在铝合金挤压型材生产过程中,通常需要采用电磁感应加热的方法进行预热处理,传统的交流感应加热技术在加热铝、铜等非铁磁材料方面效率较低,仅为40-45%,电能浪费严重,同时还存在加热不均匀等问题。采用高温超导磁体开发直流感应加热装置,系统效率可以高于85%,不仅具有节能、环保的优点,而且同时具备加热均匀、加热质量高的优势,具有广阔的市场前景,是当前国际高温超导应用研究的一个热点。兆瓦级高温超导直流感应加热装置在预加热铝工程应用中的很多关键技术需深入研究。针对设计中遇到诸多新的技术挑战,搭建了1#实验原型机,即小口径超导线圈磁体实验原型机,用于磁体设计模型验证和保护电路验证;同时搭建了2#实验原型机,即小功率10 k W感应加热实验原型机,用于尖峰转矩特性验证和温度梯度特性验证。基于1#、2#实验原型机的验证结果,对兆瓦级超导直流感应加热装置样机的关键技术进行深入分析。本文主要对开发中的技术难点,重点研究了四个关键技术:1)重点研究了含铁芯超导磁体的设计和优化。针对含铁芯的磁体体积大、电感容量大、超导带材用量大的特点,对超导磁体的参数进行优化时,主要包括带材用量优化设计及磁体尺寸优化。首先建立兆瓦级超导直流感应加热的仿真模型,给出优化目标,并给出了仿真计算的优化结果。2)应用于直流感应加热的高温超导磁体的失超保护设计技术。通过仿真计算得出,大口径含铁芯超导磁体的电感大于100 H,对失超保护系统的设计带来挑战。结合感应加热装置超导磁体的特点,提出采用主动型保护方式。通过1#实验原型机,即小口径超导线圈磁体实验原型机,对该保护方式进行了仿真和实验验证。同时考虑不同封装层材料及不同厚度对失超检测电压阈值的设置、失超保护时间的选择等关键设计参数的影响进行分析,分析结果可作为失超保护系统的电气保护整定的设计依据。3)铝锭起动过程中的尖峰转矩问题。主要提出了基于飞轮储能方案的驱动技术。先介绍基于飞轮储能的用于铝锭驱动的系统架构。基于动力学方程,建立驱动系统MATLAB/Simulink仿真,分析飞轮接合过程中的耦合系统的转速、转矩和功率的动态特性,研究了飞轮的转动惯量与最小接合前转速等参数对起动动态过程的影响。本文对基于飞轮储能的驱动方案的可行性进行了较为系统的研究,为降低驱动系统的成本提供了重要的理论分析参考。4)通过调节气隙磁场实现加热铝锭轴向温度梯度的控制。针对要求实现铝锭轴向温度梯度大于100°C的设计要求,提出了可调梯度气隙磁体结构,可实现灵活调整磁体的铁芯位置。通过2#实验原型机,即小功率10 k W感应加热实验原型机,验证可调梯度气隙结构的超导直流感应加热装置的应用可行性,同时还分析了在不同梯度气隙、不同待加热锭料的情况下,对温度梯度特性的影响。最后分析了高温超导直流感应加热装置的经济性。构建了兆瓦级高温超导感应加热装置经济性的评估模型,所考虑的经济性指标包括净现值、内部收益率和投资回收期等,同时还研究了三种功率级别,三种不同转矩技术方案、不同铝锭参数等条件对系统经济性的影响。本文通过对四个关键技术的研究,得出最优YBCO带材长度20.26 km,飞轮储能驱动方案可解决尖峰转矩的起动困难,可调气隙磁体方案可满足温度梯度大于100oC的设计要求。这些结论将为高温超导直流感应加热装置的设计及应用提供重要的参考依据。