Induktionserwärmung seit 2000

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Kurze Einführung in die supraleitende Hochtemperatur-Induktionsheiztechnologie und ihre Anwendung

I. Anwendungshintergrund der industriellen Technologie

Im Transportbereich ist Leichtbau von großer Bedeutung für Energieeinsparung, Verbrauchsreduzierung und Verbesserung der Transportkapazität. Untersuchungen zufolge kann die Verwendung von Aluminiumlegierungsmaterial die Gerätequalität um mehr als 60 % reduzieren. Mit der Erhöhung der mechanischen Festigkeit von Aluminiumprofilkomponenten können insbesondere Aluminiumlegierungsmaterialien die Korrosionsbeständigkeit und statische Torsionssteifigkeit von Komponenten effektiv verbessern und das Recycling nach Schrott und anderen wichtigen Werten erleichtern. Die Anwendung von Aluminiumlegierungsmaterialien nimmt zu. In der High-End-Ausrüstungsindustrie im nationalen „13. Fünfjahres“-Entwicklungsplan werden hochwertige industrielle Aluminiumprodukte zu den wichtigsten Grundmaterialien, um das Ziel der technologischen Aufrüstung und Lokalisierung fortschrittlicher Industrieausrüstung wie Großflugzeuge zu erreichen. Automobile, Schienenverkehrszüge, Luft- und Raumfahrt, Militärindustrie und Schiffe.

Aber im Bereich der High-End-Anwendungen wie Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, Militärindustrie, die geometrische Struktur von Aluminium, um die mechanischen Eigenschaften und die Anforderungen an die Oberflächenqualität auch immer höher zu nutzen, verwenden derzeit die meisten Aluminiumunternehmen eine Wechselstrom-Induktionsheizung und Gas Heizung, seine Präzision begrenzte Verarbeitungskapazität, zusätzlich zu der unzureichenden Präzision der Extrusionsdüse, ist weitgehend die ehemalige Aluminiumbarrenheizung im Heizprozess der Aluminiumprofilextrusion auf die Gleichmäßigkeit der axialen Gradientenverteilung und kann die Anforderungen nicht erfüllen. Derzeit sind viele High-End-Aluminiumprofile in China noch auf Importe angewiesen. Die supraleitende DC-Induktionserwärmungstechnologie ist eine große Hilfe, um die mechanischen Eigenschaften und die Oberflächenbeschaffenheit von extrudierten Profilprodukten zu verbessern. Es ist ein effektiver Technologiepfad für Unternehmen, um ihre Produkte zu aktualisieren.

Außerdem ist unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung die Hochtemperatur-Supraleiter-DC-Induktionsheiztechnologie von großer Bedeutung. Laut der jüngsten Felduntersuchung des Autors in Aluminiumunternehmen übersteigt der jährliche Energieverbrauch des Unternehmens 600 Millionen Yuan, und der Heizprozess macht mehr als 60 % des Energieverbrauchs der gesamten Anlage aus. Wenn der Heizofen mit 1 MW die supraleitende DC-Induktionstechnologie anwendet, kann er Strom bis zu 2 Millionen kWh pro Jahr einsparen, die Stromkosten direkt um 1 Million Yuan senken und gleichzeitig 0.8 Millionen T Standardkohle einsparen und Kohlendioxid reduzieren -Emissionen um 20,000 Tonnen und die Stickoxidemissionen um 300 Tonnen reduzieren. Chinas Aluminiumproduktionskapazität macht die Hälfte der weltweiten Gesamtkapazität aus, der Aluminiumfabrik-Heizofen des Landes mehr als zehntausend, wenn der Einsatz von supraleitender DC-Induktionstechnologie für energiesparende Transformation, sein energiesparender Raum sehr groß ist. In Chinas riesigem Umfeld der Aluminiumprofil verarbeitenden Industrie hat die supraleitende Hochtemperatur-DC-Induktionsheiztechnologie mit den Vorteilen der Energieeinsparung und Emissionsreduzierung sowie der hochpräzisen Erwärmung einen sehr großen Anwendungswert. Wenn die neue supraleitende DC-Induktionstechnologie zur energetischen Sanierung eingesetzt wird, ist der Spielraum für Energieeinsparung und Verbrauchsreduzierung sehr groß.

Supraleitende und hochtemperatursupraleitende Induktionsheiztechnologie

Bereits Ende des 19. Jahrhunderts und Anfang des 20. Jahrhunderts wurde durch Abkühlen von Quecksilber mit flüssigem Helium zufällig entdeckt, dass der Widerstand von Quecksilber vollständig verschwand, wenn die Temperatur auf -268.95 ℃ (4.2 K) fiel wurde auch als Supraleitung bezeichnet. Danach führten Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern Forschungen zur Supraleitungstechnologie und -anwendung durch.

Supraleitende Materialien, derzeit gibt es Niedertemperatur-Supraleitermaterialien und Hochtemperatur-Supraleitermaterialien. Kryogene Supraleitung bezieht sich auf die Eigenschaften der Supraleitung in einer Umgebung mit flüssigem Helium von -269℃ (4K). Hochtemperatur-Supraleitung ist jedoch nur die ultraniedrige Temperatur und viel höhere Temperatur, die von der Niedertemperatur-Supraleitung benötigt wird, die normalerweise ein Maximum hat Temperatur von -194℃ (20 ~ 77K).

1999 entwickelte die Sumitomo Chemical Corporation aus Japan einen Wismut (Bi) 2223-Streifen um einen leitungsgekühlten Magneten herum und verifizierte die schnelle Erregung und den Langzeitbetrieb des Magneten im Temperaturbereich von 20 K. Im Jahr 2001 verifizierte das japanische SMES-Forschungs- und Entwicklungszentrum die Machbarkeit eines 15-kWh-Hochtemperatur-Supraleiter-Ringmagneten mit Leitungskühlung, einem externen Feld von 10 T und einer gespeicherten Energie von 72 MJ, und das Experiment erzielte zufriedenstellende Ergebnisse.

Das 1997 vom Los Alamos National Laboratory entwickelte leitungsgekühlte Hochtemperatur-Supraleitungs-Magnettrennsystem mit hohem Gradienten erzeugt ein Magnetfeld von 1.6 T bei 100 A. 2005 wurde das Experiment zur Anwendung eines HTS-Magneten in einem 95-GHz-Vibrationsgyroskop durchgeführt den Vereinigten Staaten, und es wurden zufriedenstellende Ergebnisse erzielt.

Im Jahr 2005 schloss das Institut für Elektrotechnik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften die Produktion eines eingängigen Hochtemperatur-Supraleitermagneten mit einem Innendurchmesser von 120 mm, einem Außendurchmesser von 211.2 m und einer Höhe von 202.8 m ab. Der Magnet besteht aus (Bi) 2223, das durch Leitung gekühlt wird. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 K beträgt die zentrale Feldstärke 3.2 t. Der kritische Strom des Magneten beträgt 49.8 A bei einem Eigenfeld von 77 K.

In der Hochtemperatur-Supraleiter-Technologie hat sich in den letzten Jahren eine große Entwicklung entwickelt, die zweite Generation des supraleitenden Streifens hat die kommerzielle Produktion, aber die Hochtemperatur-Supraleiter-Technologie und die Anwendung des praktischen Fortschritts ist nicht bald, der wichtigste globale Markt ist immer noch eine niedrige Temperatur Supraleitung, insbesondere für supraleitende Magnetresonanztomographie (MRI), nach Angaben der europäischen Conectus-Umfrage, die supraleitenden Märkte auf der ganzen Welt im Jahr 2012, die Niedertemperatur-Supraleitung besetzen den Anteil von 5.2 Milliarden Euro, MRI, die einen Marktanteil von 4.1 Milliarden Euro einnimmt , und Hochtemperatur-Supraleiter Marktgröße für 3 0 Millionen Euro.

Obwohl der aktuelle Supraleitermarkt immer noch der absolute Mainstream ist, wird die HTS-Technologie mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der HTS-Technologie sowie der schrittweisen Entwicklung des neuen HTS-Geschäfts zum Forschungsschwerpunkt der Supraleitung. Langfristig soll der Marktanteil stark ausgebaut werden, sodass die Forschung zur HTS-Anwendungstechnik für den Ausbau des HTS-Marktes von großer Bedeutung ist. Vor diesem Entwicklungshintergrund ist es von großer Bedeutung, die supraleitende DC-Induktionserwärmungstechnologie zu erforschen und ihre praktische Anwendung voranzutreiben. Jetzt wird in der Regel als YBCO (YBCO) verwendet, und andere Hochtemperatur-Supraleiterbandwicklung supraleitender Magnet Hintergrundmagnetfeld im Kern, angetrieben durch das mechanische Übertragungssystem, wie Aluminiumbarren und andere Metallartefakte in Magnetfeldrotation, Werkstückschneidelinien zu Bilden Sie einen Wirbel und erzeugen Sie Joule-Wärme, verwirklichen Sie die Werkstückwärmebehandlung.

III. Anwendungsaussichten der supraleitenden Hochtemperatur-Induktionsheiztechnologie

1. Einführung in die Wärmebehandlung von Aluminiumprofilen

Das Vorwärmen von Aluminiumblöcken ist ein Schlüsselprozess bei der Herstellung von Aluminiumprofilen vor dem Extrusionsprozess der Verarbeitung von Aluminiumprofilen. Übliche Heizmethoden für Aluminiumbarren umfassen elektromagnetische Induktionsheizung, Widerstandsofenheizung, Erdgasheizung und so weiter.

Das Erdgasheizverfahren ist in der zivilen Herstellung von Aluminiumprofilen weit verbreitet und eignet sich besonders für kleine und mittlere Extruder-Produktionslinien mit weniger als 30 MN. Der Nachteil des Erdgasheizverfahrens besteht darin, dass es schwierig ist, den Temperaturgradienten zu steuern, und dass die Temperaturgleichmäßigkeit der Aluminiumextrusion nicht gesteuert werden kann. Elektromagnetische Induktionserwärmung wird hauptsächlich in der Extrusionsproduktionslinie mit mehr als 36 MN, hochwertigen Industrieprofilen, Luft- und Raumfahrt- und Militärmaterialien sowie Strukturmaterialien verwendet. Supraleitendes DC-Induktionsheizen ist eine neue Induktionsheiztechnologie, die in den letzten Jahren für die Aluminiumextrusion entwickelt wurde.

Das traditionelle Induktionsheizverfahren VERWENDET ein magnetisches Wechselfeld, um Wirbelströme in dem statischen Rohling zu erzeugen, um eine Erwärmung des Rohlings zu realisieren. Wenn jedoch Aluminium, Kupfer und andere Metalle keine ferromagnetischen Materialien sind, beträgt die Heizeffizienz weniger als 50 %, wenn eine herkömmliche AC-Induktionsheizung verwendet wird. Supraleitende DC-Induktionsheiztechnologie besteht darin, dass die Rotation der Aluminiumbarren eine Relativbewegung zum statischen Magnetfeld erzeugt und die schneidenden magnetischen Induktionslinien Wirbelströme bilden und Joulesche Wärme erzeugen, um die Erwärmung der Aluminiumbarren zu realisieren. Die Heizeffizienz wird auf 80 % ~ 85 % verbessert, was ihm einen offensichtlichen Wettbewerbsvorteil verschafft.

2. Vorteile der HTS-Induktionserwärmungstechnologie

Die supraleitende Induktionsheiztechnologie nutzt die Nullwiderstandseigenschaft von supraleitenden Materialien bei kritisch niedrigen Temperaturen, um ein magnetisches Gleichfeld von etwa 0.5 bis 1 T aufzubauen. Im Gleichstrom-Magnetfeld wird der Aluminiumbarren von einem Motor angetrieben, um sich zu drehen, Magnetfeldlinien zu schneiden, Induktionsstrom zu erzeugen und den Aluminiumbarren zu erhitzen. Das Grundprinzip der Erwärmung ist das gleiche wie bei der herkömmlichen Induktionserwärmung, bei der es sich um das Faradaysche Gesetz der elektromagnetischen Induktion, den Wirbelstromeffekt und das Joulesche Gesetz handelt. Vergleich des Arbeitsprinzips zwischen traditioneller Induktionsheizung und supraleitender Induktionsheizung; Vergleich der supraleitenden DC-Induktionsheiztechnologie mit der traditionellen AC-Induktionsheiztechnologie und der Gasheiztechnologie. Im Vergleich zur konventionellen AC-Induktionserwärmung hat die HTS-Induktionserwärmung vier Vorteile.

(1) Hohe Effizienz und Energieeinsparung

In der supraleitenden DC-Induktionsheiztechnologie kann die Erzeugung eines 0.5 T-Ziel-DC-Leistungsverlusts in der supraleitenden Spule des Magnetfelds ignoriert werden, die Effizienz des gesamten Systems hängt hauptsächlich von der Antriebsspindelrotation des Motors und der ausgereiften Technologie von ab Der Motor kann leicht einen Wirkungsgrad von mehr als 90% erreichen, verglichen mit dem herkömmlichen Induktionsheizwirkungsgrad von etwa 50% ist der Energiespareffekt sehr offensichtlich.

(2) Hohe Heizqualität

Der Block wird gleichmäßig erhitzt und der axiale Temperaturgradient wird genau gesteuert. Der traditionelle AC-Induktionsheizofen verwendet normalerweise einen Wechselstrom, der größer als die Netzfrequenz (50 Hz) ist. Aufgrund des Skin-Effekts verteilt sich der erzeugte Wirbelstrom hauptsächlich auf der Oberfläche des Barrens und der Gleichmäßigkeit des Amplitudenheizeffekts Barren ist nicht gut. Die supraleitende DC-Induktionsheizung kann eine gleichmäßigere Amplitudentemperatur erreichen, indem die Spindeldrehzahl angepasst, die Stärke des Magnetfelds erhöht und die Eindringtiefe des Wirbelstromeffekts erhöht wird. Derzeit wird die Spindeldrehzahl auf 240 ~ 720 U / min (entspricht 4 ~ 12 Hz) geregelt. Verglichen mit dem herkömmlichen Heizofen kann er eine tiefere und gleichmäßigere axiale Temperaturverteilung erzielen.

(3) Kann eine Vielzahl von Nichteisenmetallmaterialien erhitzen

Herkömmliche AC-Induktionserwärmung wird aufgrund ihrer geringen Erwärmungsqualität und ungleichmäßigen Erwärmung hauptsächlich zum Erhitzen von Aluminium und Kupfer verwendet. Hochtemperatur-Supraleitungs-DC-Induktionsheizung ist aufgrund der verbesserten Heizqualität gleichmäßiger und eignet sich auch zum Erhitzen von Magnesiumlegierungen, Titanlegierungen, Nickel-Chrom-Eisenlegierungen und anderen Speziallegierungen. Ausländische Forscher haben ihre Aufmerksamkeit sogar auf Hochtemperatur-Supraleiter-DC-Induktionserwärmung, Vorerwärmung von Nichteisenmetallen, Extrusionsschmelzen und andere Bereiche gerichtet.

(4) Einfache und bequeme Installation und Wartung

Während des Betriebs der Erregerwicklung der supraleitenden Spule in der supraleitenden DC-Induktionsheizvorrichtung ist der supraleitende Magnet statisch, rotiert nicht, vibriert nicht und weist keinen Abrieb auf. Das Kühlsystem mit supraleitenden Magneten übernimmt die Kältemaschine zur Durchführung der Kühlung, die einen einfachen Aufbau hat, leicht zu bedienen ist und lange Zeit ohne Niedertemperatur-Flüssigkeitstransport und zusätzlichen Betrieb laufen kann. Außerdem ist der Widerstand des supraleitenden Magneten beim Arbeiten sehr klein, sogar 0, so dass der Isolationsbedarf der supraleitenden Spule reduziert wird. Außerdem benötigt die supraleitende Induktionsheizvorrichtung verglichen mit der herkömmlichen Wechselstrom-Induktionsheizvorrichtung keine Hochleistungs-Wechselstrom-Frequenzumwandlungsstromversorgung und erfordert nicht die Konstruktion einer Blindleistungskompensationsvorrichtung.

Forschung zur hochtemperatursupraleitenden DC-Induktionstechnologie im In- und Ausland und Entwicklung von Heizgeräten (Geräten)

Zu Beginn des 21. Jahrhunderts haben sich Norwegen, Deutschland, Italien, Russland und andere Länder von Schulen und wissenschaftlichen Forschungsinstituten für die Erforschung der supraleitenden Induktionsheiztechnologie in den letzten Jahren zum Mainstream der internationalen akademischen Forschung entwickelt, z B. die norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie und das norwegische Energieforschungsinstitut SINTEF, Hannover, Deutschland, die italienische Leibniz-Universität Havanna University, die Universität Bologna, Rom, St. Petersburg, Russlands nationale Elektrouniversität usw., die wissenschaftliche Forschungsarbeit für die italienischen Hochschulen und das Ministerium für Wissenschaft und Technologie zur Finanzierung.

Im Jahr 2002 verbesserten M.Unde und N.Mnusso aus Norwegen die Heizeffizienz traditioneller AC-Induktionsheizgeräte durch die Verwendung von supraleitenden Spulen. Eine supraleitende 10-kW-Wechselstrom-Induktionsheizvorrichtung wurde entwickelt.

Im Jahr 2003 schlugen sie die Idee vor, DC-Heizung zu verwenden, da supraleitende Spulen unter AC-Bedingungen einen nicht zu vernachlässigenden AC-Verlust haben. Da der theoretische Verlust des supraleitenden DC-Systems Null ist, kann die theoretische Effizienz dieser Methode bis zu 90 % betragen. Im Jahr 2005 wurde der Gelehrte m. Fabbri und Arjun Orandi und das Team für die Temperaturverteilung der Aluminiumblockerwärmung im statischen Gleichstrom-Magnetfeld führten die Simulationsrechnung 2007 durch. abbrihe und arjun orandi und wurden für die Magnetfeldverteilung in Induktionsheizgeräten, Sattelspulen-Magnetstruktur, 2009 vorgeschlagen, um die Korrektheit des Simulationsmodells zu überprüfen, entwickelten sie ein Modell der Gleichstromheizung. Das Modell VERWENDET 6 XGS26-Samarium-Kobalt-Permanentmagnete, um ein magnetisches Gleichfeld zu erzeugen, was die Rationalität des Simulationsmodells bestätigt.

Im Jahr 2008 entwickelten Nikanorov von der Elektrotechnischen Universität St. Petersburg in Russland und Zlobina von der Leibnitz-Universität in Hannover, Deutschland, usw. ein DREIDIMENSIONALES Modell für Aluminiumbarren und supraleitende Spulen unter Verwendung der Finite-Elemente-Modellierungsmethode und analysierten den Einfluss verschiedener Parameter zur Oberflächentemperaturverteilung von Aluminiumblöcken nach dem Erhitzen.

2008 haben Thierry Lubin und Denis Detter et al. in Frankreich schlug die Methode vor, Aluminiumbarren durch Anlegen eines rotierenden Magnetfelds zu erhitzen. Obwohl dieses Verfahren eine hohe Leistungseffizienz erzielen kann, ist es aufgrund der hohen Anforderungen an die Herstellungstechnologie schwierig, eine rotierende supraleitende Elektrode herzustellen.

2008 wurde Italiens m. abbri und a. Morandi, auf der Grundlage der bestehenden Forschung zur industriellen Erwärmung, sollte die gleichmäßige Temperatur der Aluminiumverarbeitungsanforderungen sein, wobei das Simulationsmodell des Induktionserwärmungsprozesses berechnet und das Spulendesign optimiert wurde, die 3-D-Spulenstruktur, die Strukturoptimierung von Die Magnetfeldverteilung am Ende des Aluminiumbarrens kann den Einfluss des Endeffekts verringern und die Gleichmäßigkeit der Induktionsheizung bei hohen Temperaturen verbessern.

Im Jahr 2008 hat das deutsche Unternehmen Zenergy Power das weltweit erste supraleitende Hochtemperatur-Induktionsheizgerät entwickelt und im Aluminiumwerk Vislalu in Betrieb genommen, was ein wichtiger Schritt für die supraleitende DC-Induktionsheiztechnologie vom Labor bis zur Marktreife ist. Die Ausrüstung besteht aus vier Hauptteilen: Supraleitender Hochtemperaturmagnet, Kühlsystem, Heizung und Isolierung sowie das Antriebssystem. Die für den normalen Betrieb des supraleitenden Magneten erforderliche kryogene Umgebung wird hauptsächlich durch das oben auf dem supraleitenden Magneten montierte Kühlsystem bereitgestellt.

Im Jahr 2014 stellte Jong-Ho Choi von der Changwon University in Südkorea ein 10-kW-Hochtemperatur-Supraleiter-DC-Induktionsheizgerät her, bei dem der supraleitende Magnet mit YBCO-Hochtemperatur-Supraleiterstreifen gewickelt war. Das Prototyp-Magnetdesign des Versuchsgeräts ist eine c-Typ-Einzelluftspalt-Eisenkern-Geometriestruktur, eine nicht isolierte supraleitende Landebahn-Spule. Dieser Heizprototyp wurde verwendet, um den Aluminiumblock mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Länge von 30 cm zu testen, und die Heizeffizienz betrug jeweils 87.5 %.

Im Jahr 2015 begannen Jong-Ho Choi et al. von der Changwon University in Südkorea auf der Grundlage des vorherigen 10-kW-Hochtemperatur-Supraleiter-DC-Induktionsheizgeräts mit der Machbarkeitsanalyse des 300-kW-Hochtemperatur-Supraleiter-DC-Induktionsheizgeräts. Der Prototyp des HOCHTEMPERATUR-supraleitenden DC-Induktionsheizgeräts unterstützt die Erwärmung von Aluminiumbarren mit einer Länge von 70 cm und einem Durchmesser von 23.6 mm. SuNam YBCO-Streifen wird mit einer Breite von 12 mm und einer Dicke von 0.15 mm ausgewählt. Der Magnet ist mit einer Doppelkuchen-Racetrack-Spule mit Eisenkern aufgebaut. Die Länge und der Durchmesser des Magneten betragen 62.5 cm und 22 cm, die Anzahl der Spulen beträgt 300 Windungen und die Gesamtlänge des Streifens beträgt 3 407 m. Wenn die Induktivität des Magneten mit einem Erregerstrom von 440 A 1.73 H beträgt, beträgt die zentrale Magnetfeldstärke des Aluminiumbarrens 1.1 t.

In China gibt es einige Arten von Forschung zur supraleitenden DC-Induktionsheizung. In Deutschland im Jahr 2008 entwickelte sich zu einem globalen, 1 DC supraleitenden Induktionsheizgerät wurde im Inland einige einleitende berichtet, dass die Beijing, Supraconductor Technology Co., LTD. Kleiner Prototyp vervollständigte die Supraleiterheiztechnologie von Vorversuchen des kleinen Prototyps der Aluminiumbarrengröße beträgt 30 mm * 80 mm, und das Experiment der Aluminiumbarrentemperatur ist die radiale Oberfläche zum Ursprungsstempel des Aluminiumbarrens und zum Einfügen der elektrischen Kupplung vom Typ K , und dann mit einem Multimeter gemessen, elektrischer versehentlich Kontakt mit der Innenfläche des Aluminium-Barren-Lochs. Dieses Experiment bestätigt, dass das Prinzip der Induktionserwärmungstechnologie vollständig gültig ist, aber es kann den Effekt der Effizienzverbesserung nicht demonstrieren. Unterdessen müssen auch die mechanischen Getriebe- und Motorkomponenten des kleinen Prototyps optimiert werden. In den letzten Jahren haben Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd. und Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd. eine technische Zusammenarbeit bei der Erforschung der MW-Hochtemperatur-Supraleitungs-Induktionsheiztechnologie und der Entwicklung von Heizgeräten durchgeführt.

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