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国产“双高”导线让中国高铁“电力十足”

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随着技术的不断改进提高,如今我国的铜铬锆导线最高可以实现83%的导电率,同时强度达到620兆帕。我国具有自主知识产权的高强高导接触网导线完全可以为新高铁的建设提供强有力的技术支撑。

时速350公里,营业里程3.6万公里,通达除西藏外的30个省区市……中国高铁以惊人的速度和广度一再刷新我国的“高铁版图”和纪录。供电系统作为高铁列车的“心脏”,在为列车提供源源不断的动力的同时,也是确保列车安全、高速、可靠、稳定运行的关键。

天津中铁电气化设计研究院有限公司总工程师王立天团队研发的“高速铁路用高强高导接触网导线关键技术及应用”,实现了我国高铁接触网导线的完全国产化。该成果经过10年在京沪、京津、京张、成渝等1.3万公里的高铁线路上的“挂网”运行,证实其性能领跑“世界高铁”。该项目也获得2020年度国家科技进步奖二等奖,同时项目获授权发明专利32件,SCI论文31篇,主编国标6项、行业标准2项。

铜镁导线已达安全极限

俗话说,火车跑得快,全靠车头带。那么“车头”的牵引动力来自于哪呢?

“人们在高铁站等车时,经常会看到铁路沿线上空架设的输电线路,这些输电线路就是高速铁路接触网,高铁列车运行所需的电就是通过机车上端的接触网来输送。”王立天介绍,接触网一旦停电或列车受电弓与接触网接触不良,就会对列车的供电产生影响。

同时,制约高速列车速度提升的三大核心技术瓶颈之一也是弓网的受流能力。为了保证高速行驶下的列车稳定受流,接触网导线就必须具有大张力和大载流能力,这就要求导线同时具有高强度和高电导率,还要保证接触网轻量化,不能给工程方面增加投入。

王立天解释:“当列车行驶速度为300公里/小时以上时,它所受的阻力90%以上都来自风阻,而风阻与速度的平方成正比,列车所需的功率就与速度的三次方成正比。功率变大后,在电压不变的情况下,电流也相应增大。因此需要接触网导线具有高导电率。”

“在保证高电导率的同时,接触网导线还需要保证高强度。”王立天说,列车在高速运行中,受电弓和导线之间不能脱离,必须时刻紧密接触。只有导线的波动传播速度大于列车速度的1.4倍,才能保证受电弓和接触网导线不脱离。而提升导线的波动传播速度就必须提高导线的张力,在导线重量不变的情况下,就需要增加导线强度,使导线强度达到国家标准安全系数2.0以上。也就是说,导线所能承受的最大拉断力需要达到应用所需拉力的2倍以上强度才能保证安全。

要想同时提高强度和导电率是个巨大的挑战。众所周知,在铜合金材料中,导电率和强度成反比,同时提高导电率和强度非常困难,因此高铁接触网导线研发难度极大,在王立天团队项目实施前,我国高铁接触网导线全部依赖进口。

“当时国际最先进的铜镁导线强度在列车350公里时速下已达安全极限,想要进一步提速必须研发下一代更高强度和更高导电率的铜铬锆接触网导线。”王立天说,要想实现“中国速度”,这道坎必须要跨过去。

研发、产业化一切从零开始

早在2006年,我国开始进行高铁建设的时候,王立天作为专家团队的一员,就开始接触到这一领域。

“由于铬锆合金元素高活性、高挥发的特性,导致能够满足工程需要的零缺陷超长铜铬锆导线制备成为公认的世界难题,被誉为高铁牵引供电技术‘皇冠上的明珠’。”王立天说,当时虽然日、法、德等国投入巨资进行研发,但均未实现工程应用,且技术严密封锁。

国外的技术封锁让王立天清楚地看到,为实现我国高铁技术的突破,就必须自立自强,进行自主创新,把铜铬锆接触网导线国产化,做出中国自己的高强高导导线。

当时我国连铜镁导线都是依赖进口,要研制技术难度高出一大截的铜铬锆导线,困难可想而知。“真的是一切从零开始,检索文献资料,可以借鉴的内容少得可怜。”王立天回忆,幸运的是,团队找到了浙江大学研究高导高强度材料的孟亮教授。在孟亮教授团队的帮助下,用了半年时间,团队在实验室就研制出了铜铬锆材料导线的样件,而且样件的各项参数指标非常优异,导电率达到80%以上,强度达到620兆帕。

可兴奋劲儿还没过,王立天就发现,学校实验室的材料样件研究和实现大长度导线产业化之间相差了十万八千里,实验室里的研究工作量和难度只占整个产业化项目全部工作量和难度的5%—10%,后面实现产业化的技术难度远远超乎团队的想象。

王立天介绍,金属冶炼加工行业的所有流程基本上分为四部分,第一部分是冶炼技术,第二部分是铸造技术,第三部分是硬变强化金属加工技术,第四部分是热处理技术。

“其中第一和第二部分是最为关键也是最难实现的。当时我们走遍全国,也找不到能进行铜铬锆导线冶炼和铸造的设备,所有的工装设备必须自己研制。”王立天说,“可以说,导线产业化的研发过程就是研发生产制造导线所需各种设备、流程工艺的过程。”

王立天举例说,比如冶炼炉,为了避免铬锆合金挥发,团队就尝试了多种工艺路径,关于炉壁材料的选择,团队也选择了十几种进行试验。

“最难的是冶炼炉结晶器的研发,当时合金坯杆铸造出来后,表面非常粗糙且有裂纹,内有气孔,而且内部合金组分不合格,怎么调整数据都没有用。”王立天回忆,天天守在1000多摄氏度的冶炼炉边,一次次实验失败,让很多参研人员开始动摇。有人说,日本都研究近20年了,产品还没投入应用,咱们怎么可能研究出来。

但王立天没有动摇,依旧每天守在冶炼炉旁,终于功夫不负有心人,一次试验中“险些造成事故的意外”,让冒着生命危险留守在冶炼现场的王立天,终于“捅破这层窗户纸”,解决了整个研发过程中难度最大的技术问题。

产品性能全世界领先

2010年12月,京沪高铁先导段进行了联调联试和综合试验,最高运行时速达到486.1公里的世界最高营运试验速度,其中,高强高导的铜铬锆导线功不可没。

“经测试,我们自主研发生产的铜铬锆导线导电率达到75%,强度也达到了560兆帕,性能可以与日本同一时期上线的同类产品‘打成平手’,而欧美此时还没有同类产品研制出来。”王立天自豪地说,而且由于我们的产品生产环节更简化,因此成本要低很多。

目前我国生产铜铬锆导线的工艺水平实现了可连续挤压、连续拉拔生产两吨铜铬锆导线,并且导线大长度连续中间没有任何缺陷。为了保证导线的安全性,导线还具有很高的耐腐蚀性、耐烧蚀性以及良好的高温特性。王立天进一步解释,由于我国的高速铁路遍布祖国各地,有些铁路地处污秽、海边等环境,因此对导线的耐腐蚀性要求非常高。同时摩擦生热,当列车高速行驶的时候,就会与接触网导线摩擦生热。一般来说,当温度到达100摄氏度时,导线强度会下降。而我们的铜铬锆导线因为材质和工艺,100摄氏度的温度反而会使导线在一定范围内强度增加。此外,高温冷却后,其他合金导线强度一般也会下降20%左右,而我们的铬锆铜导线强度只会下降5%左右,具有优异的高温特性。

随着技术的不断改进提高,如今我国的铜铬锆导线最高可以实现83%的导电率,同时强度达到620兆帕。“目前准备开始建设的重庆到成都的高铁时速可达400公里,这比现有的350公里/小时高铁对各项技术的要求提升一个级别。”王立天对此充满信心,他表示,这次我国具有自主知识产权的高强高导接触网导线完全可以为新高铁的建设提供强有力的技术支撑。

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