基于固氮保护的传导冷却高温超导电磁除铁器

摘要

一种高温超导电磁除铁器，包括超导磁体、程控电源、磁场控制计算机(1)。垂直向和水平向两个超导磁体(4、5)的螺管线圈轴线相互垂直，分别由两台程控电源(2、3)供电；在磁轴平面内构成空间工作磁场。液态氮容器(12)位于低温容器(17)和热辐射屏(16)之间，液氮容器(12)安装在热辐射屏(16)盖板上，热辐射屏(16)吊装在低温容器(17)内部，固氮容器(15)吊装在热辐射屏(16)内部，饼式线圈(14)安装在固氮容器(15)内部。磁场控制计算机(1)串口与两个程控超导电源(2)和(3)的串口连接，磁场控制计算机(1)调整程控电源(2)和(3)电流的大小，从而控制工作空间磁场的方向和大小。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于港口码头煤、火力发电厂或其他材料中清除铁磁材料的电磁除铁器，尤其涉及一种利用固氮保护的传导冷却高温超导电磁除铁器。

背景技术

在煤炭运输领域，随着煤炭资源的减少，其开采难度加大，造成其中所含杂物的增加。而国际上对于出口煤炭纯净度的要求不断提高，使得各大煤炭生产及运输企业对于煤炭中铁性杂质去除率不断提高。例如在清除料厚达到500mm左右的煤层中所含雷管、导火线等极细小的物件(出口煤中对此有严格的要求：其中雷管的含量不得超过3个/万吨煤，超过的按1000美元/个处以罚款，如果不能有效清除其造成的经济损失是极为巨大的)，要有效地清除这样的物件其所要求的远距离磁场需达到或超过4000G以上，使用常规的磁体无论在电能消耗还是磁体本身的散热处理上都存在较大的问题，如果引入超导磁体则可以较好地解决这样的问题，在我国已经在秦皇岛港、青岛等港口投入了实际工业应用。

目前的电磁除铁器大多数采用常规线圈，采用水冷、油冷、风冷、蒸发冷却、热管等冷却方式，磁场方向大多数为单一方向，磁场方向不可控制。相关专利很多，比较有代表性的有下述几种：中国专利200710013332.3采用常规线圈，为单一方向的电磁除铁器，由上部磁轭、侧部导磁板及底板相互焊接在一起构成除铁器本体内腔，线圈内部采用导热液体强迫冷却。专利89212992.1是一种油冷式电磁除铁器，磁体采用外方内八角的磁系结构，常规线圈，磁场单方向。专利01257542.9是一种新型风冷自卸式电磁除铁器。200410036257.9是一种蒸发冷却式电磁除铁器。专利02263425.8采用常规线圈和导磁铁轭结构，内部安装由云母片和热管组成的散热板散热。专利88105470.4是一种内部安装热管散热、单方向、常规线圈的电磁除铁器，悬挂于输送带中部或者头部上方。常规电磁除铁器具有能耗高、磁场强度较低的缺点，常规线圈可能利用的磁场梯度有限，因此将煤或其他物质中较弱磁性的材料从中清理出来铁效果较差。

为了解决常规线圈的不足，出现了采用超导磁体方案的超导除铁器。到目前为止，超导除铁器的方案都见于国外的相关专利。U.K.Patent Application of Cohen和U.S.Pat.No.2,064,377(1985)使用一对超导线圈在水平方向产生强磁场和磁场梯度进行除铁。U.S Patent4,609,109(1986)的采用一个或一对超导线圈磁体，在垂直方向产生梯度磁场进行除铁。PCT/US96/15455采用脉冲超导磁体方案，可以在一个方向上产生较强磁场，但是工作区在磁体封闭的空间内，工作区较为狭小。United States Patent 5,004,539、4,609,109 3,942,643，4,153,542，4,668,383等这些超导线圈都工作在4K左右，采用低温超导材料绕制，用液氦冷却，产生单一方向的磁场和磁场梯度。

目前的超导除铁器广泛采用低温NbTi超导体产生4-5T的中心高磁场，在离磁体550mm的距离范围获得4000G的磁场来吸引弱磁材料。这种方法虽然可以产生较高的磁场，但是存在的主要问题是低温超导磁体的临界温度较低，磁体不能实现快速充放电，磁体吸引铁磁材料后到卸下这些材料所要求的时间较长，因此除铁效率较低。此外低温超导磁体在极快充放电情况下，非常容易失超，其恢复时间长度20天到一个月，严重影响系统的正常工作。同时使用液氦冷却的超导磁体系统通常运行和维护较为复杂，运行费用较高，因此在实际的工业应用中面临，运行和维护成本较高，系统的可靠性较差等许多的技术问题。

目前低温超导线NbTi/Cu临界温度和临界磁场较低，因此电流的变化引起的交流损耗将产生超导线圈的失超，这对于工业应用一港口码头运行的电磁除铁器是相当不利的。传统的超导磁体，一般是将超导磁体浸泡在低温液体中。正是由于使用了低温液体来冷却超导磁体系统，使得超导磁体的结构复杂、运行成本高，系统操作极其困难。使用这样的系统运行和操作非常不便。

单一磁场方向除铁器的缺点是：作用在弱磁材料上的力只是单一方向，例如如果弱磁性物质被压在较大煤块下面，即使在某一方向使用较大磁场强度有可能也很难将其清除出来。

发明内容

为了克服现有的电磁除铁器的磁场方向单一且不可控、常规线圈磁场提供的磁力较低等不足，本发明提出一种采用固态氮保护的传导冷却高温超导电磁除铁器。

本发明具有以下特点：

1、两个超导磁体独立安装，磁体轴线正交，提供开放的工作空间，适用的领域更广泛。

2、本发明两个超导磁体分别供电，通过改变两个方向线圈电流产生合成的不同方向的磁场，在计算机的控制下可以实现区域的磁场扫描，实现高效率的除铁。

3、本发明利用高温超导体具有较高的临界参数特点，采用最先进的固态氮保护低温技术，超导磁体稳定性较高，超导磁体充放电速度较快，从而使该除铁器适合于复杂工业环境运行。

4、本发明采用传导冷却方式，采用GM制冷机提供冷量，冷却固态氮和超导线圈。

5、本发明使用高饱和的铁磁材料作为铁芯，能够提供较高磁力，同时能够进一步减小磁体端部的径向磁场和高温超导带材的最大磁场，从而减小大口径超导线圈的环向应力和应变，进一步提高磁体的电流传输特性及磁体的稳定性，运行更加可靠。

本发明的高温超导除铁器由两个独立的超导磁体、两个程控超导电源、磁场解算及状态监测计算机组成。每个超导磁体包括高饱和磁场的导磁铁轭、低温制冷系统、低温容器、高温超导线圈、高温超导电流引线、热辐射屏、液氮容器、固氮容器以及位于高温超导磁体系统内部的失超检测与保护结构组成。

本发明固态氮保护的高温超导电磁除铁器的核心部件是两个方向布置的超导磁体。两个超导磁体的线圈轴线相互正交，磁场区为开放空间。磁体除了线圈放置方向和低温容器形状不同，结构基本是相同的。

水平向超导磁体的导磁铁轭呈“E”形结构包围磁体，垂直向超导磁体的导磁铁轭呈“M”形结构包围磁体，导磁铁轭中间部分插入磁体室温孔径，其余部分将磁体包围起来，用于收集发散的磁场。导磁铁轭的制作材料选择饱和磁密高、磁导率高的材料，一般选择坡莫合金复合软磁材料。

低温系统包括低温容器、内热辐射屏、液氮容器和固氮容器。低温容器采用无磁不锈钢材料制作。热辐射屏置于低温容器内，由凿有通气孔的多层铝箔制作而成。超导磁体内部的失超检测与保护结构位于热辐射屏上端盖之下。液氮容器位于低温容器和热辐射屏之间，液氮容器的上部通孔分别接室温液氮注入和排出孔，液氮容器的下部通孔连接固氮容器的液氮注入和排出孔。固态氮容器位于热辐射屏内。高温超导线圈和线圈支持结构位于固氮容器内，由低温固态氮保护。

本发明的低温制冷系统采用两级GM制冷机提供低温冷量。磁体的冷头法兰外接GM制冷机，GM制冷机的一级冷头冷却热辐射屏，二级冷头通过导热带超导线圈相连。一级冷头冷却温度在77K，二级冷头温度为4K，磁体的工作温度为4.2K～30K。GM制冷机的冷头和超导线圈的低温系统之间采用高纯铜导冷线软连接以减小线圈和制冷机二级冷头之间的温差。高温超导线圈和低温超导NbTi线圈相比具有较高的临界温度和磁场，因此超导磁体系统具有较大的抗干扰能力，避免因电流的变化产生的交流损耗而失超超导磁体。为了进一步提高超导线圈运行的稳定性和较小低温系统的运行耗费，本发明采用具有高热容的固态氮来减小超导线圈运行过程的温度升高，从而减小制冷机的工作时间。

超导线圈采用Bi2223高温超导带材制作，采用饼状线圈结构，两个单饼线圈采用一根超导带材绕制构成双饼线圈，双饼线圈的两个单饼之间使用厚度为0.5～1毫米的环氧片夹层，以提高超导线圈之间的绝缘，从而提高它们的耐高电压的能力。双饼线圈的两个单饼之间使用开有间隙的高导热铜片，提高冷却效果。超导线圈使用高导无氧铜(OFHC)材料作为骨架。高温超导饼状线圈叠加，产生所需要的高磁场。如果产生3T的中心磁场，需要10个以上的双饼线圈串联起来。在双饼超导线圈之间安装铜片导热，形成较好的冷却效果。Bi2223高温超导带材具有较高上临界磁场，防止高温超导线圈在快速充电时的失超，增加磁体运行的稳定性。Bi系高温超导带材运行在20K，有较大的温度裕度和较小的AC损耗，使得超导磁体系统在电流快速变化的情况下超导磁体系统运行稳定。超导线圈运行在30K以下的极低温环境，采用固态氮保护，固态氮能够提高超导线圈的热容，具有较高的稳定性。整体超导线圈建造成功之后，采用真空浸渍环氧树脂工艺处理，对线圈进行加固，从而进一步消除超导线圈产生的电磁力，提高超导磁体的稳定性。

计算机和超导电源保证磁体正常供电和励磁。两个超导电源分别与超导磁体连接。电源的电流输出受控于计算机。计算机控制系统有两项功能，一是对于两个磁体的运行电流进行解算，控制程控电源给线圈供电，从而实现所需的磁场方向；二是收集磁体运行温度、失超保护等相关数据，实现磁体系统的监控和保护。

本发明的工作过程如下：

除铁器工作时，先把超导磁体抽真空到10^-4Pa，然后制冷机工作，注入液氮，进一步冷却到20K，固氮容器的液氮凝固成固态，磁体通电运行。在煤炭传输带经过磁场工作区时，通过计算机控制系统调整运行电流，使工作区磁场方向按一定规律变化，在平面内产生不同方向的电磁力，从而能够从不同方向将弱磁物质分离出来。此外，本发明也可以用于选矿，使得铁磁材料的矿物质和非磁性杂质分离。

计算机和程控电源的磁场解算过程和控制过程：

第一步：根据磁场要求，计算机求解电流。

空间内任一点P(ρ，z)的磁场强度，根据椭圆积分法求解螺线管磁场：

$\mathrm{Bz}=\left(P\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}J}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-L}^L\mathrm{dh}{\∫}_{R1}^{R2}\mathrm{fz}(\mathrm{\ρ},z)\mathrm{da}=J\·\mathrm{Fp}(x,y,z)$

$\mathrm{B\ρ}\left(P\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}J}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-L}^L\mathrm{dh}{\∫}_{R1}^{R2}\mathrm{f\ρ}(\mathrm{\ρ},z)\mathrm{da}=J\·\mathrm{Ep}(x,y,z)$

其中：

Bz-磁场的轴向分量；

Bρ-磁场的径向分量；

L-螺线管的半长度；

R1-螺线管的内径；

R1-螺线管的外径；

$\mathrm{fz}(\mathrm{\ρ},z)=\frac{1}{\sqrt{{(\mathrm{\ρ}+a)}^2+{(z-h)}^2}}\{K\left(k\right)-[\frac{{\mathrm{\ρ}}^2-a^2+{(z-h)}^2}{{(\mathrm{\ρ}-a)}^2+{(z-h)}^2}\left]E\left(k\right)\right\}$

$\mathrm{f\ρ}(\mathrm{\ρ},z)=\frac{-1}{\mathrm{\ρ}\sqrt{{(\mathrm{\ρ}+a)}^2+{(z-h)}^2}}\{K\left(k\right)-[\frac{{\mathrm{\ρ}}^2+a^2+{(z-h)}^2}{{(\mathrm{\ρ}-a)}^2+{(z-h)}^2}\left]E\left(k\right)\right\}$

$J=\frac{\mathrm{NI}}{2l(R2-R1)},$K(k)，E(k)为模数为k的第一类和第二类椭圆积分：

$k=\frac{2\sqrt{\mathrm{a\ρ}}}{\sqrt{{(a+\mathrm{\ρ})}^2+{(z-h)}^2}}$

$K\left(k\right)={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\frac{1}{\sqrt{1-k^2{\sin }^2}\mathrm{\α}}\mathrm{d\α}$

$E\left(k\right)={\∫}_0^{\frac{\mathrm{\π}}{2}}\sqrt{1-k^2{\sin }^2\mathrm{\α}}\mathrm{d\α}$

由水平和垂直两个方向线圈产生的空间合成磁场在笛卡尔坐标系下展开：

写成矩阵形式：

系数矩阵中的参数和线圈本身参数有关，可以通过计算机数值积分实时得到。给定场强|B|大小和方向可以求得两个方向的分量：Bx＝|B|cosα，By＝|B|cos，从而电流密度Jx，Jy可以解积分方程得，根据螺线管线圈电流密度$J=\frac{\mathrm{NI}}{2l(R2-R1)},$N为线圈匝数，从而对应的电流Ix，Iy可以求得。上述计算通过编写计算机软件，由磁场解算计算机完成电流计算。

第二步，通过计算机串行接口与直流程控电源连接，直流程控电源根据计算机串口数据决定加载电流的大小。本发明选用的直流程控电源是智能化的程控电源，其输出电流值可以通过串行口由计算机控制。

第三步，直流程控电源加载电流给线圈，实现所需要的磁场。

本发明固态氮保护的高温超导电磁除铁器与以往的除铁器具有明显的优点。

采用两个方向独立的超导磁体结构，分别供电，在计算机的控制下，产生不同方向的磁场扫描除铁器工作区，能够从不同方向有效地将弱磁物质分离出来。

采用高温超导带材绕制线圈，当前主流的高温超导带材为Bi系超导带材，在4K的温度范围其电流密度具有J_C＝10⁵-10⁶A/cm²，从而产生较高的磁场。在4K温区运行的高温超导磁体能够充分利用4K温区的制冷机成熟的技术，同时又可充分利用高温超导体的载流能力和超导带材的高热导、热容，因此高温超导磁体具有较高的稳定性。由于高温超导材料具有较高的临界温度，因此基于高温超导材料发展的磁体系统能够承受较高的温度波动，超导线圈能够在快速变化的电流条件下运行而不会产生失超行为。

采用传导冷却的超导磁体，使其结构简单，系统操作方便，无需低温液体冷却，不受液氦或其它低温条件的限制，整个超导磁体系统具有结构紧凑和轻量化的特点。

采用固态氮保护超导磁体，充分利用固态氮具有较高的热容从而较小系统在快速升温和降温过程中的温度漂移，提高磁体系统在除铁过程中的磁体稳定性能，从而大大提高系统的运行可靠性，同时使得系统的运行费用极大地减小，系统运行和操作更加方便。

附图说明

图1是整个固氮保护高温超导除铁器组成结构示意图，图中：1磁场控制计算机，2垂直向程控电源，3水平向程控电源，4垂直向超导磁体，5水平向超导磁体，6煤层，7传送带；

图2是垂直方向超导磁体4结构示意图，图中：7法兰、8一级冷头、9高温超导电流引线、10二级冷头、11导冷带、12液氮容器、13失超保护装置、14饼式线圈、15固氮容器、16热辐射屏、17低温容器、18导磁铁轭；

图3a为水平方向超导磁体5结构图，图3b为水平方向磁体右视图(不含导磁铁轭)；

图4a优化后磁体参考外形，19优化后的超导线圈，20导磁铁轭。图4b在550mm距离上，磁体相关尺寸优化后径向磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

图1是本发明固氮保护高温超导除铁器组成结构示意图。本发明固氮保护高温超导除铁器由磁场控制计算机1、垂直向程控电源2、水平向程控电源3、垂直向超导磁体4、水平向超导磁体5组成，可以将传送带7上的煤层6中的铁磁杂质分离出来。

磁场控制计算机1完成磁场解算和状态监测功能。磁场控制计算机1串口与两个程控超导电源2和3的串口连接。两个程控超导电源2和3分别给超导磁体4和5供电。垂直向超导磁体4位于传送带6上部垂直位置，水平向超导磁体5位于传送带6侧面水平位置。

超导磁体3、4内部线圈轴线相互垂直，在磁轴平面内构成空间工作磁场。通过磁场控制计算机1调整程控电源2和3电流的大小，从而控制工作空间磁场的方向和大小。在传送带6不断的前进中，线圈产生的磁场和位于煤层6下面的微小的弱磁性材料的相互作用产生电磁力，从而将弱磁物质分离出来。

图2所示是垂直向超导磁体4的结构。垂直向超导磁体4用于提供垂直方向的磁力。超导磁体4外部由“M”形导磁铁轭18包围，导磁铁轭18插入低温容器17的室温孔中。

超导磁体4的组成结构从外到内为：低温容器17、液氮容器12、热辐射屏16、固氮容器15、饼式线圈14。液氮容器12安装在热辐射屏16盖板上，热辐射屏16通过环氧拉杆吊在低温容器17内部，固氮容器15通过环氧拉杆吊装在热辐射屏16内部，饼式线圈14安装在固氮容器15内部。

低温容器17保持系统的运行温度。低温容器17为圆柱形，有室温通孔，用于放置导磁铁轭18。液态氮容器12位于低温容器17和热辐射屏16之间，用于保护热辐射屏16的温度不会升高。磁体3的制冷部分是通过GM制冷机提供冷量，GM制冷机安装在法兰7上。制冷机一级冷头8冷却低温容器的热辐射屏16。二级冷头10冷却超导线圈14和固氮容器15内的固态氮，以及高温超导电流引线9。制冷机将超导线圈的温度降低到超导体的运行温度20K。固氮容器15内的固态氮用于保证超导线圈14使其在电流变化时系统不会失超。饼式高温超导线圈14通过导冷带11与二级冷头10相连，保证磁体3的运行温度。高温超导电流引线9通过一块导冷板安装在二级冷头10位置，在磁体3降至运行温度20K后，通过高温超导电流引线9给磁体3通电。失超保护装置13位于热辐射屏16下端盖，对磁体3进行失超保护。

图3所示是水平向超导磁体5的结构。水平向超导磁体5用于提供水平方向的磁力。水平向超导磁体4结构与垂直方向超导磁体4结构相同。线圈14水平放置，低温容器17设计上要适应线圈的安装，采用水平圆柱体和垂直圆柱体无缝焊接的结构工艺，如图3b，低温容器17的上部为竖直的圆柱体结构，下部为水平放置的圆柱体结构，水平放置的圆柱体结构中间有室温孔。水平向超导磁体外部由“E”形导磁铁轭18包围。下部的水平圆柱体结构中间的室温孔用于放置导磁铁轭18。

两个超导线圈3、4轴线相互垂直，保证产生两个独立方向的磁场，并消除磁场相互影响。在磁场控制计算机1的控制下，通过调整两个超导线圈3、4电流，在工作区平面内可以产生任意方向的磁场，达到不同方向除铁的效果。

图4a是优化后磁体参考外形，为磁体结构四分之一剖视图，优化后的超导线圈19为薄壁型结构，周围为导磁铁轭20。图4b是在550mm距离上，磁体相关尺寸优化后的一个实施实例径向磁场分布图。从图4b上可以看出，对于单个磁体而言，在550mm距离上，场强超过0.2T的区域半径超过0.6m，即有效工作区域面积能达到1m²以上，能够很好的满足除铁需要。