國產(chǎn)“雙高”導線(xiàn)讓中國高鐵“電力十足”
隨著(zhù)技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，如今我國的銅鉻鋯導線(xiàn)最高可以實(shí)現83%的導電率，同時(shí)強度達到620兆帕。我國具有自主知識產(chǎn)權的高強高導接觸網(wǎng)導線(xiàn)完全可以為新高鐵的建設提供強有力的技術(shù)支撐。
時(shí)速350公里，營(yíng)業(yè)里程3.6萬(wàn)公里，通達除西藏外的30個(gè)省區市……中國高鐵以驚人的速度和廣度一再刷新我國的“高鐵版圖”和紀錄。供電系統作為高鐵列車(chē)的“心臟”,在為列車(chē)提供源源不斷的動(dòng)力的同時(shí)，也是確保列車(chē)安全、高速、可靠、穩定運行的關(guān)鍵。
天津中鐵電氣化設計研究院有限公司總工程師王立天團隊研發(fā)的“高速鐵路用高強高導接觸網(wǎng)導線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應用”,實(shí)現了我國高鐵接觸網(wǎng)導線(xiàn)的完全國產(chǎn)化。該成果經(jīng)過(guò)10年在京滬、京津、京張、成渝等1.3萬(wàn)公里的高鐵線(xiàn)路上的“掛網(wǎng)”運行，證實(shí)其性能領(lǐng)跑“世界高鐵”.該項目也獲得2020年度國家科技進(jìn)步獎二等獎，同時(shí)項目獲授權發(fā)明專(zhuān)利32件，SCI論文31篇，主編國標6項、行業(yè)標準2項。
銅鎂導線(xiàn)已達安全極限
俗話(huà)說(shuō)，火車(chē)跑得快，全靠車(chē)頭帶。那么“車(chē)頭”的牽引動(dòng)力來(lái)自于哪呢？
“人們在高鐵站等車(chē)時(shí)，經(jīng)常會(huì )看到鐵路沿線(xiàn)上空架設的輸電線(xiàn)路，這些輸電線(xiàn)路就是高速鐵路接觸網(wǎng)，高鐵列車(chē)運行所需的電就是通過(guò)機車(chē)上端的接觸網(wǎng)來(lái)輸送。”王立天介紹，接觸網(wǎng)一旦停電或列車(chē)受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良，就會(huì )對列車(chē)的供電產(chǎn)生影響。
同時(shí)，制約高速列車(chē)速度提升的三大核心技術(shù)瓶頸之一也是弓網(wǎng)的受流能力。為了保證高速行駛下的列車(chē)穩定受流，接觸網(wǎng)導線(xiàn)就必須具有大張力和大載流能力，這就要求導線(xiàn)同時(shí)具有高強度和高電導率，還要保證接觸網(wǎng)輕量化，不能給工程方面增加投入。
王立天解釋?zhuān)?ldquo;當列車(chē)行駛速度為300公里/小時(shí)以上時(shí)，它所受的阻力90%以上都來(lái)自風(fēng)阻，而風(fēng)阻與速度的平方成正比，列車(chē)所需的功率就與速度的三次方成正比。功率變大后，在電壓不變的情況下，電流也相應增大。因此需要接觸網(wǎng)導線(xiàn)具有高導電率。”
“在保證高電導率的同時(shí)，接觸網(wǎng)導線(xiàn)還需要保證高強度。”王立天說(shuō)，列車(chē)在高速運行中，受電弓和導線(xiàn)之間不能脫離，必須時(shí)刻緊密接觸。只有導線(xiàn)的波動(dòng)傳播速度大于列車(chē)速度的1.4倍，才能保證受電弓和接觸網(wǎng)導線(xiàn)不脫離。而提升導線(xiàn)的波動(dòng)傳播速度就必須提高導線(xiàn)的張力，在導線(xiàn)重量不變的情況下，就需要增加導線(xiàn)強度，使導線(xiàn)強度達到國家標準安全系數2.0以上。也就是說(shuō)，導線(xiàn)所能承受的最大拉斷力需要達到應用所需拉力的2倍以上強度才能保證安全。
要想同時(shí)提高強度和導電率是個(gè)巨大的挑戰。眾所周知，在銅合金材料中，導電率和強度成反比，同時(shí)提高導電率和強度非常困難，因此高鐵接觸網(wǎng)導線(xiàn)研發(fā)難度極大，在王立天團隊項目實(shí)施前，我國高鐵接觸網(wǎng)導線(xiàn)全部依賴(lài)進(jìn)口。
“當時(shí)國際最先進(jìn)的銅鎂導線(xiàn)強度在列車(chē)350公里時(shí)速下已達安全極限，想要進(jìn)一步提速必須研發(fā)下一代更高強度和更高導電率的銅鉻鋯接觸網(wǎng)導線(xiàn)。”王立天說(shuō)，要想實(shí)現“中國速度”,這道坎必須要跨過(guò)去。
研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化一切從零開(kāi)始
早在2006年，我國開(kāi)始進(jìn)行高鐵建設的時(shí)候，王立天作為專(zhuān)家團隊的一員，就開(kāi)始接觸到這一領(lǐng)域。
“由于鉻鋯合金元素高活性、高揮發(fā)的特性，導致能夠滿(mǎn)足工程需要的零缺陷超長(cháng)銅鉻鋯導線(xiàn)制備成為公認的世界難題，被譽(yù)為高鐵牽引供電技術(shù)‘皇冠上的明珠'.”王立天說(shuō)，當時(shí)雖然日、法、德等國投入巨資進(jìn)行研發(fā)，但均未實(shí)現工程應用，且技術(shù)嚴密封鎖。
國外的技術(shù)封鎖讓王立天清楚地看到，為實(shí)現我國高鐵技術(shù)的突破，就必須自立自強，進(jìn)行自主創(chuàng )新，把銅鉻鋯接觸網(wǎng)導線(xiàn)國產(chǎn)化，做出中國自己的高強高導導線(xiàn)。
當時(shí)我國連銅鎂導線(xiàn)都是依賴(lài)進(jìn)口，要研制技術(shù)難度高出一大截的銅鉻鋯導線(xiàn)，困難可想而知。“真的是一切從零開(kāi)始，檢索文獻資料，可以借鑒的內容少得可憐。”王立天回憶，幸運的是，團隊找到了浙江大學(xué)研究高導高強度材料的孟亮教授。在孟亮教授團隊的幫助下，用了半年時(shí)間，團隊在實(shí)驗室就研制出了銅鉻鋯材料導線(xiàn)的樣件，而且樣件的各項參數指標非常優(yōu)異，導電率達到80%以上，強度達到620兆帕。
可興奮勁兒還沒(méi)過(guò)，王立天就發(fā)現，學(xué)校實(shí)驗室的材料樣件研究和實(shí)現大長(cháng)度導線(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之間相差了十萬(wàn)八千里，實(shí)驗室里的研究工作量和難度只占整個(gè)產(chǎn)業(yè)化項目全部工作量和難度的5%-10%,后面實(shí)現產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難度遠遠超乎團隊的想象。
王立天介紹，金屬冶煉加工行業(yè)的所有流程基本上分為四部分，第一部分是冶煉技術(shù)，第二部分是鑄造技術(shù)，第三部分是硬變強化金屬加工技術(shù)，第四部分是熱處理技術(shù)。
“其中第一和第二部分是最為關(guān)鍵也是最難實(shí)現的。當時(shí)我們走遍全國，也找不到能進(jìn)行銅鉻鋯導線(xiàn)冶煉和鑄造的設備，所有的工裝設備必須自己研制。”王立天說(shuō)，“可以說(shuō)，導線(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)過(guò)程就是研發(fā)生產(chǎn)制造導線(xiàn)所需各種設備、流程工藝的過(guò)程。”
王立天舉例說(shuō)，比如冶煉爐，為了避免鉻鋯合金揮發(fā)，團隊就嘗試了多種工藝路徑，關(guān)于爐壁材料的選擇，團隊也選擇了十幾種進(jìn)行試驗。
“最難的是冶煉爐結晶器的研發(fā)，當時(shí)合金坯桿鑄造出來(lái)后，表面非常粗糙且有裂紋，內有氣孔，而且內部合金組分不合格，怎么調整數據都沒(méi)有用。”王立天回憶，天天守在1000多攝氏度的冶煉爐邊，一次次實(shí)驗失敗，讓很多參研人員開(kāi)始動(dòng)搖。有人說(shuō)，日本都研究近20年了，產(chǎn)品還沒(méi)投入應用，咱們怎么可能研究出來(lái)。
但王立天沒(méi)有動(dòng)搖，依舊每天守在冶煉爐旁，終于功夫不負有心人，一次試驗中“險些造成事故的意外”,讓冒著(zhù)生命危險留守在冶煉現場(chǎng)的王立天，終于“捅破這層窗戶(hù)紙”,解決了整個(gè)研發(fā)過(guò)程中難度最大的技術(shù)問(wèn)題。
產(chǎn)品性能全世界領(lǐng)先
2010年12月，京滬高鐵先導段進(jìn)行了聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗，最高運行時(shí)速達到486.1公里的世界最高營(yíng)運試驗速度，其中，高強高導的銅鉻鋯導線(xiàn)功不可沒(méi)。
“經(jīng)測試，我們自主研發(fā)生產(chǎn)的銅鉻鋯導線(xiàn)導電率達到75%,強度也達到了560兆帕，性能可以與日本同一時(shí)期上線(xiàn)的同類(lèi)產(chǎn)品’打成平手‘,而歐美此時(shí)還沒(méi)有同類(lèi)產(chǎn)品研制出來(lái)。”王立天自豪地說(shuō)，而且由于我們的產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節更簡(jiǎn)化，因此成本要低很多。
目前我國生產(chǎn)銅鉻鋯導線(xiàn)的工藝水平實(shí)現了可連續擠壓、連續拉拔生產(chǎn)兩噸銅鉻鋯導線(xiàn)，并且導線(xiàn)大長(cháng)度連續中間沒(méi)有任何缺陷。為了保證導線(xiàn)的安全性，導線(xiàn)還具有很高的耐腐蝕性、耐燒蝕性以及良好的高溫特性。王立天進(jìn)一步解釋?zhuān)捎谖覈母咚勹F路遍布祖國各地，有些鐵路地處污穢、海邊等環(huán)境，因此對導線(xiàn)的耐腐蝕性要求非常高。同時(shí)摩擦生熱，當列車(chē)高速行駛的時(shí)候，就會(huì )與接觸網(wǎng)導線(xiàn)摩擦生熱。一般來(lái)說(shuō)，當溫度到達100攝氏度時(shí)，導線(xiàn)強度會(huì )下降。而我們的銅鉻鋯導線(xiàn)因為材質(zhì)和工藝，100攝氏度的溫度反而會(huì )使導線(xiàn)在一定范圍內強度增加。此外，高溫冷卻后，其他合金導線(xiàn)強度一般也會(huì )下降20%左右，而我們的鉻鋯銅導線(xiàn)強度只會(huì )下降5%左右，具有優(yōu)異的高溫特性。
隨著(zhù)技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，如今我國的銅鉻鋯導線(xiàn)最高可以實(shí)現83%的導電率，同時(shí)強度達到620兆帕。“目前準備開(kāi)始建設的重慶到成都的高鐵時(shí)速可達400公里，這比現有的350公里/小時(shí)高鐵對各項技術(shù)的要求提升一個(gè)級別。”王立天對此充滿(mǎn)信心，他表示，這次我國具有自主知識產(chǎn)權的高強高導接觸網(wǎng)導線(xiàn)完全可以為新高鐵的建設提供強有力的技術(shù)支撐。（記者 陳曦）
