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成本降低超60%,每年节省电费约10亿元,国产“高铁生命线”有何秘诀?

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发表于 2020-5-20 08:40:05 | 显示全部楼层 | 阅读模式


2019 年底,中国高铁里程达 3.5 万公里,高铁网越织越密!
有人不禁要问:电气化高速铁路的电从哪里来?答案很简单——电网。但是,因为高铁比较特殊,需要将电厂发出来的电通过接触网供给铁路,才能使列车在行驶过程中,源源不断地获取电源。在高铁站,当你走近列车,可以看到,车辆上方悬挂着两根铜线,一根是承力索,另外一根就是承担着 " 供电 " 重任的接触线。在高铁这个复杂系统中,接触线就好比是 " 身体的血管 " 一样重要。


针对高铁接触线,上海理工大学刘平教授团队用了近 20 年的时间,专注研发 " 高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术 ",荣获 2019 年度上海市科技进步奖一等奖。这一技术的应用,带来了可观的经济效益——近三年新增产值超过 30 亿元,新增利润超过 2 亿元,每年可为高速铁路运行节省电费至少 10 亿元。
成本降低超 60%
众所周知,接触线是电气化高速列车牵引供电系统的核心环节,也是我国发展高速铁路所面临的关键技术之一,直接影响到列车的运行安全和速度。通过接触线向高速列车输送电能并使其得到源源不断的能量,才有可能创造列车 " 贴地飞行 " 的速度。
研发 " 高速铁路用高性能铜合金接触线关键技术 " 的核心专家上海理工大学刘平教授在接受采访时表示,这一由 30 项专利组成的研究成果打破了国外技术垄断与封锁,带动了整个接触线制造行业的发展,为我国高速铁路的发展做出重要贡献。
" 最初的接触线技术都是从欧洲、日本引进的。" 身为刘平研究团队成员之一的上海理工大学教师周洪雷告诉记者,随着高铁的快速发展,高速运行的列车受电弓对接触线提出更高强度、更优导电性能的要求。但是,当时相关技术由国外企业垄断,技术受限、产量受限、高昂的原料加工费,令大家感到 " 国产化 " 刻不容缓。


从 2002 年开始,刘平教授带领着二十多人的团队开始着手研究,2007 年开始和企业合作,进行产业化。如今,非但高铁接触线的性能比原来从国外引进的接触线性能更加优越,加工费也一降再降,成本大约降低约 60%。
零的突破
为何性能有如此大的提升?周洪雷解释,主要在成分上进行了微调,加入了微量的合金元素,使得接触线的强度、导电性、耐磨性得到了提高。
" 通过开发微合金协同强化技术,突破了铜合金接触线高导电与高强度,以及与高耐磨、抗软化等性能协同优化的技术难题。" 刘平团队成员之一的上海理工大学教师陈小红告诉记者,经过反复实验研究,研制出了铜锡、铜镁、铜银、铜铬锆四个系列的高性能铜合金接触线,开发了高效率、低成本、大规模、易推广的高性能铜合金接触线制备关键技术。
十多年来,刘平团队全面展开研发工作,改进合金比例,改良制造设备,发明了铜银、铜镁微合金协同强化和成分精准控制技术,实现了接触线的导电与强度、耐磨及抗软化性能的协同提升。其中,把高强度、高活性的 " 镁 " 和高导电性的 " 铜 " 结合在一起,在提高强度的同时确保高导电性能,这些 " 铁人三项 " 障碍关口被逐一攻破。


这其中最大的技术难点在于:客观条件需要同时提升材料性能,但强度和导电率是一个矛盾。现在要达到 " 双赢 ",即在保障强度不降低的情况下提高导电率,十分不容易。尽管这个方向研究的人很多,但是因为合金成分不同,用的方法不一样,加工技术也不同,性能更有所差异。再加上,合金的熔炼过程,会出现开裂、夹杂、起皮、断杆等现象,只能在现场试验过程中,不断调整工艺,逐步解决。
不仅如此,实际应用场合中必须确保接触线能满足使用长度要求,接触线的平均长度约 1.5 公里,不能有断点、焊接、缺陷,所以要 " 一气呵成 "。通过大量的试验、改进,铜镁接触线的导电率达 73%IACS(国际退火铜标准)、抗拉强度达 555 兆帕。
近 20 年的专注
此外,刘平团队还开发了 350 千米 / 小时以上高速铁路用的高强高导铜铬锆合金接触线的上引连铸关键技术,实现了产业化中锆元素的收得率超过 68%,产品抗拉强度达 600 兆帕、导电率达 80%IACS 和伸长率达 10.2%。
近 20 年的持续的研发和改进,刘平团队开发了具有国际先进水平的高质量、低成本、连续化制备接触线的关键技术,实现了具有自主知识产权的高性能铜合金接触线国产化制备。与同水平连铸生产技术相比,直接降低成本 40%,降低能耗 35%,提高成材率 9%。


近十年来,成果已在我国京津、京张、郑西、武广、哈大等 80% 的高铁项目中使用,上海轨道交通 2 号线、7 号线、8 号线、9 号线,北京地铁 16 号线等多条地铁线路上也得到推广应用,并出口白俄罗斯、韩国、澳大利亚等国家。
栏目主编:黄海华 本文作者:李蕾 文字编辑:黄海华 题图来源:受访者提供
文中图片:受访者提供

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