Riscaldamento ad induzione di billette di alluminio 
tramite un magnete a sella superconduttivo 
in regime quasi-stazionario

Il riscaldamento ad induzione è largamente utilizzato nei processi di lavorazione dell’alluminio per pre-riscaldare le billette semilavorate prima della fase di estrusione. Per evitare fratture o fusioni locali durante l’estrusione è essenziale che la temperatura della billetta sia uniforme: su un valore tipico di 500°C è ammessa una variazione del ± 2.5%. Per i riscaldatori ad induzione in AC convenzionali, a causa dell’elevata conducibilità dell’alluminio, il rendimento è nell’ordine del 50-60%. Per incrementarne il valore è stata studiata una tecnica innovativa che consiste nel far ruotare la billetta, tramite un motore esterno, nel campo magnetico stazionario prodotto da un magnete in DC superconduttore: la f.e.m. indotta causa la circolazione di correnti nella billetta che, interagendo con il campo del magnete, generano una coppia frenante e dissipano potenza per effetto Joule. Poiché in regime stazionario le perdite nel superconduttore sono nulle, la potenza meccanica fornita dal motore si converte completamente in potenza termica ed il rendimento del processo coincide col rendimento del motore stesso, che nel range del MW supera il 90 %.

Al fine di studiare il processo di riscaldamento, presso il Laboratorio di Superconduttività dell’Università di Bologna si è sviluppato un modello numerico basato sul metodo della rete elettrica equivalente i cui parametri dipendono dalla temperatura. La simulazione mostra che una distribuzione di temperatura appropriata si può ottenere esponendo la billetta (lunghezza 1m, diametro 0.2 m) ad un campo uniforme di 0.7 T nella zona centrale e di 0.87 T sulle testate. La Figura 1 mostra la geometria del magnete che consente di ottenere tale profilo di campo. Tale magnete a sella, ottimizzato tramite un algoritmo evolutivo,  è realizzabile con un cavo superconduttore commerciale. La Figura 2 mostra la distribuzione di temperatura nella billetta alla fine del processo di riscaldamento (300s). Il valore del coefficiente di scambio termico utilizzato è stato dedotto tramite relazioni semi-empiriche verificate sperimentalmente. Le correnti indotte nella billetta producono un campo di reazione sul magnete trascurabile rispetto all’autocampo.  Le perdite associate alla f.e.m. indotta nell’avvolgimento del magnete sono ritenute sufficientemente piccole da consentire il funzionamento del magnete in modalità persistente.