國產“雙高”導線讓中國高鐵“電力十足”

陳曦

時速350公里，營業(yè)里程3.6萬公里，通達除西藏外的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導線關鍵技術及應用”，實現(xiàn)了我國高鐵接觸網導線的完全國產化。該成果經過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”運行，證實其性能領跑“世界高鐵”。該項目也獲得2020年度國家科技進步獎二等獎，同時項目獲授權發(fā)明專利32件，SCI論文31篇，主編國標6項、行業(yè)標準2項。

銅鎂導線已達安全極限

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，經常會看到鐵路沿線上空架設的輸電線路，這些輸電線路就是高速鐵路接觸網，高鐵列車運行所需的電就是通過機車上端的接觸網來輸送。”王立天介紹，接觸網一旦停電或列車受電弓與接觸網接觸不良，就會對列車的供電產生影響。

同時，制約高速列車速度提升的三大核心技術瓶頸之一也是弓網的受流能力。為了保證高速行駛下的列車穩(wěn)定受流，接觸網導線就必須具有大張力和大載流能力，這就要求導線同時具有高強度和高電導率，還要保證接觸網輕量化，不能給工程方面增加投入。

王立天解釋：“當列車行駛速度為300公里/小時以上時，它所受的阻力90%以上都來自風阻，而風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，電流也相應增大。因此需要接觸網導線具有高導電率。”

“在保證高電導率的同時，接觸網導線還需要保證高強度。”王立天說，列車在高速運行中，受電弓和導線之間不能脫離，必須時刻緊密接觸。只有導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導線不脫離。而提升導線的波動傳播速度就必須提高導線的張力，在導線重量不變的情況下，就需要增加導線強度，使導線強度達到國家標準安全系數2.0以上。也就是說，導線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。

要想同時提高強度和導電率是個巨大的挑戰(zhàn)。眾所周知，在銅合金材料中，導電率和強度成反比，同時提高導電率和強度非常困難，因此高鐵接觸網導線研發(fā)難度極大，在王立天團隊項目實施前，我國高鐵接觸網導線全部依賴進口。

“當時國際最先進的銅鎂導線強度在列車350公里時速下已達安全極限，想要進一步提速必須研發(fā)下一代更高強度和更高導電率的銅鉻鋯接觸網導線。”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)、產業(yè)化一切從零開始

早在2006年，我國開始進行高鐵建設的時候，王立天作為專家團隊的一員，就開始接觸到這一領域。

“由于鉻鋯合金元素高活性、高揮發(fā)的特性，導致能夠滿足工程需要的零缺陷超長銅鉻鋯導線制備成為公認的世界難題，被譽為高鐵牽引供電技術‘皇冠上的明珠。”王立天說，當時雖然日、法、德等國投入巨資進行研發(fā)，但均未實現(xiàn)工程應用，且技術嚴密封鎖。

國外的技術封鎖讓王立天清楚地看到，為實現(xiàn)我國高鐵技術的突破，就必須自立自強，進行自主創(chuàng)新，把銅鉻鋯接觸網導線國產化，做出中國自己的高強高導導線。

當時我國連銅鎂導線都是依賴進口，要研制技術難度高出一大截的銅鉻鋯導線，困難可想而知。“真的是一切從零開始，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，用了半年時間，團隊在實驗室就研制出了銅鉻鋯材料導線的樣件，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。

可興奮勁兒還沒過，王立天就發(fā)現(xiàn)，學校實驗室的材料樣件研究和實現(xiàn)大長度導線產業(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業(yè)化項目全部工作量和難度的5%—10%，后面實現(xiàn)產業(yè)化的技術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，第二部分是鑄造技術，第三部分是硬變強化金屬加工技術，第四部分是熱處理技術。

“其中第一和第二部分是最為關鍵也是最難實現(xiàn)的。當時我們走遍全國，也找不到能進行銅鉻鋯導線冶煉和鑄造的設備，所有的工裝設備必須自己研制。”王立天說，“可以說，導線產業(yè)化的研發(fā)過程就是研發(fā)生產制造導線所需各種設備、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)，團隊就嘗試了多種工藝路徑，關于爐壁材料的選擇，團隊也選擇了十幾種進行試驗。

“最難的是冶煉爐結晶器的研發(fā)，當時合金坯桿鑄造出來后，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，產品還沒投入應用，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問題。

產品性能全世界領先

2010年12月，京滬高鐵先導段進行了聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗，最高運行時速達到486.1公里的世界最高營運試驗速度，其中，高強高導的銅鉻鋯導線功不可沒。

“經測試，我們自主研發(fā)生產的銅鉻鋯導線導電率達到75%，強度也達到了560兆帕，性能可以與日本同一時期上線的同類產品‘打成平手，而歐美此時還沒有同類產品研制出來。”王立天自豪地說，而且由于我們的產品生產環(huán)節(jié)更簡化，因此成本要低很多。

目前我國生產銅鉻鋯導線的工藝水平實現(xiàn)了可連續(xù)擠壓、連續(xù)拉拔生產兩噸銅鉻鋯導線，并且導線大長度連續(xù)中間沒有任何缺陷。為了保證導線的安全性，導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，因此對導線的耐腐蝕性要求非常高。同時摩擦生熱，當列車高速行駛的時候，就會與接觸網導線摩擦生熱。一般來說，當溫度到達100攝氏度時，導線強度會下降。而我們的銅鉻鋯導線因為材質和工藝，100攝氏度的溫度反而會使導線在一定范圍內強度增加。此外，高溫冷卻后，其他合金導線強度一般也會下降20%左右，而我們的鉻鋯銅導線強度只會下降5%左右，具有優(yōu)異的高溫特性。

隨著技術的不斷改進提高，如今我國的銅鉻鋯導線最高可以實現(xiàn)83%的導電率，同時強度達到620兆帕。“目前準備開始建設的重慶到成都的高鐵時速可達400公里，這比現(xiàn)有的350公里/小時高鐵對各項技術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權的高強高導接觸網導線完全可以為新高鐵的建設提供強有力的技術支撐。