Supravodiče v konstrukci indukční ohřívací pece

• | Tisk |

Podrobnosti

Vytvořeno 03. duben 2009

Napsal MM Průmyslové spektrum

Loňskou cenu Hermes Award 2008 veletrhu Hannover Messe, což je nejvyšší světové technologické ocenění, získaly společně firmy Zenergy Power a Bültmann za užití vysokoteplotních supravodičů (HTS) v konstrukci průmyslových indukčních pecí pro ohřev bloků neželezných kovů před protlačováním tyčí a profilů.

Vývoj vysokoteplotních supravodičů s lanthanem, za jejichž objev dostali J. G. Bednorz a K. A. Müller v roce 1987 Nobelovu cenu, po objevu náhrady lanthanu yttriem vědci C. W. Chu a M. K. Wu a vznikem supravodičů s kritickou teplotou TC 90 až 95 K přímo explodoval se stále novými materiály a jejich aplikace se tak šíří s netušenými efekty.

Technologický skok nasazením supravodičů

Technologický skok u HTS (High Temperature Superconductivity) indukčních generátorů, motorů, pecí, transformátorů aj. je řešen užitím vinutí s vícevrstvým supravodičem, jenž musí mít vedle supravodivosti mj. mechanickou stabilitu a dlouhou životností, což splňují třívrstvé vodiče. Starší aplikace užívaly vodičů HTS 1. generace na bázi multifilamentu Bi22128 (BSCCO) v matrici stříbra. U vodičů HTS 2. generace tvoří vrchní vrstvu vlastní supravodič YBa237 (YBCO) s kritickou teplotou TC 92 K, střední vrstvu jako difuzní bariéra pufr La232ZrO2 (LZO) + CeO a spodní vrstvu nosný substrát ze slitiny niklu se 14 % wolframu tloušťky 50 až 100 μm, přičemž celý plochý HTS vodič má tloušťku max. 0,5 mm a šířku 10 až 100 mm. Vývoj dlouhého YBCO supravodiče proběhl ve společném projektu LOLY (Long Length YBCO Conductor) partnerů Zenergy Power a Trithor, Leibnizova ústavu pro výzkum pevných látek a materiálu IFW v Drážďanech a ThyssenKrupp VDM v Alteně, který vyvíjel nosný substrát.

Metalurgicko-materiálový výzkum základem úspěchu

Po vývojové fázi, zahrnující materiálový výzkum a pilotní metalurgickou výrobu 4,5tunového ingotu ve vakuové indukční peci VDM v Unně a vyválcování na 20válcové stolici VDM ve Werdohlu, byla ze slitiny NiW14 povlakované pufrem LZO+CeO připravena páska k nanesení YBCO. Špičkový výrobek, jehož drsnost povrchu Ra je lepší než 0,03 μm, byl předán k výrobě HTS do Trithor a Zenergy Power pro výrobu vinutí HTS cívek. Objem průmyslové výroby HTS roste a HTS 2. generace na bázi YBCO se stávají levnějšími než měď. Trithor očekává, že cena YBCO vodiče s TC 65–80 K (cena 2007 cca 1 000 eur/kA.m) klesne až na 15 eur/kA.m v roce 2010 při ceně mědi 45–75 eur/kA.m.

Třívrstvé vodiče 2. generace HTS od American Superconductor (AMSC), označované jako 344 (3 vrstvy vodiče šíře 0,44 mm a tloušťky 0,3–0,4 mm) mají několik odlišností: v mřížce niklového substrátu (příp. substrátu ze slitiny Hastelloy C 22) centrálně uložené atomy síry, pufr Y23 (yttrium) + Y23.2 CuO a matrici YBCO nanotechnologicky dotovanou částicemi yttria velikosti cca 30 nm – vše s cílem zlepšení proudových charakteristik. Navíc jsou opatřeny tenkými povlaky mosazi nebo korozivzdorné oceli pro vyztužení a stabilizaci vodiče. Loni měl AMSC vyrobit 700 tisíc metrů vodičů 344, letos to budou 2 miliony metrů.

Koncepce ohřevu s HTS supravodiči

Před 20 lety vznikla koncepce indukčního ohřevu vodivých materiálů vířivými proudy stejnosměrným proudem se silnými magnety. Tehdejší stav techniky však neumožňoval její využití s ekonomickým ohřevem. To umožnil až objev HTS.

Známé nedostatky klasické cívky z vodou chlazených měděných trubek, u nichž vysoké proudy mají ohmické ztráty se vznikem tepla s nebezpečím roztavení a s nutností chlazení, jejichž účinnost je max. 50 %, vyřešily HTS cívky se stejnosměrným magnetickým polem. Mají nižší potřebu energie k vytvoření pole, ale pro vznik vířivých proudů se kovový blok musí otáčet kolem své osy. Potom je možné přenášet na blok velké výkony ohřevem vířivými proudy. Sice i zde dochází ke ztrátám elektronikou, na pohon a chlazení, avšak celková účinnost je min. 80 %. Typická spotřeba na ohřev 1 t hliníkové slitiny je v tomto případě 150 kW, což je méně než u plynových pecí s vysokou účinností a navíc bez emisí CO2.

Celý článek na MM Průmyslové spektrum.