固氮保护传导冷却高温超导电磁除铁器的研制

固氮保护传导冷却高温超导电磁除铁器的研制 唐奇 （抚顺隆基磁电设备有限公司，辽宁抚顺113122） 摘要针对工业生产实际对除铁器除铁性能提出的更高要求，抚顺隆基磁电设备有限公司与 中国科学研究院电工研究所联合研制出我国首台固氮保护传导冷却高温超导电磁除铁器。本 文主要介绍该设备的构造、工作原理、主要特点及使用效果。 关键词高温超导，电磁除铁器，，传导冷却，固氮保护 0引言 在现代化工业生产中，除铁器广泛应用于冶金、煤炭、矿山、陶瓷、化工、食品及饲料 加工等行业。近年来，各行业对物料中铁杂质的含量限制愈加严格，尤其在煤炭行业中，煤 中混有的铁钉、雷管、雷管皮、铁屑、铁锈、炮线等铁杂质不仅影响生产安全，而且影响出 口煤炭产品的质量和声誉，这就对除铁器性能提出了新的要求，需要发展节能环保和有超强 除铁效果的除铁设备。 针对这一情况，国外有专家将超导技术应用于除铁器生产中，研制出低温超导电磁除铁 器，实现了节能、强磁。但传统的低温超导磁体大多用液氮进行冷却，低温液化技术复杂， 需要复杂且昂贵的附属制冷设备和绝热设备，而且不能撞击，致使操作比较繁琐，运行成本 也较高。目前国内尚无厂家生产。 随着超导技术和制冷技术的发展以及对高磁场的需求，结构简单、操作简便、由制冷机 进行冷却的固氮保护超导磁体技术日益受到各国科学家的关注。抚顺隆基磁电设备有限公司 与中国科学研究院电工研究所合作，运用世界最先进的具有固氮保护的传导冷却技术，采用 高温Bi2223超导磁体系统，研制出我国首台超导电磁除铁器。该超导除铁器已经在实验室顺 利通过了各种性能的测试，运行工作稳定，通过了省级科技鉴定，填补了国内空白，达到国 际先进水平。 1固氮保护传导冷却高温超导除铁器的构造与工作原理 1.1超导除铁器的构造 该除铁器主要由壳体、防震托板、铁芯、辆板、缓冲橡胶和超导磁体等部分组成，其结 构如图1所示。 1.壳体2.二级储热器3.铁芯4.超导线圈5.绝热层6.防辐射屏7.固态氮8.致冷机 9.辄板10.冷头11.超导励磁引线12.超导开关13.防震托板14.缓冲橡胶 图1固氮保护传导冷却高温超导除铁器的构造 1.2超导除铁器的工作原理 除铁器除铁能力的好坏主要取决于待除铁区域的磁场大小和磁场梯度，要想取得更大的 磁场和梯度只有通过提高励磁电流的大小来实现。由于普通除铁器的线圈存在电阻，会在通 电励磁的过程中产生热，从而使自身的电流大小受到了限制，在除铁效果方面产生了一个瓶 颈。超导除铁器由于励磁过程中电阻为零，无热量产生，因此能产生非常强的电流而无能量 损耗，从而产生强大的磁场以实现更好的除铁效果。 超导除铁器主要由壳体、防震托板、铁芯、辄板、缓冲橡胶和超导磁体组成，而超导磁 体又由二级储热器、超导线圈、绝热层、防辐射屏、固态氮、致冷机、冷头、超导引线、超 导开关组成。超导磁体线圈部分是使用超导材料绕制而成，超导线圈通过固态氮进行固定和 过热保护。固氮具有较大的热容，可以有效防止外界对磁体的各种物理冲击。由于固态氮和 超导线圈结合为一体，因此不必担心因设备移动而使线圈局部脱离低温保护。固态氮外罩有 防辐射屏，可以屏闭外界对内部的辐射传热，防辐射屏之外有绝热层来屏闭外界的传导和对 流传热。致冷机冷头直接对超导线圈进行传导冷却，当冷却到临界温度时，线圈实现超导， 通过超导励磁引线对超导线圈进行励磁、去磁。壳体对磁体起到保护作用，防震托板和缓冲 橡胶共同对磁体起到防震保护。 2固氮保护传导冷却高温超导除铁器的优点 该超导电磁除铁器与常规电磁除铁器及国外现有超导除铁器相比，具备了以下的优点 （1）超导除铁器的超导磁体几乎没有焦耳热损耗，易于在较大的空间内获得很强的磁 场，很容易地使除铁器的除铁性能提高四倍以上，达到常规除铁器无法达到的性能指标，进 而实现常规除铁器无法实现的除铁效果，满足更加严格的除铁要求。 2 体积小，质量轻。由于超导材料的电流密度能够达到常规自冷除铁器的400倍以上, 因此线圈体积能够降到相同性能的自冷除铁器的1/400以下，即使包括致冷设备在内也比同 性能的自冷电磁除铁器轻得多，在大型强磁除铁器中尤有明显的体积及质量优势。 3 具有更好的运行稳定性。由于超导磁体可以在短路电流下长期持续地运行，因此 具有很高的时间稳定性，磁场强度不随设备的运行时长产生任何变化，不同于常规电磁除铁 器磁场强度会随运行时间的增长而降低。 4 运行成本低廉。一次启动，能长期运转，运行其间几乎无热损耗，加上压缩机及 制冷机的运行功率一般也不会超过15kW„在大型强磁除铁器中尤有明显的节能优势。 5 国外现有超导除铁器线圈采用NbTi线材，磁体被浸泡在液氢中冷却。液氮的液化 温度为4.2K,热容也非常低，很容易气化，极不稳定，在使用过程中的振动就可能使液氮发 生气化，进而导致线圈失超，严重时可能会烧毁磁体。而新研制的超导除铁器采用了中科院 最新研制的固氮保护传导冷却技术，固态氮的热容较高，线圈包裹在固态氮中，使超导线圈 的稳定性大大提高。 6 国外现有超导除铁器的安装必须保持水平，以保证线圈能够完全浸泡在液氮中， 防止磁体局部超导线圈露出液氮液面，而新研制的超导除铁器由于线圈和固态氮结合为一 体，因此是否水平超导线圈都会保持在固态氮的保护中，不会产生局部外露引发失超。 7 国外现有超导除铁器为防止液氮表面晃动，造成局部过热引发雪崩式失超，由吸 铁位移动到弃铁位速度非常缓慢，一般移动速度为0.02m/s左右，由于吸铁位弃铁位相距一 般在10m以上，因此每次由吸铁位移到弃铁位时间大概是lOmin,即往返时间约为20 min, 而新研制的超导除铁器由于线圈和固态氮结合为一体，因此不会存在液面晃动现象，可以使 移动速度提高20倍以上。 8 国外现有超导除铁器一旦停电超过7 min,制冷机不能及时给液氮制冷，液氮将吸 热挥发，再次启动时则需要重新注入液氮并进行冷却，不但成本高昂而且费时长达15天以 上，近半月内无法使用和工作，为防止这一现象发生，每台超导除铁器配套一台发电机，并 且需要安排值班人员轮守。而新研制的超导除铁器使用高温的Bi2223/Ag超导线材，并采用 了目前世界最先进的固态氮保护技术，在断电28h后通电仍可正常工作。 9 国外现有超导除铁器为液氮浸泡冷却，氮气在大气中为稀有气体，含量极少仅占 0.714X109,购买成本极高，而且液氮极易挥发，灌注过程需要在杜瓦管的保护下完成，操 作极不方便且存在着一定的危险性，灌注过程损失量较大。以适应2000mm带宽除铁器为例， 每次灌注费用大约需要10万元人民币。而新研制的超导除铁器为固氮保护，只需灌注液氮, 不但灌注操作简单，灌注时间短，而且挥发量小，成本低廉，每次灌注只需8000多元人民币 即可。 10 国外现有超导除铁器采用液氮浸泡NbTi线圈不利于抵抗充、去电过程中产生的 热量，如果充、去电速度过快则会导致失超，一般充、去电速度为O.lA/s,完成一次充、去 电时间约为20 min。而新研制的超导除铁器采用固氮保护传导冷却先进技术，线圈材质为 Bi2223/Ag高温超导材料，可实现最大2.