表1 兩種加熱法工藝參數(shù)比較

表2 德國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)的超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁錠坯加熱技術(shù)參數(shù)

表3 不同平均加熱功率時(shí)的加熱時(shí)間與效率

表4 鋁錠坯加熱的經(jīng)濟(jì)分析

高溫超導(dǎo)加熱技術(shù)是一種高新技術(shù)，被認(rèn)為是21世紀(jì)世界科技領(lǐng)域新的制高點(diǎn)之一，美國(guó)、日本、德國(guó)已建設(shè)了示范項(xiàng)目。中國(guó)在《“十三五”規(guī)劃》《中國(guó)制造2025》等有關(guān)文件中，都將高溫超導(dǎo)技術(shù)列為重點(diǎn)支持的前沿技術(shù)。

江西聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司等歷時(shí)7年研發(fā)的高溫超導(dǎo)強(qiáng)磁場(chǎng)感應(yīng)技術(shù)與裝備已于2020年推向市場(chǎng)，受到一致好評(píng)。參與此技術(shù)與裝備研發(fā)、制備、推廣應(yīng)用的單位有：聯(lián)創(chuàng)光電超導(dǎo)應(yīng)用有限公司、北京交通大學(xué)、上海超導(dǎo)有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鵬力有限責(zé)任公司。

現(xiàn)在投產(chǎn)的是兆瓦級(jí)（MW）的，是高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱領(lǐng)域功率最大者，技術(shù)全球唯一，在大容量金屬加熱設(shè)備進(jìn)程中具有里程碑意義。它的革命性優(yōu)點(diǎn)如下：

●經(jīng)濟(jì)效益顯著，節(jié)能省電，加熱成本下降50%。根據(jù)聯(lián)創(chuàng)公司的數(shù)據(jù)，在鋁擠壓前的加熱中，傳統(tǒng)工頻感應(yīng)爐的錠坯加熱費(fèi)為260元/t，而超導(dǎo)感應(yīng)加熱法的僅需130元/t；

●高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱無(wú)明火，不排放溫室氣體，安全可靠，對(duì)環(huán)境與電網(wǎng)友好；

●加熱速度快，直徑300mm的錠坯可在5min內(nèi)加熱到460℃，適于擠壓所有變形鋁合金的加熱；

●溫度控制精準(zhǔn)，溫度均勻，徑向溫差≤1℃，可實(shí)現(xiàn)梯度加熱，max梯度可達(dá)80℃。由于溫度控制精準(zhǔn)，擠壓材性能的一致性也有所提高；

●應(yīng)用范圍廣，不但可在鋁擠壓與鍛造方面廣為應(yīng)用，而且也適用于鎂、鈦材料熱加工錠坯的加熱。此加熱法還可以推廣到單晶硅生長(zhǎng)爐、超導(dǎo)污水處理、礦產(chǎn)品超導(dǎo)磁選等。

超導(dǎo)感應(yīng)加熱原理

超導(dǎo)感應(yīng)加熱是通過(guò)超導(dǎo)磁體產(chǎn)生背景磁場(chǎng)，在加熱區(qū)內(nèi)形成直流氣隙磁場(chǎng)，圓錠旋轉(zhuǎn)切割磁力線，產(chǎn)生渦流被加熱，形成高穿透深度、高能效、高均勻性、溫度梯度可控的加熱方式，獲得高品質(zhì)加熱，為生產(chǎn)高品質(zhì)的擠壓材與鍛件奠定了基礎(chǔ)。

兩種感應(yīng)加熱法工藝參數(shù)的比較見(jiàn)表1，由表中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱的優(yōu)勢(shì)極為明顯，頻率低，轉(zhuǎn)速慢，維修簡(jiǎn)便；電流穿透深度幾乎為常規(guī)法的7倍，不但可加熱大直徑錠，而且溫度均勻得多，產(chǎn)品質(zhì)量有一定的上升，加熱效率提高了約一倍；電能損耗大幅度下降，超導(dǎo)加熱時(shí)電機(jī)的損耗約10%，比常規(guī)加熱法銅線圈的損耗約低40個(gè)百分點(diǎn)；制冷等損耗約低5個(gè)百分點(diǎn)。

世界超導(dǎo)直流感應(yīng)

加熱器運(yùn)轉(zhuǎn)概況

截至2019年，全世界投產(chǎn)的超導(dǎo)強(qiáng)磁低頻直流感應(yīng)圓錠坯加熱器共有3臺(tái)：一臺(tái)在德國(guó)，720kW；一臺(tái)在韓國(guó)，300kW，它們所加熱錠坯的max直徑為300mm，可見(jiàn)它們?cè)诖艌?chǎng)強(qiáng)度、總功率、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)等方面尚未取得突破性的進(jìn)展；另一臺(tái)是中國(guó)聯(lián)創(chuàng)公司等研發(fā)的，1MW，可對(duì)大直徑錠坯進(jìn)行通體均勻加熱。德國(guó)、韓國(guó)和中國(guó)的超導(dǎo)直流感應(yīng)鋁錠坯加熱技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

由表2所列的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，我國(guó)在鋁錠坯超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器領(lǐng)域是世界領(lǐng)跑者，所有參數(shù)居世界前列?？杉訜徨V坯的直徑為韓國(guó)加熱器的1.88倍，為德國(guó)加熱器的2.54倍，可加熱錠坯的長(zhǎng)度為韓國(guó)加熱器的2.14倍，為德國(guó)加熱器的2.17倍，特別是在加熱生產(chǎn)能力方面，中國(guó)的大到5.7t/h，為德國(guó)加熱器產(chǎn)能的2.6倍、韓國(guó)加熱器產(chǎn)能的3.88倍。

中國(guó)超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置簡(jiǎn)說(shuō)

中國(guó)聯(lián)創(chuàng)公司1MW超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝置由三部分構(gòu)成：超導(dǎo)磁體系統(tǒng)、機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。它的技術(shù)參數(shù)：加熱能效＞80%，徑向熱穿透深度≥100mm，加熱均勻度≤±5℃，溫度梯度max100℃/m，加熱模式為同時(shí)加熱2根圓錠，加熱頻率4Hz～10Hz。

●超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。由超導(dǎo)磁體、低溫制冷單元和鐵心等組成，采用大口徑傳導(dǎo)式超導(dǎo)磁體技術(shù)和氣隙可調(diào)鐵心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)。

●機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。由變頻電機(jī)、減速機(jī)、聯(lián)軸器、頂緊裝置、主軸箱和夾具等組成，采用頂力中轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和大扭矩強(qiáng)頂力主軸技術(shù)。

●實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)。采用PLC（可編程序邏輯控制器）作控制核心，集機(jī)電控制、磁體勵(lì)磁控制、參數(shù)監(jiān)測(cè)和加熱過(guò)程監(jiān)控等功能于一體，實(shí)現(xiàn)了裝置高度自動(dòng)化。

●高溫超導(dǎo)磁體系統(tǒng)。超導(dǎo)磁體的主要參數(shù)：鐵心中心柱直徑1770mm；氣隙空間566×566×1700mm，中心磁場(chǎng)＞0.5T-1T；超導(dǎo)線圈勵(lì)磁安匝數(shù)36.5萬(wàn)，三段式螺管式結(jié)構(gòu)。

●動(dòng)力機(jī)械系統(tǒng)。錠坯獲得的熱功率來(lái)自電機(jī)輸出功率，因此在設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩特性和錠坯的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)相互匹配。

●可加熱不同直輕和長(zhǎng)度的錠坯。

由于鐵芯系統(tǒng)是開(kāi)放式的，以及液壓自助式的抓手系統(tǒng)，因而可以加熱長(zhǎng)0.8-1.5m的錠坯。切換機(jī)械抓手末端卡套，就可以加熱直徑200-450mm的任一種錠坯。

現(xiàn)以加熱直徑446mm、長(zhǎng)1500 mm鋁錠坯為例，加熱到450℃不同功率時(shí)的加熱時(shí)間及加熱效率見(jiàn)表3。由于鋁的電阻率隨著溫度上升而加大，因此加熱功率隨著溫度上升而增大。

鋁錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱優(yōu)點(diǎn)

●透熱深度大，心表溫差小。加熱鋁錠坯時(shí)，超導(dǎo)感應(yīng)加熱的透深度＞100mm，而常規(guī)感應(yīng)加熱＜20mm。超導(dǎo)感應(yīng)加熱頻率為4Hz～8Hz，而常規(guī)感應(yīng)加熱＞50Hz。超導(dǎo)感應(yīng)加熱可實(shí)現(xiàn)對(duì)Φ400mm以上錠坯幾乎整體均勻加熱，而且特別適合于對(duì)加熱不均勻敏感的2000系及7000系合金的加熱，因?yàn)檫@些高強(qiáng)度合金在加熱不均勻時(shí)易開(kāi)裂。

●超導(dǎo)感應(yīng)加熱時(shí)，錠的心表溫差都≤1.2℃，例如直徑220mm錠的為－0.9℃、＋1.1℃；300mm錠的為－0.6℃、＋1.2℃；446mm錠的為－0.8℃、＋1.0℃。

●在錠坯均勻加熱時(shí)，其軸向溫度均勻度可達(dá)±5℃。

●在進(jìn)行梯度加熱時(shí)，錠坯軸向可實(shí)現(xiàn)10℃～40℃的梯度加熱。

經(jīng)濟(jì)效益分析

超導(dǎo)感應(yīng)加熱法研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該法的經(jīng)濟(jì)效益從各方面進(jìn)行了分析（表4），得出如下結(jié)論：

●能效高，經(jīng)濟(jì)效益顯著。超導(dǎo)感應(yīng)加熱法生產(chǎn)線的能效約比傳統(tǒng)加熱法的高一倍，而且生產(chǎn)利用率越高，其效益越顯著。

●綜合經(jīng)營(yíng)成本低。傳統(tǒng)感應(yīng)加熱需配置大功率水冷機(jī)組，而超導(dǎo)直流感應(yīng)加熱器所用超導(dǎo)線圈基本無(wú)能耗，外圍輔助設(shè)備電力成本很低。

●投資回收期短。設(shè)備投資期短，僅二三年，這在鋁加工產(chǎn)業(yè)較大項(xiàng)目建設(shè)中并不多見(jiàn)。若按電費(fèi)0.8元/kWh計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約729萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期1.56年，按電費(fèi)1元/kWh計(jì)算，可節(jié)約電費(fèi)約911萬(wàn)元，靜態(tài)投資回收期1.26年。

有色金屬圓錠坯

超導(dǎo)感應(yīng)加熱裝備市場(chǎng)前景

有色金屬材料在擠壓、鍛造前都要進(jìn)行預(yù)加熱，以提高其塑性變形能力，中國(guó)是全球最大的有色金屬（本文指鋁、鎂、鈦）擠壓材與鍛件生產(chǎn)和消費(fèi)國(guó)，2020年擠壓鋁材產(chǎn)量可能達(dá)19500kt，生產(chǎn)能力約27800kt/a，擁有1.5MN～225MN的擠壓機(jī)約7500臺(tái)，其中擠壓力≥45MN的約175臺(tái)，最大的為225MN的2臺(tái)。鋁合金鍛造機(jī)約145臺(tái)，最大800MN的1臺(tái)，世界之最。這是一個(gè)多么大的市場(chǎng)，如果2025年有5%鋁擠壓機(jī)的錠坯采用高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱設(shè)備加熱，就需要約370臺(tái)。不過(guò)由于圓錠坯超導(dǎo)感應(yīng)加熱器是一種高精尖裝備，推廣起來(lái)有一定難度。

另外，超導(dǎo)技術(shù)除鋁錠坯擠壓前與鍛造前的預(yù)加熱方面有著廣泛與高效的應(yīng)用外，在單晶硅生長(zhǎng)爐、礦石磁選與污水處理領(lǐng)域也有著巨大的應(yīng)用前景。

結(jié)束語(yǔ)

高溫超導(dǎo)感應(yīng)加熱技術(shù)與裝備在輕合金圓錠坯擠壓及鍛造前的預(yù)加熱方面是一項(xiàng)高新精尖技術(shù)，宜在“十四五”規(guī)劃指導(dǎo)下大力推廣，為節(jié)能減排與實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)以及有色金屬?gòu)?qiáng)國(guó)夢(mèng)作出新的貢獻(xiàn)。它的具體優(yōu)點(diǎn)：

●與傳統(tǒng)工頻感應(yīng)爐相比，加熱成本可下降50%，即從260元/t鋁下降到130元/t鋁；

●加熱速度快，可在5min內(nèi)將直徑300mm錠坯加熱到460℃；

●控溫精準(zhǔn)，錠坯心表溫度均勻，幾乎等同，徑向溫差≤1℃；

●安全可靠，無(wú)明火，對(duì)用戶和電網(wǎng)友好；

●產(chǎn)品質(zhì)量有一定提高。

我國(guó)有鋁擠壓機(jī)大于50臺(tái)的大型擠壓企業(yè)16家，有鍛造機(jī)多于2-3臺(tái)的大型鋁鍛造廠6家。希望這些大企業(yè)能在推廣此項(xiàng)有革命性突破的新技術(shù)方面起表率引領(lǐng)作用，可以先建一兩條生產(chǎn)線看看效果如何，還希望有關(guān)方面在推廣此技術(shù)中多做工作。