隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)提高，如今我國(guó)的銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)最高可以實(shí)現(xiàn)83%的導(dǎo)電率，同時(shí)強(qiáng)度達(dá)到620兆帕。我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)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(shí)速350公里，營(yíng)業(yè)里程3.6萬(wàn)公里，通達(dá)除西藏外的30個(gè)省區(qū)市……中國(guó)高鐵以驚人的速度和廣度一再刷新我國(guó)的“高鐵版圖”和紀(jì)錄。供電系統(tǒng)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(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。

天津中鐵電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司總工程師王立天團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“高速鐵路用高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)高鐵接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)的完全國(guó)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(yùn)行，證實(shí)其性能領(lǐng)跑“世界高鐵”。該項(xiàng)目也獲得2020年度國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，同時(shí)項(xiàng)目獲授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利32件，SCI論文31篇，主編國(guó)標(biāo)6項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)。

銅鎂導(dǎo)線(xiàn)已達(dá)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?cè)诟哞F站等車(chē)時(shí)，經(jīng)常會(huì)看到鐵路沿線(xiàn)上空架設(shè)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(yùn)行所需的電就是通過(guò)機(jī)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(duì)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(wěn)定受流，接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)就必須具有大張力和大載流能力，這就要求導(dǎo)線(xiàn)同時(shí)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?zhuān)?ldquo;當(dāng)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(yīng)增大。因此需要接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)具有高導(dǎo)電率。”

“在保證高電導(dǎo)率的同時(shí)，接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)還需要保證高強(qiáng)度。”王立天說(shuō)，列車(chē)在高速運(yùn)行中，受電弓和導(dǎo)線(xiàn)之間不能脫離，必須時(shí)刻緊密接觸。只有導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)不脫離。而提升導(dǎo)線(xiàn)的波動(dòng)傳播速度就必須提高導(dǎo)線(xiàn)的張力，在導(dǎo)線(xiàn)重量不變的情況下，就需要增加導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度，使導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)安全系數(shù)2.0以上。也就是說(shuō)，導(dǎo)線(xiàn)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(shí)提高強(qiáng)度和導(dǎo)電率是個(gè)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(shí)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(xiàn)研發(fā)難度極大，在王立天團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目實(shí)施前，我國(guó)高鐵接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)全部依賴(lài)進(jìn)口。

“當(dāng)時(shí)國(guó)際最先進(jìn)的銅鎂導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度在列車(chē)350公里時(shí)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(xiàn)。”王立天說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)“中國(guó)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(guó)開(kāi)始進(jìn)行高鐵建設(shè)的時(shí)候，王立天作為專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)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(dǎo)致能夠滿(mǎn)足工程需要的零缺陷超長(zhǎng)銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)制備成為公認(rèn)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(dāng)時(shí)雖然日、法、德等國(guó)投入巨資進(jìn)行研發(fā)，但均未實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用，且技術(shù)嚴(yán)密封鎖。

國(guó)外的技術(shù)封鎖讓王立天清楚地看到，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)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(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，做出中國(guó)自己的高強(qiáng)高導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)。

當(dāng)時(shí)我國(guó)連銅鎂導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)，困難可想而知。“真的是一切從零開(kāi)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(yùn)的是，團(tuán)隊(duì)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(duì)的幫助下，用了半年時(shí)間，團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室就研制出了銅鉻鋯材料導(dǎo)線(xiàn)的樣件，而且樣件的各項(xiàng)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(méi)過(guò)，王立天就發(fā)現(xiàn)，學(xué)校實(shí)驗(yàn)室的材料樣件研究和實(shí)現(xiàn)大長(zhǎng)度導(dǎo)線(xiàn)產(chǎn)業(yè)化之間相差了十萬(wàn)八千里，實(shí)驗(yàn)室里的研究工作量和難度只占整個(gè)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目全部工作量和難度的5%—10%，后面實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)時(shí)我們走遍全國(guó)，也找不到能進(jìn)行銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)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(shuō)，“可以說(shuō)，導(dǎo)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(dǎo)線(xiàn)所需各種設(shè)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(tuán)隊(duì)就嘗試了多種工藝路徑，關(guān)于爐壁材料的選擇，團(tuán)隊(duì)也選擇了十幾種進(jìn)行試驗(yàn)。

“最難的是冶煉爐結(jié)晶器的研發(fā)，當(dāng)時(shí)合金坯桿鑄造出來(lái)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(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(yàn)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(yīng)用，咱們?cè)趺纯赡苎芯砍鰜?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(fù)有心人，一次試驗(yàn)中“險(xiǎn)些造成事故的意外”，讓冒著生命危險(xiǎn)留守在冶煉現(xiàn)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(dǎo)段進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)，最高運(yùn)行時(shí)速達(dá)到486.1公里的世界最高營(yíng)運(yùn)試驗(yàn)速度，其中，高強(qiáng)高導(dǎo)的銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)功不可沒(méi)。

“經(jīng)測(cè)試，我們自主研發(fā)生產(chǎn)的銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)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(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(jié)更簡(jiǎn)化，因此成本要低很多。

目前我國(guó)生產(chǎn)銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)的工藝水平實(shí)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(xiàn)，并且導(dǎo)線(xiàn)大長(zhǎng)度連續(xù)中間沒(méi)有任何缺陷。為了保證導(dǎo)線(xiàn)的安全性，導(dǎo)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)�由于我�?guó)的高速鐵路遍布祖國(guó)各地，有些鐵路地處污穢、海邊等環(huán)境，因此對(duì)導(dǎo)線(xiàn)的耐腐蝕性要求非常高。同時(shí)摩擦生熱，當(dāng)列車(chē)高速行駛的時(shí)候，就會(huì)與接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)摩擦生熱。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)溫度到達(dá)100攝氏度時(shí)，導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度會(huì)下降。而我們的銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)因?yàn)椴馁|(zhì)和工藝，100攝氏度的溫度反而會(huì)使導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)強(qiáng)度一般也會(huì)下降20%左右，而我們的鉻鋯銅導(dǎo)線(xiàn)強(qiáng)度只會(huì)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(guó)的銅鉻鋯導(dǎo)線(xiàn)最高可以實(shí)現(xiàn)83%的導(dǎo)電率，同時(shí)強(qiáng)度達(dá)到620兆帕。“目前準(zhǔn)備開(kāi)始建設(shè)的重慶到成都的高鐵時(shí)速可達(dá)400公里，這比現(xiàn)有的350公里/小時(shí)高鐵對(duì)各項(xiàng)技術(shù)的要求提升一個(gè)級(jí)別。”王立天對(duì)此充滿(mǎn)信心，他表示，這次我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高強(qiáng)高導(dǎo)接觸網(wǎng)導(dǎo)線(xiàn)完全可以為新高鐵的建設(shè)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

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