I. Contexte de l'application de la technologie industrielle
Dans le domaine des transports, la légèreté est d'une grande importance pour les économies d'énergie, la réduction de la consommation et l'amélioration de la capacité de transport. Selon les recherches, l'utilisation de matériaux en alliage d'aluminium peut réduire la qualité de l'équipement de plus de 60 %. Avec l'augmentation de la résistance mécanique des composants de profilés en aluminium, en particulier les matériaux en alliage d'aluminium peuvent améliorer efficacement la résistance à la corrosion et la rigidité en torsion statique des composants, et faciliter le recyclage après la ferraille et d'autres valeurs importantes, l'application des matériaux en alliage d'aluminium se développe. Dans l'industrie de la fabrication d'équipements haut de gamme dans le plan de développement national "13e quinquennal", les produits industriels en aluminium de haute qualité deviennent les principaux matériaux de base pour atteindre l'objectif de mise à niveau technologique et de localisation d'équipements industriels avancés tels que les gros avions, automobiles, trains de transport ferroviaire, aérospatiale, industrie militaire et navires.
Mais dans le domaine des applications haut de gamme telles que l'automobile, l'aérospatiale, l'industrie militaire, la structure géométrique de l'aluminium pour utiliser les propriétés mécaniques et les exigences de qualité de surface sont également de plus en plus élevées, à l'heure actuelle, la plupart des entreprises d'aluminium adoptent le chauffage par induction et le gaz. chauffage, sa capacité de traitement limitée de précision, en plus de la précision insuffisante de la filière d'extrusion, est en grande partie un ancien chauffage de lingots d'aluminium dans le processus de chauffage de l'extrusion de profilés en aluminium à l'uniformité de la distribution du gradient axial et ne peut pas répondre aux exigences. À l'heure actuelle, de nombreux profilés en aluminium haut de gamme en Chine dépendent encore des importations. La technologie de chauffage par induction DC supraconductrice est d'une grande aide pour améliorer les propriétés mécaniques et la finition de surface des produits profilés extrudés. Il s'agit d'une voie technologique efficace permettant aux entreprises de mettre à niveau leurs produits.
De plus, du point de vue de l'économie d'énergie et de la réduction de la consommation, la technologie de chauffage par induction à courant continu supraconducteur à haute température est d'une grande importance. Selon la récente enquête de terrain de l'auteur sur les entreprises d'aluminium, la consommation d'énergie annuelle de l'entreprise dépasse 600 millions de yuans et le processus de chauffage représente plus de 60 % de la consommation d'énergie de l'ensemble de l'usine. SI le four de chauffage de 1 MW adopte la technologie d'induction CC supraconductrice, il peut économiser de l'électricité jusqu'à 2 millions de kWh par an, réduire directement les coûts d'électricité de 1 million de yuans et en même temps économiser 0.8 million de tonnes de charbon standard, réduire le dioxyde de carbone émissions de 20,000 300 T et réduire les émissions d'oxyde d'azote de XNUMX T. La capacité de production d'aluminium de la Chine représente la moitié du total mondial, le four de chauffage de l'usine d'aluminium du pays plus de dix mille, si l'utilisation de la technologie d'induction CC supraconductrice pour la transformation d'économie d'énergie, son espace d'économie d'énergie est très grand. Dans l'énorme environnement de l'industrie de traitement des profilés en aluminium en Chine, la technologie de chauffage par induction DC supraconductrice à haute température avec les avantages de la conservation de l'énergie et de la réduction des émissions et du chauffage de haute précision a une très grande valeur d'application. Si la nouvelle technologie d'induction DC supraconductrice est utilisée pour la rénovation économe en énergie, l'espace pour l'économie d'énergie et la réduction de la consommation est très grand.
Technologie de chauffage par induction supraconductrice et supraconductrice à haute température
Dès la fin du 19ème siècle et le début du 20ème siècle, en refroidissant le mercure avec de l'hélium liquide, on découvrit par hasard que lorsque la température descendait à -268.95℃ (4.2K), la résistance du mercure disparaissait complètement, ce qui était également connue sous le nom de supraconductivité. Après cela, des scientifiques de divers pays ont mené des recherches sur la technologie et l'application de la supraconductivité.
Matériaux supraconducteurs, à l'heure actuelle, il existe des matériaux supraconducteurs à basse température et des matériaux supraconducteurs à haute température. La supraconductivité cryogénique fait référence aux propriétés de la supraconductivité dans un environnement d'hélium liquide de -269℃ (4K). Cependant, la supraconductivité à haute température n'est que la température ultra-basse et la température beaucoup plus élevée requises par la supraconductivité à basse température, qui température de -194℃ (20 ~ 77K).
En 1999, Sumitomo Chemical Corporation du Japon a développé une bande de bismuth (Bi) 2223 autour d'un aimant refroidi par conduction et a vérifié l'excitation rapide et le fonctionnement à long terme de l'aimant dans la région de température de 20K. En 2001, le centre de recherche et développement japonais SMES a vérifié la faisabilité d'un aimant annulaire supraconducteur à haute température de 15 kWh avec refroidissement par conduction, champ externe de 10 T et énergie stockée de 72 MJ, et l'expérience a obtenu des résultats satisfaisants.
Le système de séparation magnétique supraconducteur à haute température refroidi par conduction développé par le laboratoire national de Los Alamos en 1997 génère un champ magnétique de 1.6 T à 100 A. En 2005, l'expérience d'application d'un aimant HTS dans un gyroscope vibrant 95 G HZ a été réalisée dans aux États-Unis et des résultats satisfaisants ont été obtenus.
En 2005, l'Institut de génie électrique de l'Académie chinoise des sciences a achevé la production d'un aimant supraconducteur à haute température à filetage unique avec un diamètre intérieur de 120 mm, un diamètre extérieur de 211.2 m et une hauteur de 202.8 m. L'aimant est en (Bi) 2223, qui est refroidi par conduction. Lorsque la température ambiante est de 20 K, l'intensité du champ central est de 3.2 t. Le courant critique de l'aimant est de 49.8 A sous un champ propre de 77 K.
Dans la technologie supraconductrice à haute température a connu un grand développement ces dernières années, la deuxième génération de la bande supraconductrice a obtenu la production commerciale, mais la technologie supraconductrice à haute température et l'application des progrès pratiques n'est pas bientôt, le principal marché mondial est encore une basse température supraconducteur, en particulier pour l'imagerie par résonance magnétique supraconductrice (IRM), selon les données de l'enquête européenne Conectus, les marchés supraconducteurs dans le monde en 2012, le supraconducteur à basse température occupent la part de 5.2 milliards d'euros, l'IRM qui occupe une part de marché de 4.1 milliards d'euros , et la taille du marché supraconducteur à haute température pour 3 0 millions d'euros.
Bien que le marché actuel des supraconducteurs soit toujours le courant dominant absolu, avec le développement continu de la technologie HTS, ainsi que le développement progressif de la nouvelle activité HTS, la technologie HTS devient le centre de recherche de la supraconductivité. À long terme, sa part de marché augmentera considérablement, de sorte que la recherche sur la technologie d'application HTS est d'une grande importance pour l'expansion du marché HTS. Dans ce contexte de développement, il est très important de mener des recherches sur la technologie supraconductrice de chauffage par induction CC et de promouvoir son application pratique. Maintenant est généralement utilisé comme YBCO (YBCO), et d'autres champs magnétiques de fond d'aimant supraconducteur à enroulement de bande supraconductrice à haute température dans le noyau, entraînés par le système de transmission mécanique, tels que les lingots d'aluminium et d'autres artefacts métalliques dans la rotation du champ magnétique, lignes de coupe de pièces à former un vortex et produire de la chaleur joule, réaliser le traitement thermique de la pièce.
III. Perspective d'application de la technologie de chauffage par induction supraconductrice à haute température
1. Introduction au traitement thermique des profilés en aluminium
Le préchauffage des lingots d'aluminium est un processus clé dans la production de profilés en aluminium avant le processus d'extrusion du traitement des profilés en aluminium. Les méthodes de chauffage courantes des lingots d'aluminium comprennent le chauffage par induction électromagnétique, le chauffage par four à résistance, le chauffage au gaz naturel, etc.
La méthode de chauffage au gaz naturel est largement utilisée dans la fabrication civile de profilés en aluminium, particulièrement adaptée aux lignes de production d'extrudeuses de petite et moyenne taille inférieures à 30MN. L'inconvénient de la méthode de chauffage au gaz naturel est qu'il est difficile de contrôler le gradient de température et que l'uniformité de la température de l'extrusion d'aluminium ne peut pas être contrôlée. Le chauffage par induction électromagnétique est principalement utilisé dans la chaîne de production d'extrusion avec plus de 36 MN, des profilés industriels de haute qualité, des matériaux aérospatiaux et militaires et des matériaux de structure. Le chauffage par induction DC supraconducteur est une nouvelle technologie de chauffage par induction développée pour l'extrusion d'aluminium ces dernières années.
La méthode de chauffage par induction traditionnelle UTILISE un champ magnétique alternatif pour générer des courants de Foucault dans l'ébauche statique afin de réaliser le chauffage de l'ébauche. Cependant, lorsque l'aluminium, le cuivre et d'autres métaux ne sont pas des matériaux ferromagnétiques, l'efficacité de chauffage est inférieure à 50 % lorsque le chauffage par induction AC traditionnel est adopté. La technologie de chauffage par induction DC supraconductrice est que la rotation des lingots d'aluminium génère un mouvement relatif par rapport au champ magnétique statique, et les lignes d'induction magnétique de coupe forment des courants de Foucault et génèrent de la chaleur Joule, de manière à réaliser le chauffage des lingots d'aluminium. L'efficacité de chauffage est améliorée à 80 % ~ 85 %, ce qui lui confère un avantage concurrentiel évident.
2. Avantages de la technologie de chauffage par induction HTS
La technologie de chauffage par induction supraconductrice tire parti de la caractéristique de résistance nulle des matériaux supraconducteurs à basse température critique pour établir un champ magnétique continu d'environ 0.5 ~ 1T. Dans le champ magnétique CC, le lingot d'aluminium est entraîné par un moteur pour tourner, couper les lignes de champ magnétique, générer un courant induit et chauffer le lingot d'aluminium. Le principe de base du chauffage est le même que celui du chauffage par induction traditionnel, qui est la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, l'effet des courants de Foucault et la loi de Joule. Comparaison du principe de fonctionnement entre le chauffage par induction traditionnel et le chauffage par induction supraconductrice ; comparaison de la technologie de chauffage par induction CC supraconductrice avec la technologie de chauffage par induction CA traditionnelle et la technologie de chauffage au gaz. Comparé au chauffage par induction AC conventionnel, le chauffage par induction HTS présente quatre avantages.
(1) Haute efficacité et économie d'énergie
Dans la technologie de chauffage par induction cc supraconductrice, la création d'une perte de puissance cc cible de 0.5 T dans la bobine supraconductrice du champ magnétique peut être ignorée, l'efficacité de l'ensemble du système dépend principalement de la rotation de la broche d'entraînement du moteur et de la technologie mature de Le moteur peut facilement atteindre une efficacité supérieure à 90%, par rapport à l'efficacité de chauffage par induction traditionnelle d'environ 50%, l'effet d'économie d'énergie est très évident.
(2) Haute qualité de chauffage
Le lingot est chauffé uniformément et le gradient de température axial est contrôlé avec précision. Le four de chauffage par induction à courant alternatif traditionnel adopte généralement le courant alternatif supérieur à la fréquence de puissance (50 Hz), en raison de l'effet de peau, le courant de Foucault généré est principalement réparti sur la surface du lingot et l'uniformité de l'effet de chauffage d'amplitude du le lingot n'est pas bon. Le chauffage par induction DC supraconducteur peut atteindre une température d'amplitude plus uniforme en ajustant la vitesse de la broche, en augmentant la force du champ magnétique et en augmentant la profondeur de pénétration de l'effet de courant de Foucault. À l'heure actuelle, la vitesse de la broche est contrôlée à 240 ~ 720 tr/min (équivalent à 4 ~ 12 Hz). Comparé au four de chauffage traditionnel, il peut obtenir une distribution de température axiale plus profonde et plus uniforme.
(3) Peut chauffer une variété de matériaux métalliques non ferreux
Le chauffage par induction AC traditionnel est principalement utilisé pour chauffer l'aluminium et le cuivre en raison de sa faible qualité de chauffage et de son chauffage inégal. Le chauffage par induction CC supraconducteur à haute température est plus uniforme en raison de la qualité de chauffage améliorée et convient également au chauffage de l'alliage de magnésium, de l'alliage de titane, de l'alliage de fer nickel-chrome et d'autres alliages spéciaux. Des chercheurs étrangers ont même tourné leur attention vers le chauffage par induction DC supraconducteur à haute température vers la fusion par extrusion de préchauffage de métaux non ferreux et d'autres domaines.
(4) Installation et maintenance simples et pratiques
Pendant le fonctionnement de l'enroulement d'excitation de bobine supraconductrice dans le dispositif de chauffage par induction à courant continu supraconducteur, l'aimant supraconducteur est statique, ne tourne pas, ne vibre pas et ne présente pas d'abrasion. Le système de refroidissement à aimant supraconducteur adopte la machine frigorifique pour effectuer le refroidissement, qui est de structure simple, facile à utiliser et peut fonctionner pendant une longue période sans transport de liquide à basse température ni opération supplémentaire. De plus, lors du fonctionnement, la résistance de l'aimant supraconducteur est très faible, même 0, de sorte que l'exigence d'isolation de la bobine supraconductrice est réduite. De plus, par rapport au chauffage par induction CA classique, le dispositif de chauffage par induction supraconducteur ne nécessite pas d'alimentation électrique à conversion de fréquence CA haute puissance et ne nécessite pas la conception d'un dispositif de compensation réactive.
Recherche sur la technologie d'induction CC supraconductrice à haute température au pays et à l'étranger et développement d'un appareil de chauffage (équipement)
Au début du 21e siècle, la norvège, l'allemagne, l'italie, la russie et d'autres pays d'écoles et d'instituts de recherche scientifique pour la recherche sur la technologie de chauffage par induction supraconductrice, sont devenus le chauffage par induction ca et le chauffage électrique ces dernières années le courant dominant de la recherche universitaire internationale, tels comme l'université norvégienne des sciences et de la technologie et l'institut norvégien de recherche sur l'énergie SINTEF, Hanovre, Allemagne, l'université italienne Leibniz l'université de La Havane, l'université de bologne, Rome, st. Saint-Pétersbourg, l'université électrique nationale de Russie, etc., les travaux de recherche scientifique pour les établissements d'enseignement supérieur italiens et le ministère de la Science et de la Technologie pour le financement.
En 2002, M.Unde et N.Mnusso de Norvège ont amélioré l'efficacité de chauffage des appareils de chauffage par induction CA traditionnels en utilisant des bobines supraconductrices. Un dispositif de chauffage par induction supraconducteur de 10kW AC a été développé.
En 2003, ils ont proposé l'idée d'utiliser le chauffage CC en raison de la perte CA non négligeable des bobines supraconductrices dans des conditions CA. Étant donné que la perte théorique du système supraconducteur à courant continu est nulle, l'efficacité théorique de cette méthode peut atteindre 90%. En 2005, l'université de Bologne en Italie savant m. Fabbri et Arjun orandi et l'équipe de distribution de la température de chauffage des lingots d'aluminium dans le champ magnétique statique continu ont effectué le calcul de simulation en 2007 m. abbrihe et arjun orandi et ont été mis en avant pour la distribution du champ magnétique dans les appareils de chauffage par induction, la structure de l'aimant à bobine de selle, 2009, afin de vérifier l'exactitude du modèle de simulation, ils ont développé un modèle de chauffage en courant continu. Le modèle UTILISE 6 aimants permanents samarium-cobalt XGS26 pour générer un champ magnétique continu, ce qui vérifie la rationalité du modèle de simulation.
En 2008, Nikanorov de l'Université électrotechnique de Saint-Pétersbourg en Russie et Zlobina de l'Université Leibnitz de Hanovre, en Allemagne, etc. ont développé un modèle TROIS DIMENSIONNEL pour les lingots d'aluminium et les bobines supraconductrices en utilisant la méthode de modélisation par éléments finis, et ont analysé l'influence de différents paramètres sur la répartition de la température de surface des lingots d'aluminium après chauffage.
En 2008, Thierry Lubin et Denis Detter et al. en France a proposé la méthode de chauffage des lingots d'aluminium en appliquant un champ magnétique tournant. Bien que ce procédé puisse atteindre un rendement énergétique élevé, il est difficile de fabriquer une électrode supraconductrice rotative en raison des exigences élevées en matière de technologie de fabrication.
En 2008, l'italien m. abbri et a. Morandi, sur la base des recherches existantes sur le chauffage industriel, devrait être la température uniforme des exigences de traitement de l'aluminium, en utilisant le modèle de simulation du processus de chauffage par induction a été calculé, et la conception de la bobine est optimisée, la structure de la bobine 3 d, l'optimisation de la structure de la distribution du champ magnétique de l'extrémité du lingot d'aluminium peut réduire l'influence de l'effet final, une meilleure uniformité à haute température du chauffage par induction.
En 2008, la société allemande Zenergy Power a développé le premier équipement de chauffage par induction supraconducteur à haute température au monde et l'a mis en service dans l'usine d'aluminium de Vislalu, ce qui constitue une étape importante pour la technologie de chauffage par induction à courant continu supraconducteur du laboratoire au marché. L'équipement se compose de quatre parties principales : aimant supraconducteur à haute température, système de réfrigération, chauffage et isolation, et système d'entraînement. L'environnement cryogénique nécessaire au fonctionnement normal de l'aimant supraconducteur est principalement fourni par le système de réfrigération monté sur le dessus de l'aimant supraconducteur.
En 2014, Jong-Ho Choi de l'Université de Changwon en Corée du Sud a fabriqué un dispositif de chauffage par induction CC supraconducteur à haute température de 10 kW, dans lequel l'aimant supraconducteur était enroulé par une bande supraconductrice à haute température YBCO. La conception de l'aimant prototype du dispositif expérimental est une structure géométrique à noyau de fer à entrefer unique de type c, bobine de type piste supraconductrice non isolée. Ce prototype de chauffage a été utilisé pour tester le lingot d'aluminium d'un diamètre de 8 cm et d'une longueur de 30 cm, et l'efficacité de chauffage était de 87.5 % respectivement.
En 2015, sur la base du précédent dispositif de chauffage par induction CC supraconducteur à haute température de 10 kW, Jong-Ho Choi et al de l'Université de Changwon en Corée du Sud ont commencé l'analyse de faisabilité du dispositif de chauffage par induction CC supraconducteur à haute température de 300 kW. Le prototype du dispositif de chauffage par induction CC supraconducteur à HAUTE TEMPÉRATURE prend en charge le chauffage de lingots d'aluminium d'une longueur de 70 cm et d'un diamètre de 23.6 mm. La bande SuNam YBCO est sélectionnée avec une largeur de 12 mm et une épaisseur de 0.15 mm. L'aimant est conçu avec une bobine de piste à double gâteau avec un noyau de fer. La longueur et le diamètre de l'aimant sont de 62.5 cm et 22 cm, le nombre de bobines est de 300 tours et la longueur totale de la bande est de 3 407 m. Lorsque l'inductance de l'aimant avec un courant d'excitation de 440 A est de 1.73 H, l'intensité du champ magnétique central du lingot d'aluminium est de 1.1 t.
Il existe quelques types de recherche sur le chauffage par induction CC supraconducteur en Chine. En Allemagne, en 2008, développé en un supraconducteur global 1 dc après dispositif de chauffage par induction a été dans le domestique une introduction a rapporté que le Beijing, supraconducting technology co., LTD. Un petit prototype a complété la technologie de chauffage supraconducteur des essais préliminaires du prototype à petite échelle de la taille du lingot d'aluminium est de 30 mm * 80 mm, et l'expérience de la température du lingot d'aluminium est la surface radiale du poinçon d'origine des lingots d'aluminium et insère le couplage électrique de type K , puis mesuré avec un multimètre, contact électrique accidentel avec la surface intérieure du trou des lingots d'aluminium. Cette expérience vérifie que le principe de la technologie de chauffage par induction est tout à fait valide, mais elle ne peut pas démontrer l'effet d'amélioration de l'efficacité. Parallèlement, la transmission mécanique et les composants du moteur du petit prototype doivent également être optimisés. Ces dernières années, Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd. et Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd. ont mené une coopération technique dans la recherche de la technologie de chauffage par induction supraconductrice à haute température MW et le développement d'équipements de chauffage.