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表1 兩種加熱法工藝參數(shù)比較

表2 德國、韓國和中國的超導直流感應鋁錠坯加熱技術參數(shù)

表3 不同平均加熱功率時的加熱時間與效率

表4 鋁錠坯加熱的經濟分析

高溫超導加熱技術是一種高新技術，被認為是21世紀世界科技領域新的制高點之一，美國、日本、德國已建設了示范項目。中國在《“十三五”規(guī)劃》《中國制造2025》等有關文件中，都將高溫超導技術列為重點支持的前沿技術。

江西聯(lián)創(chuàng)光電超導應用有限公司等歷時7年研發(fā)的高溫超導強磁場感應技術與裝備已于2020年推向市場，受到一致好評。參與此技術與裝備研發(fā)、制備、推廣應用的單位有：聯(lián)創(chuàng)光電超導應用有限公司、北京交通大學、上海超導有限公司、西安聚能股份有限公司、中船鵬力有限責任公司。

現(xiàn)在投產的是兆瓦級（MW）的，是高溫超導感應加熱領域功率最大者，技術全球唯一，在大容量金屬加熱設備進程中具有里程碑意義。它的革命性優(yōu)點如下：

●經濟效益顯著，節(jié)能省電，加熱成本下降50%。根據聯(lián)創(chuàng)公司的數(shù)據，在鋁擠壓前的加熱中，傳統(tǒng)工頻感應爐的錠坯加熱費為260元/t，而超導感應加熱法的僅需130元/t；

●高溫超導感應加熱無明火，不排放溫室氣體，安全可靠，對環(huán)境與電網友好；

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

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

●應用范圍廣，不但可在鋁擠壓與鍛造方面廣為應用，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爐、超導污水處理、礦產品超導磁選等。

超導感應加熱原理

超導感應加熱是通過超導磁體產生背景磁場，在加熱區(qū)內形成直流氣隙磁場，圓錠旋轉切割磁力線，產生渦流被加熱，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，獲得高品質加熱，為生產高品質的擠壓材與鍛件奠定了基礎。

兩種感應加熱法工藝參數(shù)的比較見表1，由表中的數(shù)據可見，超導直流感應加熱的優(yōu)勢極為明顯，頻率低，轉速慢，維修簡便；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，產品質量有一定的上升，加熱效率提高了約一倍；電能損耗大幅度下降，超導加熱時電機的損耗約10%，比常規(guī)加熱法銅線圈的損耗約低40個百分點；制冷等損耗約低5個百分點。

世界超導直流感應

加熱器運轉概況

截至2019年，全世界投產的超導強磁低頻直流感應圓錠坯加熱器共有3臺：一臺在德國，720kW；一臺在韓國，300kW，它們所加熱錠坯的max直徑為300mm，可見它們在磁場強度、總功率、機械傳動系統(tǒng)等方面尚未取得突破性的進展；另一臺是中國聯(lián)創(chuàng)公司等研發(fā)的，1MW，可對大直徑錠坯進行通體均勻加熱。德國、韓國和中國的超導直流感應鋁錠坯加熱技術參數(shù)見表2。

由表2所列的數(shù)據可見，我國在鋁錠坯超導直流感應加熱器領域是世界領跑者，所有參數(shù)居世界前列。可加熱錠坯的直徑為韓國加熱器的1.88倍，為德國加熱器的2.54倍，可加熱錠坯的長度為韓國加熱器的2.14倍，為德國加熱器的2.17倍，特別是在加熱生產能力方面，中國的大到5.7t/h，為德國加熱器產能的2.6倍、韓國加熱器產能的3.88倍。

中國超導感應加熱裝置簡說

中國聯(lián)創(chuàng)公司1MW超導感應加熱裝置由三部分構成：超導磁體系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)、實時測控系統(tǒng)。它的技術參數(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，加熱模式為同時加熱2根圓錠，加熱頻率4Hz～10Hz。

●超導磁體系統(tǒng)。由超導磁體、低溫制冷單元和鐵心等組成，采用大口徑傳導式超導磁體技術和氣隙可調鐵心結構設計技術。

●機械傳動系統(tǒng)。由變頻電機、減速機、聯(lián)軸器、頂緊裝置、主軸箱和夾具等組成，采用頂力中轉機構和大扭矩強頂力主軸技術。

●實時測控系統(tǒng)。采用PLC（可編程序邏輯控制器）作控制核心，集機電控制、磁體勵磁控制、參數(shù)監(jiān)測和加熱過程監(jiān)控等功能于一體，實現(xiàn)了裝置高度自動化。

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

●動力機械系統(tǒng)。錠坯獲得的熱功率來自電機輸出功率，因此在設計動力系統(tǒng)時，電機的輸出轉矩特性和錠坯的負載轉矩特性應相互匹配。

●可加熱不同直輕和長度的錠坯。

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

現(xiàn)以加熱直徑446mm、長1500 mm鋁錠坯為例，加熱到450℃不同功率時的加熱時間及加熱效率見表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。

鋁錠坯超導感應加熱優(yōu)點

●透熱深度大，心表溫差小。加熱鋁錠坯時，超導感應加熱的透深度＞100mm，而常規(guī)感應加熱＜20mm。超導感應加熱頻率為4Hz～8Hz，而常規(guī)感應加熱＞50Hz。超導感應加熱可實現(xiàn)對Φ400mm以上錠坯幾乎整體均勻加熱，而且特別適合于對加熱不均勻敏感的2000系及7000系合金的加熱，因為這些高強度合金在加熱不均勻時易開裂。

●超導感應加熱時，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，其軸向溫度均勻度可達±5℃。

●在進行梯度加熱時，錠坯軸向可實現(xiàn)10℃～40℃的梯度加熱。

經濟效益分析

超導感應加熱法研究團隊對該法的經濟效益從各方面進行了分析（表4），得出如下結論：

●能效高，經濟效益顯著。超導感應加熱法生產線的能效約比傳統(tǒng)加熱法的高一倍，而且生產利用率越高，其效益越顯著。

●綜合經營成本低。傳統(tǒng)感應加熱需配置大功率水冷機組，而超導直流感應加熱器所用超導線圈基本無能耗，外圍輔助設備電力成本很低。

●投資回收期短。設備投資期短，僅二三年，這在鋁加工產業(yè)較大項目建設中并不多見。若按電費0.8元/kWh計算，可節(jié)約電費約729萬元，靜態(tài)投資回收期1.56年，按電費1元/kWh計算，可節(jié)約電費約911萬元，靜態(tài)投資回收期1.26年。

有色金屬圓錠坯

超導感應加熱裝備市場前景

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

另外，超導技術除鋁錠坯擠壓前與鍛造前的預加熱方面有著廣泛與高效的應用外，在單晶硅生長爐、礦石磁選與污水處理領域也有著巨大的應用前景。

結束語

高溫超導感應加熱技術與裝備在輕合金圓錠坯擠壓及鍛造前的預加熱方面是一項高新精尖技術，宜在“十四五”規(guī)劃指導下大力推廣，為節(jié)能減排與實現(xiàn)碳中和目標以及有色金屬強國夢作出新的貢獻。它的具體優(yōu)點：

●與傳統(tǒng)工頻感應爐相比，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內將直徑300mm錠坯加熱到460℃；

●控溫精準，錠坯心表溫度均勻，幾乎等同，徑向溫差≤1℃；

●安全可靠，無明火，對用戶和電網友好；

●產品質量有一定提高。

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