I. 산업기술 적용 배경
운송 분야에서 경량화는 에너지 절약, 소비 감소 및 운송 능력 향상에 매우 중요합니다. 연구에 따르면 알루미늄 합금 재료를 사용하면 장비 품질을 60% 이상 낮출 수 있습니다. 알루미늄 프로파일 구성 요소, 특히 알루미늄 합금 재료의 기계적 강도가 증가함에 따라 구성 요소의 내식성 및 정적 비틀림 강성을 효과적으로 개선하고 스크랩 및 기타 중요한 값 후 재활용을 용이하게 할 수 있으므로 알루미늄 합금 재료의 적용이 확대되고 있습니다. 국가 "13차 XNUMX개년" 발전 계획의 고급 장비 제조 산업에서 고품질 산업용 알루미늄 제품은 대형 항공기, 자동차, 철도 운송 열차, 항공 우주, 군사 산업 및 선박.
그러나 자동차, 항공 우주, 군사 산업과 같은 고급 응용 분야에서 기계적 특성과 표면 품질 요구 사항을 사용하는 알루미늄의 기하학적 구조도 점점 더 높아지고 있으며 현재 대부분의 알루미늄 기업은 교류 유도 가열 및 가스를 채택하고 있습니다. 가열, 그것의 정밀도 제한 처리 능력, 압출 다이의 부적절한 정밀도 외에도 축 구배 분포 균일성에 대한 알루미늄 프로파일 압출의 가열 공정에서 대부분 이전 알루미늄 잉곳 가열이며 요구 사항을 충족시킬 수 없습니다. 현재 중국의 많은 고급 알루미늄 프로파일은 여전히 수입에 의존하고 있습니다. 초전도 DC 유도 가열 기술은 압출 프로파일 제품의 기계적 특성과 표면 마감을 개선하는 데 큰 도움이 됩니다. 기업이 제품을 업그레이드할 수 있는 효과적인 기술 경로입니다.
또한 에너지 절약 및 소비 절감 측면에서 고온 초전도 DC 유도 가열 기술은 매우 중요합니다. 저자의 최근 알루미늄 기업 현장 조사에 따르면 기업의 연간 에너지 소비량은 600억 위안을 초과하고 가열 공정은 전체 공장 에너지 소비량의 60% 이상을 차지합니다. 1M W의 가열로가 초전도 DC 유도 기술을 채택하면 연간 최대 2만kWh의 전기를 절약할 수 있으며 전기 비용을 1만 위안으로 직접 절감할 수 있으며 동시에 0.8만 T 표준 석탄을 절약하고 이산화탄소를 줄일 수 있습니다. 배출량은 20,000T, 질소산화물 배출량은 300T 감소합니다. 중국의 알루미늄 생산 능력은 세계 총 생산량의 절반을 차지하며 국내 알루미늄 공장 가열로는 만 개 이상이며 에너지 절약 변환을 위해 초전도 DC 유도 기술을 사용하면 에너지 절약 공간이 매우 큽니다. 중국의 거대한 알루미늄 프로파일 가공 산업 환경에서 에너지 절약 및 배출 감소 및 고정밀 가열의 장점을 가진 고온 초전도 DC 유도 가열 기술은 매우 큰 응용 가치를 가지고 있습니다. 에너지 절약 혁신을 위해 새로운 초전도 직류 유도 기술을 사용하면 에너지 절약 및 소비 절감을 위한 공간이 매우 큽니다.
초전도 및 고온 초전도 유도 가열 기술
일찍이 19세기 말과 20세기 초에 액체 헬륨으로 수은을 냉각시켜 온도가 -268.95℃(4.2K)로 떨어지면 수은의 저항이 완전히 사라진다는 것을 우연히 발견했습니다. 초전도성이라고도 한다. 그 후 여러 나라의 과학자들이 초전도 기술과 응용에 대한 연구를 수행했습니다.
초전도 물질에는 현재 저온 초전도 물질과 고온 초전도 물질이 있습니다. 극저온 초전도는 -269℃(4K) 액체 헬륨 환경에서의 초전도 성질을 말합니다. 그러나 고온 초전도는 저온 초전도가 요구하는 초저온이자 훨씬 더 높은 온도일 뿐입니다. -194℃ (20 ~ 77K)의 온도.
1999년 일본의 Sumitomo Chemical Corporation은 전도성 냉각 자석 주위에 비스무트(Bi) 2223 스트립을 개발하고 20K 온도 영역에서 자석의 빠른 여기와 장기간 작동을 확인했습니다. 2001년 일본 중소기업청 연구개발센터는 전도냉각, 외부장 15T, 저장에너지 10MJ를 갖춘 72kWh 고온 초전도 링자석의 타당성을 검증한 결과 만족스러운 결과를 얻었다.
1997년 Los Alamos 국립 연구소에서 개발한 전도성 냉각 고온 초전도 고구배 자기 분리 시스템은 1.6A에서 100T의 자기장을 생성합니다. 2005년에는 95G HZ 진동 자이로스코프에 HTS 자석을 적용하는 실험이 미국에서 만족스러운 결과를 얻었습니다.
2005년 중국과학원 전기공학연구소는 내경 120mm, 외경 211.2m, 높이 202.8m의 단일나사 고온 초전도 자석 생산을 완료했다. 자석은 전도에 의해 냉각되는 (Bi) 2223으로 만들어집니다. 주위 온도가 20K일 때 중심장 강도는 3.2t입니다. 자석의 임계 전류는 49.8K 자체 필드에서 77A입니다.
고온 초전도 기술은 최근 몇 년 동안 크게 발전했으며 2012 세대 초전도 스트립은 상업 생산을 얻었지만 고온 초전도 기술과 실제 적용은 곧 진행되지 않고 주요 세계 시장은 여전히 저온입니다 초전도, 특히 초전도 자기공명영상(MRI)의 경우 European Conectus 조사 데이터에 따르면 5.2년 전 세계 초전도 시장은 저온 초전도가 4.1억 유로의 점유율을 차지하고 MRI가 3억 유로의 시장 점유율을 차지합니다 , 0천만 유로의 고온 초전도 시장 규모.
현재의 초전도체 시장은 여전히 절대적인 주류이지만 HTS 기술의 지속적인 발전과 새로운 HTS 사업의 점진적인 발전으로 HTS 기술은 초전도의 연구 초점이 되고 있습니다. 장기적으로 시장 점유율이 크게 증가할 것이기 때문에 HTS 응용 기술에 대한 연구는 HTS 시장을 확장하는 데 큰 의미가 있습니다. 이러한 발전 배경에서 초전도 직류 유도 가열 기술에 대한 연구를 수행하고 실용화를 촉진하는 것은 매우 의의가 있습니다. 이제 일반적으로 YBCO (YBCO) 및 기타 고온 초전도 스트립 권선 초전도 자석 배경 자기장으로 코어에서 알루미늄 잉곳 및 자기장 회전의 기타 금속 인공물과 같은 기계적 전송 시스템에 의해 구동되며 공작물 절단 라인에 소용돌이를 형성하고 줄 열을 생성하고 공작물 열처리를 실현하십시오.
iii. 고온 초전도 유도 가열 기술의 응용 전망
1. 알루미늄 프로파일의 열처리 소개
알루미늄 잉곳을 예열하는 것은 알루미늄 프로파일 가공의 압출 공정 전에 알루미늄 프로파일 생산의 핵심 공정입니다. 알루미늄 잉곳의 일반적인 가열 방법에는 전자기 유도 가열, 저항로 가열, 천연 가스 가열 등이 있습니다.
천연 가스 가열 방법은 민간 알루미늄 프로파일 제조에 널리 사용되며 특히 30MN 미만의 중소 규모 압출기 생산 라인에 적합합니다. 천연가스 가열 방식의 단점은 온도 구배 조절이 어렵고 알루미늄 압출물의 온도 균일도를 조절할 수 없다는 점이다. 전자기 유도 가열은 주로 36MN 이상의 압출 생산 라인, 고품질 산업 프로파일, 항공 우주 및 군용 재료, 구조 재료에 사용됩니다. 초전도 DC 유도 가열은 최근 몇 년 동안 알루미늄 압출을 위해 개발된 새로운 유도 가열 기술입니다.
전통적인 유도 가열 방법은 교류 자기장을 사용하여 정적 블랭크에서 와전류를 생성하여 블랭크의 가열을 실현합니다. 그러나 알루미늄, 구리 및 기타 금속이 강자성 재료가 아닌 경우 기존 AC 유도 가열을 채택할 때 가열 효율은 50% 미만입니다. 초전도 DC 유도 가열 기술은 알루미늄 잉곳의 회전이 정적 자기장에 대한 상대 운동을 생성하고 절단 자기 유도선이 와전류를 형성하고 줄 열을 발생시켜 알루미늄 잉곳의 가열을 실현하는 것입니다. 난방 효율이 80% ~ 85%로 향상되어 확실한 경쟁 우위를 제공합니다.
2. HTS 유도 가열 기술의 장점
초전도 유도 가열 기술은 임계 저온에서 초전도 물질의 제로 저항 특성을 이용하여 약 0.5 ~ 1T의 DC 자기장을 설정합니다. DC 자기장에서 알루미늄 잉곳은 모터에 의해 구동되어 자기장 라인을 절단하고 유도 전류를 생성하고 알루미늄 잉곳을 가열합니다. 가열의 기본 원리는 패러데이의 전자기 유도 법칙, 와전류 효과 및 줄의 법칙인 기존의 유도 가열과 동일합니다. 전통적인 유도 가열과 초전도 유도 가열의 작동 원리 비교; 초전도 DC 유도 가열 기술과 기존 AC 유도 가열 기술 및 가스 가열 기술의 비교. 기존의 AC 유도 가열과 비교하여 HTS 유도 가열은 XNUMX가지 장점이 있습니다.
(1) 고효율 및 에너지 절약
초전도 dc 유도 가열 기술에서 자기장의 초전도 코일에서 0.5T 목표 dc 전력 손실을 생성하는 것은 무시할 수 있으며 전체 시스템의 효율은 주로 모터의 구동 스핀들 회전 및 성숙한 기술에 달려 있습니다. 모터는 약 90%의 전통적인 유도 가열 효율과 비교하여 50% 이상의 효율을 쉽게 달성할 수 있으며 에너지 절약 효과가 매우 분명합니다.
(2) 높은 가열 품질
잉곳이 균일하게 가열되고 축방향 온도 구배가 정확하게 제어됩니다. 전통적인 AC 유도 가열로는 일반적으로 표피 효과로 인해 생성 된 와전류가 주로 잉곳 표면에 분포하고 진폭 가열 효과의 균일 성으로 인해 전원 주파수 (50Hz)보다 큰 교류 전류를 채택합니다. 잉곳이 좋지 않습니다. 초전도 DC 유도 가열은 스핀들 속도를 조정하고 자기장의 강도를 증가시키며 와전류 효과의 침투 깊이를 증가시켜 보다 균일한 진폭 온도를 달성할 수 있습니다. 현재 스핀들 속도는 240~720rpm(4~12Hz 상당)으로 제어하고 있다. 전통적인 가열로와 비교하여 더 깊고 균일 한 축 방향 온도 분포를 얻을 수 있습니다.
(3) 다양한 비철금속 재료를 가열할 수 있음
전통적인 AC 유도 가열은 가열 품질이 낮고 가열이 고르지 않기 때문에 주로 알루미늄 및 구리 가열에 사용됩니다. 고온 초전도 DC 유도 가열은 향상된 가열 품질로 인해보다 균일하며 마그네슘 합금, 티타늄 합금, 니켈 - 크롬 철 합금 및 기타 특수 합금의 가열에도 적합합니다. 외국 연구자들은 고온 초전도 DC 유도 가열을 비철금속 예열 압출 제련 및 기타 분야로 관심을 돌리기까지 했습니다.
(4) 간단하고 편리한 설치 및 유지 보수
초전도 직류 유도 가열 장치에서 초전도 코일 여자 권선이 작동하는 동안 초전도 자석은 정적이며 회전하지 않으며 진동하지 않으며 마모가 없습니다. 초전도 자석 냉각 시스템은 냉각을 수행하는 냉동기를 채택하여 구조가 간단하고 작동이 간편하며 저온 액체 운송 및 추가 작동 없이 장시간 작동할 수 있습니다. 또한 작업시 초전도 자석의 저항이 0으로 매우 작아서 초전도 코일의 절연 요구 사항이 줄어 듭니다. 또한, 초전도 유도 가열 장치는 기존의 교류 유도 가열 장치에 비해 고전력 교류 주파수 변환 전원이 필요하지 않고 무효 보상 장치의 설계가 필요하지 않습니다.
국내외 고온초전도 직류유도기술 연구 및 히터(장비) 개발
21세기 초, 노르웨이, 독일, 이탈리아, 러시아 및 기타 학교 및 과학 연구 기관의 초전도 유도 가열 기술 연구를 위한 다른 국가는 최근 몇 년 동안 교류 유도 가열 및 전기 가열이 국제 학술 연구의 주류가 되었습니다. 노르웨이 과학 기술 대학 및 노르웨이 SINTEF 에너지 연구소, 독일 하노버, 이탈리아 라이프니츠 대학 하바나 대학, 볼로냐 대학, 로마, st. 러시아 국립전기대학교 상트페테르부르크 등 이탈리아 고등교육기관과 과학기술부에서 과학 연구를 수행하고 있다.
2002년 노르웨이의 M.Unde와 N.Mnusso는 초전도 코일을 사용하여 기존 AC 유도 가열 장치의 가열 효율을 개선했습니다. 10kW AC 초전도 유도 가열 장치를 개발했습니다.
2003년에 그들은 AC 조건에서 초전도 코일의 무시할 수 없는 AC 손실 때문에 DC 가열을 사용하는 아이디어를 제안했습니다. 초전도 DC 시스템의 이론적 손실이 90이므로 이 방법의 이론적 효율성은 2005%까지 높을 수 있습니다. 2007년 이탈리아 볼로냐 대학 학자 m. Fabbri와 Arjun orandi와 dc 정적 자기장에서 알루미늄 잉곳 가열 온도 분포에 대한 팀은 2009년에 시뮬레이션 계산을 했습니다. abbrihe 및 arjun orandi는 유도 가열 장치의 자기장 분포, 안장 코일 자석 구조, 6년에 제시되어 시뮬레이션 모델의 정확성을 검증하기 위해 dc 가열 모델을 개발했습니다. 이 모델은 시뮬레이션 모델의 합리성을 검증하는 DC 자기장을 생성하기 위해 26개의 XGSXNUMX 사마륨 – 코발트 영구 자석을 사용합니다.
2008년 러시아 St. Petersburg Electrotechnical University의 Nikanorov와 독일 Hanover의 Leibnitz University의 Zlobina 등은 유한 요소 모델링 방법을 사용하여 알루미늄 잉곳 및 초전도 코일에 대한 XNUMX차원 모델을 개발하고 서로 다른 영향을 분석했습니다. 가열 후 알루미늄 잉곳의 표면 온도 분포에 대한 매개변수.
2008년 Thierry Lubin과 Denis Detter et al. 프랑스에서는 회전 자기장을 적용하여 알루미늄 잉곳을 가열하는 방법을 제안했습니다. 이 방법은 높은 전력 효율을 달성할 수 있지만 제조 기술의 높은 요구 사항으로 인해 회전식 초전도 전극을 만들기가 어렵습니다.
2008년 이탈리아의 m. 약어 및 에이. Morandi는 산업용 가열에 대한 기존 연구를 기반으로 알루미늄 처리 요구 사항의 균일한 온도여야 하며 유도 가열 프로세스의 시뮬레이션 모델을 사용하여 계산되었으며 코일 설계가 최적화되었으며 3d 코일 구조, 구조 최적화 알루미늄 잉곳 끝 자기장 분포는 유도 가열의 최종 효과, 더 나은 고온 균일성의 영향을 줄일 수 있습니다.
2008년 독일의 Zenergy Power는 세계 최초의 고온 초전도 유도 가열 장비를 개발하여 Vislalu 알루미늄 공장에서 가동했습니다. 이는 실험실에서 시장으로 초전도 DC 유도 가열 기술을 위한 중요한 단계입니다. 이 장비는 고온 초전도 자석, 냉동 시스템, 난방 및 절연, 구동 시스템의 네 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 초전도 자석의 정상 동작에 필요한 극저온 환경은 주로 초전도 자석의 상부에 장착된 냉동 시스템에 의해 제공된다.
2014년 한국 창원대학교의 최종호 교수는 10kW 고온 초전도 DC 유도 가열 장치를 제조했는데, 여기서 초전도 자석은 YBCO 고온 초전도 스트립에 의해 감겨졌습니다. 실험 장치의 원형 자석 설계는 C형 단일 공극 철심 기하학적 구조, 비절연 초전도 활주로 유형 코일입니다. 이 가열 프로토타입을 사용하여 직경 8cm, 길이 30Cm의 알루미늄 잉곳을 테스트했으며 가열 효율은 각각 87.5%였습니다.
2015년 한국 창원대학교 최종호 등은 기존의 10kW 고온 초전도 직류 유도 가열 장치를 기반으로 300kW 고온 초전도 직류 유도 가열 장치의 타당성 분석을 시작했다. HIGH-TEMPERATURE 초전도 DC 유도 가열 장치의 프로토타입은 길이 70cm, 직경 23.6mm의 알루미늄 잉곳 가열을 지원합니다. SuNam YBCO 스트립은 너비 12mm, 두께 0.15mm로 선택됩니다. 자석은 철심이 있는 더블 케이크 경마장 코일로 설계되었습니다. 자석의 길이와 지름은 62.5cm, 22cm, 코일 수는 300회, 스트립의 총 길이는 3m이다. 여기 전류가 407A인 자석의 인덕턴스가 440H일 때 알루미늄 잉곳의 중심 자기장 강도는 1.73t입니다.
중국에서는 초전도직류유도가열에 대한 몇 가지 연구가 있다. 독일에서는 2008년 세계적으로 발전한 1dc 초전도체 유도가열 장치가 국내에 소개되면서 북경초전도기술유한공사(Beijing, superconducting technology co., LTD)가 보고했다. 소형 시제품은 알루미늄 잉곳 크기가 30mm * 80mm인 소형 시제품의 예비 시험의 초전도체 가열 기술을 완료했으며, 알루미늄 잉곳 온도의 실험은 알루미늄 잉곳 원점 펀치에 대한 반경 방향 표면이고 K형 전기 커플링을 삽입합니다. , 그런 다음 멀티 미터로 측정하면 전기가 실수로 알루미늄 잉곳 구멍의 내부 표면에 접촉합니다. 이 실험은 유도가열 기술의 원리가 완전히 유효함을 검증했지만 효율 향상 효과를 입증할 수 없었다. 한편, 소형 프로토타입의 기계적 변속기 및 모터 구성 요소도 최적화해야 합니다. 최근 몇 년 동안 Shanghai Superconductor Technology Co., Ltd.와 Jiangxi Lianchuang Optoelectronics Technology Co., Ltd.는 MW 고온 초전도 유도 가열 기술 연구 및 히터 장비 개발에서 기술 협력을 수행했습니다.