國產(chǎn)“雙高”導(dǎo)線讓中國高鐵“電力十足”
隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，如今我國的銅鉻鋯導(dǎo)線最高可以實現(xiàn)83%的導(dǎo)電率，同時強(qiáng)度達(dá)到620兆帕。我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線完全可以為新高鐵的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
時速350公里，營業(yè)里程3.6萬公里，通達(dá)除西藏外的30個省區(qū)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(jì)錄。供電系統(tǒng)作為高鐵列車的“心臟”,在為列車提供源源不斷的動力的同時，也是確保列車安全、高速、可靠、穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。
天津中鐵電氣化設(shè)計研究院有限公司總工程師王立天團(tuán)隊研發(fā)的“高速鐵路用高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”,實現(xiàn)了我國高鐵接觸網(wǎng)導(dǎo)線的完全國產(chǎn)化。該成果經(jīng)過10年在京滬、京津、京張、成渝等1.3萬公里的高鐵線路上的“掛網(wǎng)”運行，證實其性能領(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，同時項目獲授權(quán)發(fā)明專利32件，SCI論文31篇，主編國標(biāo)6項、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項。
銅鎂導(dǎo)線已達(dá)安全極限
俗話說，火車跑得快，全靠車頭帶。那么“車頭”的牽引動力來自于哪呢？
“人們在高鐵站等車時，經(jīng)常會看到鐵路沿線上空架設(shè)的輸電線路，這些輸電線路就是高速鐵路接觸網(wǎng)，高鐵列車運行所需的電就是通過機(jī)車上端的接觸網(wǎng)來輸送。”王立天介紹，接觸網(wǎng)一旦停電或列車受電弓與接觸網(wǎng)接觸不良，就會對列車的供電產(chǎn)生影響。
同時，制約高速列車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穩(wěn)定受流，接觸網(wǎng)導(dǎo)線就必須具有大張力和大載流能力，這就要求導(dǎo)線同時具有高強(qiáng)度和高電導(dǎo)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：“當(dāng)列車行駛速度為300公里/小時以上時，它所受的阻力90%以上都來自風(fēng)阻，而風(fēng)阻與速度的平方成正比，列車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(yīng)增大。因此需要接觸網(wǎng)導(dǎo)線具有高導(dǎo)電率。”
“在保證高電導(dǎo)率的同時，接觸網(wǎng)導(dǎo)線還需要保證高強(qiáng)度。”王立天說，列車在高速運行中，受電弓和導(dǎo)線之間不能脫離，必須時刻緊密接觸。只有導(dǎo)線的波動傳播速度大于列車速度的1.4倍，才能保證受電弓和接觸網(wǎng)導(dǎo)線不脫離。而提升導(dǎo)線的波動傳播速度就必須提高導(dǎo)線的張力，在導(dǎo)線重量不變的情況下，就需要增加導(dǎo)線強(qiáng)度，使導(dǎo)線強(qiáng)度達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)2.0以上。也就是說，導(dǎo)線所能承受的最大拉斷力需要達(dá)到應(yīng)用所需拉力的2倍以上強(qiáng)度才能保證安全。
要想同時提高強(qiáng)度和導(dǎo)電率是個巨大的挑戰(zhàn)。眾所周知，在銅合金材料中，導(dǎo)電率和強(qiáng)度成反比，同時提高導(dǎo)電率和強(qiáng)度非常困難，因此高鐵接觸網(wǎng)導(dǎo)線研發(fā)難度極大，在王立天團(tuán)隊項目實施前，我國高鐵接觸網(wǎng)導(dǎo)線全部依賴進(jìn)口。
“當(dāng)時國際最先進(jìn)的銅鎂導(dǎo)線強(qiáng)度在列車350公里時速下已達(dá)安全極限，想要進(jìn)一步提速必須研發(fā)下一代更高強(qiáng)度和更高導(dǎo)電率的銅鉻鋯接觸網(wǎng)導(dǎo)線。”王立天說，要想實現(xiàn)“中國速度”,這道坎必須要跨過去。
研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化一切從零開始
早在2006年，我國開始進(jìn)行高鐵建設(shè)的時候，王立天作為專家團(tuán)隊的一員，就開始接觸到這一領(lǐng)域。
“由于鉻鋯合金元素高活性、高揮發(fā)的特性，導(dǎo)致能夠滿足工程需要的零缺陷超長銅鉻鋯導(dǎo)線制備成為公認(rèn)的世界難題，被譽為高鐵牽引供電技術(shù)‘皇冠上的明珠'.”王立天說，當(dāng)時雖然日、法、德等國投入巨資進(jìn)行研發(fā)，但均未實現(xiàn)工程應(yīng)用，且技術(shù)嚴(yán)密封鎖。
國外的技術(shù)封鎖讓王立天清楚地看到，為實現(xiàn)我國高鐵技術(shù)的突破，就必須自立自強(qiáng)，進(jìn)行自主創(chuàng)新，把銅鉻鋯接觸網(wǎng)導(dǎo)線國產(chǎn)化，做出中國自己的高強(qiáng)高導(dǎo)導(dǎo)線。
當(dāng)時我國連銅鎂導(dǎo)線都是依賴進(jìn)口，要研制技術(shù)難度高出一大截的銅鉻鋯導(dǎo)線，困難可想而知。“真的是一切從零開始，檢索文獻(xiàn)資料，可以借鑒的內(nèi)容少得可憐。”王立天回憶，幸運的是，團(tuán)隊找到了浙江大學(xué)研究高導(dǎo)高強(qiáng)度材料的孟亮教授。在孟亮教授團(tuán)隊的幫助下，用了半年時間，團(tuán)隊在實驗室就研制出了銅鉻鋯材料導(dǎo)線的樣件，而且樣件的各項參數(shù)指標(biāo)非常優(yōu)異，導(dǎo)電率達(dá)到80%以上，強(qiáng)度達(dá)到620兆帕。
可興奮勁兒還沒過，王立天就發(fā)現(xiàn)，學(xué)校實驗室的材料樣件研究和實現(xiàn)大長度導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)化之間相差了十萬八千里，實驗室里的研究工作量和難度只占整個產(chǎn)業(yè)化項目全部工作量和難度的5%-10%,后面實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎團(tuán)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(qiáng)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)鍵也是最難實現(xiàn)的。當(dāng)時我們走遍全國，也找不到能進(jìn)行銅鉻鋯導(dǎo)線冶煉和鑄造的設(shè)備，所有的工裝設(shè)備必須自己研制。”王立天說，“可以說，導(dǎo)線產(chǎn)業(yè)化的研發(fā)過程就是研發(fā)生產(chǎn)制造導(dǎo)線所需各種設(shè)備、流程工藝的過程。”
王立天舉例說，比如冶煉爐，為了避免鉻鋯合金揮發(fā)，團(tuán)隊就嘗試了多種工藝路徑，關(guān)于爐壁材料的選擇，團(tuán)隊也選擇了十幾種進(jìn)行試驗。
“最難的是冶煉爐結(jié)晶器的研發(fā)，當(dāng)時合金坯桿鑄造出來后，表面非常粗糙且有裂紋，內(nèi)有氣孔，而且內(nèi)部合金組分不合格，怎么調(diào)整數(shù)據(jù)都沒有用。”王立天回憶，天天守在1000多攝氏度的冶煉爐邊，一次次實驗失敗，讓很多參研人員開始動搖。有人說，日本都研究近20年了，產(chǎn)品還沒投入應(yīng)用，咱們怎么可能研究出來。
但王立天沒有動搖，依舊每天守在冶煉爐旁，終于功夫不負(fù)有心人，一次試驗中“險些造成事故的意外”,讓冒著生命危險留守在冶煉現(xiàn)場的王立天，終于“捅破這層窗戶紙”,解決了整個研發(fā)過程中難度最大的技術(shù)問題。
產(chǎn)品性能全世界領(lǐng)先
2010年12月，京滬高鐵先導(dǎo)段進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗，最高運行時速達(dá)到486.1公里的世界最高營運試驗速度，其中，高強(qiáng)高導(dǎo)的銅鉻鋯導(dǎo)線功不可沒。
“經(jīng)測試，我們自主研發(fā)生產(chǎn)的銅鉻鋯導(dǎo)線導(dǎo)電率達(dá)到75%,強(qiáng)度也達(dá)到了560兆帕，性能可以與日本同一時期上線的同類產(chǎn)品’打成平手‘,而歐美此時還沒有同類產(chǎn)品研制出來。”王立天自豪地說，而且由于我們的產(chǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)更簡化，因此成本要低很多。
目前我國生產(chǎn)銅鉻鋯導(dǎo)線的工藝水平實現(xiàn)了可連續(xù)擠壓、連續(xù)拉拔生產(chǎn)兩噸銅鉻鋯導(dǎo)線，并且導(dǎo)線大長度連續(xù)中間沒有任何缺陷。為了保證導(dǎo)線的安全性，導(dǎo)線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，由于我國的高速鐵路遍布祖國各地，有些鐵路地處污穢、海邊等環(huán)境，因此對導(dǎo)線的耐腐蝕性要求非常高。同時摩擦生熱，當(dāng)列車高速行駛的時候，就會與接觸網(wǎng)導(dǎo)線摩擦生熱。一般來說，當(dāng)溫度到達(dá)100攝氏度時，導(dǎo)線強(qiáng)度會下降。而我們的銅鉻鋯導(dǎo)線因為材質(zhì)和工藝，100攝氏度的溫度反而會使導(dǎo)線在一定范圍內(nèi)強(qiáng)度增加。此外，高溫冷卻后，其他合金導(dǎo)線強(qiáng)度一般也會下降20%左右，而我們的鉻鋯銅導(dǎo)線強(qiáng)度只會下降5%左右，具有優(yōu)異的高溫特性。
隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，如今我國的銅鉻鋯導(dǎo)線最高可以實現(xiàn)83%的導(dǎo)電率，同時強(qiáng)度達(dá)到620兆帕。“目前準(zhǔn)備開始建設(shè)的重慶到成都的高鐵時速可達(dá)400公里，這比現(xiàn)有的350公里/小時高鐵對各項技術(shù)的要求提升一個級別。”王立天對此充滿信心，他表示，這次我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線完全可以為新高鐵的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。（記者 陳曦）
