精尖技术,宜在“十四五”规划指导下大力推广,为节能减排与实现碳中和目标以及有色金属强国梦作出新的贡献。它的具体优点:

●与传统工频感应炉相比,加热成本可下降50%,即从260元/t铝下降到130元/t铝;

●加热速度快,可在5min内将直径300mm锭坯加热到460℃;

●控温精准,锭坯心表温度均匀,几乎等同,径向温差≤1℃;

●安全可靠,无明火,对用户和电网友好;

●产品质量有一定提高。

我国有铝挤压机大于50台的大型挤压企业16家,有锻造机多于2-3台的大型铝锻造厂6家。希望这些大企业能在推广此项有革命性突破的新技术方面起表率引领作用,可以先建一两条生产线看看效果如何,还希望有关方面在推广此技术中多做工作。

责任编辑:李开颜

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