超导感应加热技术 | 应用物理前沿推介系列No.33
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本期推介
超导感应加热技术
金属材料在进行锻造、挤压、轧制加工时一般需要进行预热，常规的加热方式包括燃煤燃气加热、交流感应加热等。燃煤燃气加热存在精度差、碳排放高、燃烧爆炸风险高等问题；交流感应加热在加热低电阻率、非导磁的有色金属时，金属棒材的芯表温差大、热应力大，且铜线圈热损耗大，装置的综合能效一般不超过50%。
图 1. 交流感应加热技术的基本原理图
交流感应加热技术的基本原理是：当线圈中加载交流电时，会在被加热金属工件中产生轴向的、随时间变化的磁场；根据楞次定律可知，磁场的变化会在工件中诱发感应电流，这些电流主要在工件表面沿切线方向流动，进而产生焦耳热加热工件（图1）。
对于交流感应加热，趋肤效应是必须要考虑的重要因素。趋肤深度 δ 可以利用式（1）进行计算：
式中，ρ(T) 为金属工件的电阻率，且电阻率与温度 T 相关；μ 为金属工件的磁导率；ω 为金属工件中感应电流的角频率。由式（1）可知，趋肤深度 δ 与感应电流角频率 ω 和磁导率 μ 呈负相关，与电阻率 ρ(T) 呈正相关。
在对金属进行锻造、挤压和轧制前，其温度分布对于产品质量至关重要。尽管不同应用场合对金属的温度有不同要求，但均匀加热在金属加工中是一个极其重要的要求。采用交流感应加热对金属进行均匀加热时，为获得更大的透热深度，必须降低交流电流的频率（<10 Hz），但实际应用中几乎无法实现。
交流感应加热技术的另一个局限性在于电效率较低，即传输到被加热工件上的功率和感应加热炉的输入功率之比较低。对于单层线圈而言，其电效率 η 可由式（2）近似表示：
式中，ρc为线圈的电阻率，ρw为待加热金属工件的电阻率，μw为待加热金属工件的相对磁导率。
由式（2）可知，η 与待加热工件的电阻率 ρw 和相对磁导率 μw 的乘积 ρwμw正相关。在加热电阻率较高的钢锭时，若加热目标温度低于居里点温度，则钢锭为磁性材料，η可达80%～90%；若高于居里点温度时，则钢锭转变为非磁性材料，η会降至65%～70%。若加热的是低电阻率、非磁性的铝锭或铜锭等有色金属，由于它们的电阻率与铜线圈相当，采用单层线圈时 η 只有50%左右，其它电能会以焦耳热的形式被铜线圈中的冷却水带走。
为提高感应加热的电效率就需要提高 ρc/ρw 的比值，而 ρw取决于被加热金属材料本身，唯一可改变的就只有线圈电阻率 ρc 。因而具有零电阻特性的超导材料就进入了科研工作者的视野。
挪威科学家Runde M和Magnusson N在2002年首次提出将高温超导材料应用于感应加热这一领域，以期利用超导材料的零电阻特性降低线圈的损耗来提升交流感应加热的电效率[1]。超导直流感应加热的基本原理是：利用超导磁体产生直流的强磁场，将被加热金属工件置于直流磁场中，并通过外部电动机驱动金属工件旋转，从而在金属工件内部产生动生电动势。在动生电动势作用下，会有电流在金属工件内部流动，产生焦耳热以达到加热金属的目的(图2)。在他们提出的方案中，利用Bi-2223/Ag带材绕制的线圈代替交流感应加热技术中的铜线圈，电流频率为50/60Hz的工频。通过研究发现，若只是将传统感应加热炉中的铜线圈替换为高温超导线圈，超导线圈的交流损耗会导致综合能效难以超过60%。为了彻底解决电效率改善不明显的情况，Runde M和Magnusson N于2003年提出了高温超导直流感应加热[2,3]。
图 2. 超导直流感应加热的基本原理示意图。
2008年，德国Weseralu公司与Zenergy Power和Bültmann公司合作研发了世界上第一台高温超导感应加热炉[4]，加热器功率为360 kW，双工位运行，加热工件最大尺寸为Ø177×690 mm，采用Bi-2223超导带材制作。挤出的铝合金产品在微结构和表面光洁度等方面较传统交流感应加热更具质量优势。到2010年，第一台高温超导感应加热炉已经运行了两年，与传统交流感应加热炉相比，产量增加了25%，生产成本降低 50%，累计售出四台。
图 3. 第一台商用高温超导感应加热炉
韩国昌原国立大学的 J. Choi 等人在 2016年启动了 300 kW高温超导感应加热炉的研制[5]。2019年，由Supercoil公司完成了300 kW 高温超导感应加热炉的研发，加热对象最大尺寸为 Ø240×700 mm，采用YBCO超导材料制作的对极高温超导磁体结构[6]。
图 4. 韩国300 kW高温超导感应加热炉
2013年，江西联创光电公司牵头启动了国际上首台1 MW超导感应加热炉的研究，并于2019年完成了样机的研制与试验。加热对象最大尺寸为 Ø446×1500 mm，采用上海超导公司生产的YBCO超导带材，北京交通大学联合西部超导公司等单位完成了超导磁体的研制[7]。2023年4月，该项目团队研制的产品在中国铝业东北轻合金公司投产，实现了在航空用铝合金锻造领域的首次应用。
图 5. 中国1 MW高温超导感应加热炉
但该技术领域仍面临很多难题和挑战：（1）多物理场耦合的数值分析，超导感应加热的工件是一个典型的电磁-热-力耦合对象，其数值建模与分析既是系统设计的依据，也是加热过程温度分布实时控制的基础。目前，围绕工件的均匀加热和梯度加热，尚缺乏快速、精确的数值分析方法，限制了运行控制的灵活性。（2）高过载力矩传递，超导感应加热的能量传递，是通过被加热金属工件产生的电磁转矩将电动机的机械能转换为热能，功率越大则转矩越高。工件的夹持机构需要在强磁场环境中传递大的转矩，且必须同时满足低热导率、高电阻率、高强度、耐高温等特性，Ø500 mm以上的大规格工件夹持机构开发面临极大的挑战。（3）强电磁条件下的旋转体温度实时精确测量，被加热工件处于高温强磁场环境，且工件表面的状况复杂，常规采用非接触式的红外测温方式容易受到现场油雾、粉尘、光照、工件表面状态的影响，导致测量精度难以满足要求。强电磁条件下高温旋转体的温度分布实时精确测量是装置应用面临的另一技术难题。
金属热加工领域的能耗极大，超导感应加热炉比常规感应加热炉更高的能效，对于大幅降低铝合金等材料的加工成本、节能减排具有重要意义，直接助力国家“双碳”目标的实现。与此同时，更好的透热深度使得金属材料加工过程中具有更好的温度分布特性，在金属材料的高品质加工中具有其它加热方式无法企及的优势，为高端装备制造提供了重要的技术支撑。
推介人
戴少涛，北京交通大学，研究员，主要研究方向为超导电力技术和高温超导磁体技术。
马韬，北京交通大学，副研究员，主要研究方向为超导电工技术、检测技术与自动化装置。
参考资料
[1] RUNDE M, MAGNUSSON N. Induction heating of aluminium billets using superconducting coils[J]. Physica C: Superconductivity, 2002, 372-376: 1339-1341.
[2] RUNDE M, MAGNUSSON N. Design, building and testing of a 10 kW superconducting induction heater[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, 13: 1612-1615.
[3] MAGNUSSON N, RUNDE M. Efficiency analysis of a high-temperature superconducting induction heater[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, 13: 1616-1619.
[4] RUNDE M, MAGNUSSON N, FULBIER C, et al. Commercial induction heaters with high-temperature superconductor coils[J]. IEEE transactions on applied superconductivity, 2010, 21: 1379-1383.
[5] CHOI J, GO B, KIM S, et al. Economic feasibility study of an HTS DC induction furnace[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2016, 26: 1-4.
[6] CHOI J, KIM T, LEE C K, et al. Commercial design and operating characteristics of a 300 kW superconducting induction heater (SIH) based on HTS magnets[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2019, 29: 1-5.
[7] DAI S, YAN X, HONG Z, et al，Development and test of one commercial megawatt superconducting DC induction heater with extra high energy efficiency[J]. IEEE Access, 2021, 9: 3301-3314.
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前沿推介专栏
为推动中国的应用物理研究，中国物理学学会和中科院物理所“应用物理中心“合作推出《应用物理前沿推介》专栏，用以推动应用物理的学科教育，推介国际应用物理前沿的最新重要成果，把握有重大应用潜力的物理研究动态，促进不同学科和不同领域之间的交叉融合，激发新的原创思想，使物理研究更好地服务国家战略需求。
中国物理学会特别成立了“应用物理前沿推介委员会”，同时将鼓励各方向召集人牵头组织针对所在领域的专题讨论会，使广大物理同行以未来重大应用为牵引，进行有深度的学术研讨，促进优秀科学家之间的思想碰撞，激发科学家提出有颠覆性应用潜力的新原理、新方法、新技术路线和新概念。
专栏推介文章由“前沿推介委员会”委员亲自或邀请知名专家撰稿，具有前瞻性(Foresight)，易读性(Accessibility)，洞察性(Insights)，快速性(Timeliness)和突出性(Highlights)等特色亮点。
中国物理学会
应用物理前沿推介委员会
主 任：吴义政， 复旦大学
副主任：杨海涛，中科院物理所
一、传感与探测方向
召集人：柴国志
委 员：王鹏、彭斌、黄晓砥、贺晓霞
二、量子精密测量方向
召集人：荣星
委 员：屈继峰、刘刚钦、杜关祥、鲁大为
三、新型信息载体与技术方向
召集人：黄元
委 员：李志强、郝玉峰、叶堉、张金星
四、微波与太赫兹物理与技术方向
召集人：孙亮
委 员：齐静波、陶洪琪、李龙、高翔
五、光子与光电子学方向
召集人：肖云峰
委 员：魏钟鸣、王建禄、李家方、邓震
六、功率半导体物理与器件方向
召集人：孙钱
委 员：黄森、江洋、周弘、王俊
七、材料物理方向
召集人：于浦
委 员：柳延辉、刘淼、周家东、于海滨
八、低温物理与技术方向
召集人：金魁
委 员：程智刚、刘楠、李雪、沈俊
九、能量转化、存储与传输方向
召集人：禹习谦
委 员：史迅、刘明桢、赵怀周、王凯
十、极端条件物理与技术方向
召集人：吉亮亮
委 员：于晓辉、周睿、胡建波、付恩刚
END
设计：陈 龙
排版：陈 龙
美编：张 悦
主编：吴义政
副主编：杨海涛
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