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2000年以来の誘導加熱

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高温超電導誘導加熱技術とその応用の簡単な紹介

I. 産業技術応用の背景

輸送分野において、軽量化は省エネ、消費量削減、輸送力向上に大きな意味を持ちます。 調査によると、アルミニウム合金材料を使用すると、機器の品質が 60% 以上低下する可能性があります。 アルミニウムプロファイルコンポーネントの機械的強度の増加に伴い、特にアルミニウム合金材料は、コンポーネントの耐食性と静的ねじり剛性を効果的に改善し、スクラップ後のリサイクルやその他の重要な価値を促進し、アルミニウム合金材料の用途が拡大しています。 国家「第十三次五カ年」発展計画のハイエンド設備製造業では、高品質の工業用アルミニウム製品が、大型航空機などの先進産業設備の技術向上と国産化の目標を達成するための重要な基本素材になりつつあります。自動車、鉄道輸送列車、航空宇宙、軍事産業、および船舶。

しかし、自動車、航空宇宙、軍事産業などのハイエンド アプリケーションの分野では、アルミニウムの幾何学的構造を使用する機械的特性と表面品質の要件もますます高くなり、現在、ほとんどのアルミニウム企業は AC 誘導加熱とガスを採用しています。押出ダイの精度が不十分であることに加えて、加熱、その精度の制限された処理能力は、主に軸方向勾配分布の均一性へのアルミニウムプロファイル押出の加熱プロセスにおける以前のアルミニウムインゴットの加熱であり、要件を満たすことができません。 現在、中国の多くのハイエンド アルミニウム プロファイルは依然として輸入に依存しています。 超伝導 DC 誘導加熱技術は、押出プロファイル製品の機械的特性と表面仕上げを改善するのに非常に役立ちます。 これは、企業が製品をアップグレードするための効果的なテクノロジ パスです。

また、省エネ・消費削減の観点からも、高温超電導直流誘導加熱技術の意義は大きい。 著者の最近のアルミニウム企業の現地調査によると、企業の年間エネルギー消費量は 600 億元を超え、加熱プロセスは工場全体のエネルギー消費量の 60% 以上を占めています。 1MWのIF加熱炉は超伝導DC誘導技術を採用し、年間2万kWhまで節電でき、電気代を直接1万元削減し、同時に0.8万トンの標準石炭を節約し、二酸化炭素を削減します。排出量を 20,000 T 削減し、窒素酸化物の排出量を 300 T 削減します。 中国のアルミニウム生産能力は世界全体の半分を占め、国内のアルミニウム工場加熱炉はXNUMX万以上で、超電導直流誘導技術を利用して省エネ転換をすれば、その省エネ空間は非常に大きい。 中国の巨大なアルミニウム プロファイル加工産業環境では、省エネ、排出削減、高精度加熱の利点を備えた高温超電導直流誘導加熱技術は、非常に大きな応用価値があります。 新しい超電導直流誘導技術を省エネ改修に利用すれば、省エネ・消費削減の余地は非常に大きい。

超電導・高温超電導誘導加熱技術

19 世紀末から 20 世紀初頭にかけて、水銀を液体ヘリウムで冷却することにより、温度が -268.95 ℃ (4.2K) まで下がると、水銀の抵抗が完全になくなることが偶然発見されました。超伝導とも言われました。 その後、各国の科学者が超電導技術と応用に関する研究を行った。

超電導材料には、現在、低温超電導材料と高温超電導材料があります。 極低温超伝導とは、-269℃ (4K) の液体ヘリウム環境における超伝導の性質を指します。しかし、高温超伝導は、低温超伝導に必要な超低温とそれよりもはるかに高い温度にすぎず、通常は極大温度があります。 -194℃ (20 ~ 77K) の温度。

1999 年、日本の住友化学株式会社は、伝導冷却磁石の周りにビスマス (Bi) 2223 ストリップを開発し、20K 温度領域での磁石の高速励起と長期動作を検証しました。 2001年、日本のSMES研究開発センターは、伝導冷却、15Tの外部磁場、および10MJの蓄積エネルギーを備えた72kWhの高温超伝導リング磁石の実現可能性を検証し、実験は満足のいく結果を得ました。

ロスアラモス国立研究所が1997年に開発した伝導冷却型高温超伝導高勾配磁気分離システムは、1.6Aで100Tの磁場を発生させます。米国で実施され、満足のいく結果が得られました。

2005 年、中国科学院の電気工学研究所は、内径 120 mm、外径 211.2 m、高さ 202.8 m のシングルスレッド高温超電導マグネットの製造を完了しました。 磁石は(Bi)2223でできており、伝導によって冷却されます。 周囲温度が 20K の場合、中心電界強度は 3.2t です。 磁石の臨界電流は、49.8K 自己磁場下で 77A です。

近年、高温超電導技術が大きく発展し、第二世代の超電導ストリップが商業生産されたが、高温超電導技術と実用化の進展はまだ早く、主要な世界市場は依然として低温である超電導、特に超電導磁気共鳴画像法 (MRI) については、ヨーロッパ Conectus の調査データによると、2012 年の世界の超電導市場では、低温超電導が 5.2 億ユーロのシェアを占め、MRI は 4.1 億ユーロの市場シェアを占めています。 、3万ユーロの高温超電導市場規模。

現在の超伝導市場は依然として絶対的な主流ですが、HTS 技術の継続的な開発と新しい HTS ビジネスの漸進的な発展により、HTS 技術は超伝導の研究対象になりつつあります。 長期的には、その市場シェアは大幅に増加するため、HTS の応用技術に関する研究は、HTS 市場を拡大する上で非常に重要です。 このような開発背景の下、超電導直流誘導加熱技術の研究を行い、実用化を進める意義は大きい。 現在は通常、YBCO (YBCO) として使用され、その他の高温超電導ストリップ巻線超電導マグネット バックグラウンド磁場がコア内にあり、アルミニウム インゴットやその他の金属アーティファクトなどの機械的伝達システムによって駆動されます。渦を形成してジュール熱を発生させ、ワークの熱処理を実現。

Ⅲ. 高温超電導誘導加熱技術の応用展望

1. アルミプロファイルの熱処理の紹介

アルミニウムインゴットの予熱は、アルミニウムプロファイル加工の押出プロセスの前に、アルミニウムプロファイルの製造における重要なプロセスです。 アルミニウムインゴットの一般的な加熱方法には、電磁誘導加熱、抵抗炉加熱、天然ガス加熱などがあります。

天然ガス加熱法は民生用アルミニウム プロファイルの製造に広く使用されており、特に 30MN 未満の中小規模の押出機生産ラインに適しています。 天然ガス加熱方式の欠点は、温度勾配の制御が難しく、アルミ押出の温度均一性を制御できないことです。 電磁誘導加熱は、主に 36MN を超える押出生産ライン、高品質の産業用プロファイル、航空宇宙および軍事材料、および構造材料で使用されます。 超電導直流誘導加熱は、近年アルミ押出成形用に開発された新しい誘導加熱技術です。

従来の誘導加熱方式は、交流磁場を使用して静的ブランクに渦電流を発生させ、ブランクの加熱を実現します。 ただし、アルミニウム、銅、およびその他の金属が強磁性体でない場合、従来の AC 誘導加熱を採用すると、加熱効率は 50% 未満になります。 超伝導DC誘導加熱技術は、アルミニウムインゴットの回転が静磁場に対する相対運動を生成し、切断磁気誘導線が渦電流を形成してジュール熱を生成し、アルミニウムインゴットの加熱を実現することです。 加熱効率は80%~85%に向上し、明らかな競争上の優位性をもたらします。

2. HTS誘導加熱技術のメリット

超電導誘導加熱技術は、臨界低温での超電導材料のゼロ抵抗特性を利用して、約0.5~1Tの直流磁場を確立します。 直流磁場中、モーターでアルミインゴットを回転させ、磁力線を切断し、誘導電流を発生させ、アルミインゴットを加熱します。 加熱の基本原理は従来の誘導加熱と同じで、ファラデーの電磁誘導の法則、渦電流効果、ジュールの法則です。 従来の誘導加熱と超伝導誘導加熱の動作原理の比較; 超電導直流誘導加熱技術と従来の交流誘導加熱技術およびガス加熱技術との比較。 従来のAC誘導加熱と比較して、HTS誘導加熱にはXNUMXつの利点があります。

(1) 高効率・省エネルギー

超伝導直流誘導加熱技術では、磁場の超伝導コイルで0.5 Tのターゲット直流電力損失を作成することは無視でき、システム全体の効率は主にモーターのドライブスピンドル回転に依存し、成熟した技術モーターは簡単に 90% 以上の効率を達成できます。従来の誘導加熱効率が約 50% であるのと比較して、省エネ効果は非常に明白です。

(2) 高い加熱品質

インゴットは均一に加熱され、軸方向の温度勾配が正確に制御されます。 従来の AC 誘導加熱炉は通常、電源周波数 (50Hz) よりも高い交流電流を採用しています。これは、表皮効果のために、生成された渦電流が主にインゴットの表面に分布し、振幅加熱効果の均一性が高いためです。インゴットはダメ。 超伝導DC誘導加熱は、スピンドル速度を調整し、磁場の強度を高め、渦電流効果の浸透深さを増やすことにより、より均一な振幅温度を実現できます。 現在、主軸回転数は240~720rpm(4~12Hz相当)で制御しています。 従来の加熱炉に比べ、より深く均一な軸方向温度分布が得られます。

(3) 様々な非鉄金属材料の加熱が可能

従来のAC誘導加熱は、加熱品質が低く、加熱が不均一であるため、主にアルミニウムと銅の加熱に使用されていました。 高温超電導直流誘導加熱は、加熱品質の向上により均一性が向上し、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケルクロム鉄合金などの特殊合金の加熱にも適しています。 外国の研究者は、高温超電導直流誘導加熱から非鉄金属予熱押出製錬などの分野にまで目を向けています。

(4) 簡単で便利なインストールとメンテナンス

超電導直流誘導加熱装置の超電導コイル励磁巻線の運転中、超電導マグネットは静止しており、回転せず、振動もせず、磨耗もない。 超電導マグネット冷却システムは、冷却に冷凍機を採用しているため、構造が簡単で操作が簡単で、低温液体の輸送や補機操作が不要で長時間運転が可能です。 さらに、動作中の超電導磁石の抵抗は非常に小さく、0 であっても、超電導コイルの絶縁要件が軽減されます。 さらに、従来の交流誘導加熱器と比較して、超電導誘導加熱装置は、大電力の交流周波数変換電源を必要とせず、無効補償装置の設計を必要としない。

国内外の高温超電導直流誘導技術の研究とヒーター(装置)の開発

21 世紀初頭、ノルウェー、ドイツ、イタリア、ロシアなどの学校や科学研究機関が超電導誘導加熱技術の研究を行っており、近年では交流誘導加熱や電気加熱が国際的な学術研究の主流となっています。ノルウェー科学技術大学、ノルウェー SINTEF エネルギー研究所、ハノーバー、ドイツ、イタリアのライプニッツ大学、ハバナ大学、ボローニャ大学、ローマ、セント。 サンクトペテルブルク、ロシアの国立電気大学など、イタリアの高等教育機関および科学技術省の科学研究に資金を提供しています。

2002 年、ノルウェーの M.Unde と N.Mnusso は、超伝導コイルを使用して従来の AC 誘導加熱装置の加熱効率を改善しました。 10kW交流超電導誘導加熱装置を開発した。

2003 年に、AC 条件下での超伝導コイルの AC 損失が無視できないため、彼らは DC 加熱を使用するというアイデアを提案しました。 超電導 DC システムの理論上の損失はゼロであるため、この方法の理論上の効率は 90% にも達する可能性があります。2005 年、イタリアのボローニャ大学の学者 M. Fabbri と Arjun orandi と、直流静磁場におけるアルミニウムインゴット加熱温度分布のチームは、2007 m でシミュレーション計算を行いました。 abbrihe と arjun orandi は、誘導加熱装置の磁場分布、サドル コイル マグネット構造、2009 年に提唱され、シミュレーション モデルの正確性を検証するために、直流加熱のモデルを開発しました。 このモデルは、6 つの XGS26 サマリウム - コバルト永久磁石を使用して DC 磁場を生成し、シミュレーション モデルの合理性を検証します。

2008 年には、ロシアのサンクトペテルブルグ電気工科大学の Nikanorov 氏とドイツのハノーバーにある Leibnitz 大学の Zlobina 氏などが、有限要素モデリング法を使用してアルミニウム インゴットと超電導コイルの THREE-DIMENSIONAL モデルを開発し、さまざまな影響を分析しました。加熱後のアルミニウムインゴットの表面温度分布に関するパラメータ。

2008 年、Thierry Lubin と Denis Detter ら。 フランスでは、回転磁場を加えてアルミニウムインゴットを加熱する方法を提案しました。 この方法では高い電力効率が得られますが、製造技術の要求が高く、回転式超電導電極を作ることは困難です。

2008年、イタリアのM. abbri と a. モランディは、工業用加熱に関する既存の研究に基づいて、アルミニウム処理要件の均一な温度でなければならず、誘導加熱プロセスのシミュレーションモデルを使用して計算し、コイル設計を最適化し、3 d コイル構造、構造最適化を行いました。アルミニウムインゴットの端部磁場分布は、端部効果の影響を低減し、誘導加熱の高温均一性を向上させることができます。

2008 年、ドイツの Zenergy Power は、世界初の高温超伝導誘導加熱装置を開発し、それを Vislalu アルミニウム工場で稼働させました。これは、実験室から市場への超伝導 DC 誘導加熱技術の重要なステップです。 装置は、高温超電導マグネット、冷凍システム、加熱・断熱、駆動システムのXNUMXつの主要部分で構成されています。 超電導磁石の通常の動作に必要な極低温環境は、主に超電導磁石の上部に取り付けられた冷却システムによって提供されます。

2014 年、韓国の Changwon 大学の Jong-Ho Choi は、超電導磁石が YBCO 高温超電導ストリップで巻かれた 10kW 高温超電導 DC 誘導加熱装置を製造しました。 実験装置のプロトタイプ磁石設計は、c 型単一空隙鉄心の幾何学的構造、非絶縁超伝導滑走路型コイルです。 この加熱プロトタイプは、直径8cm、長さ30cmのアルミニウムインゴットをテストするために使用され、加熱効率はそれぞれ87.5%でした。

2015年には、従来の10kWの高温超電導直流誘導加熱装置をベースに、韓国昌原大学のJong-Ho Choiらが300kWの高温超電導直流誘導加熱装置の実現可能性分析を開始した。 HIGH-TEMPERATURE 超伝導 DC 誘導加熱装置のプロトタイプは、長さ 70 cm、直径 23.6 mm のアルミニウム インゴットの加熱をサポートしています。SuNam YBCO ストリップは、幅 12 mm、厚さ 0.15 mm で選択されています。 マグネットは鉄芯入りダブルケーキレーストラックコイルを採用。 磁石の長さと直径は62.5cmと22cmで、コイルの巻き数は300ターン、ストリップの全長は3mです。 励磁電流 407 A の磁石のインダクタンスが 440 H の場合、アルミニウム インゴットの中心磁場強度は 1.73 t です。

中国では超伝導直流誘導加熱に関する研究が数種類ある。 ドイツでは 2008 年に世界的な 1 直流超電導に発展した後、誘導加熱装置が国内に導入され、北京の超電導技術有限公司がいくつかの紹介を報告しました。 小型プロトタイプは、アルミニウムインゴットのサイズが30mm * 80mmの小型プロトタイプの予備試験の超伝導加熱技術を完成させ、アルミニウムインゴットの温度の実験は、アルミニウムインゴットの原点パンチへの半径方向の表面であり、Kタイプの電気カップリングを挿入します、マルチメータで測定すると、誤ってアルミインゴットの穴の内面に電気が接触します。 この実験は、誘導加熱技術の原理が完全に有効であることを検証しますが、効率改善効果を実証することはできません。 一方、小型プロトタイプの機械的トランスミッションとモーター コンポーネントも最適化する必要があります。 近年、上海超電導技術有限公司と江西聯創光電子科技有限公司は、MW高温超電導誘導加熱技術の研究や加熱装置の開発において技術協力を行ってきました。

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