上理工劉平團隊“高速鐵路用高性能銅合金接觸線關鍵技術”獲市科技進步獎一等獎

2020-05-22

  2019年底,中國高鐵里程達3.5萬公里,高鐵網越織越密!

  有人不禁要問:電氣化高速鐵路的電從哪來?答案很簡單——電網。但是,因為高鐵比較特殊,需要將電廠發出來的電通過接觸網供給鐵路,才能使列車在行駛中源源不斷獲取電源。在高鐵站,當你走近列車,可以看到車輛上方懸挂著兩根銅線,一根是承力索,另外一根就是承擔著“供電”重任的接觸線。在高鐵這個複雜系統中,接觸線就像“身體的血管”一樣重要。

  針對高鐵接觸線,上海理工大學劉平教授團隊用近20年時間,專注研發“高速鐵路用高性能銅合金接觸線關鍵技術”,並榮獲2019年度上海市科技進步獎一等獎。這一技術的應用,帶來可觀的經濟效益——近三年新增産值超過30億元,新增利潤超過2億元,每年可為高速鐵路運行節省電費至少10億元。

  性能更優成本降六成

  眾所週知,接觸線是電氣化高速列車牽引供電系統的核心環節,也是我國發展高速鐵路所面臨的關鍵技術之一,直接影響列車的運行安全和速度。通過接觸線向高速列車輸送電能並使其得到源源不斷的能量,才有可能創造列車“貼地飛行”的速度。

  研發“高速鐵路用高性能銅合金接觸線關鍵技術”的核心專家劉平表示,這一由30項專利組成的研究成果打破國外技術壟斷與封鎖,帶動整個接觸線製造行業發展,為我國高速鐵路的發展做出重要貢獻。

  “最初的接觸線技術從歐洲、日本引進。”研究團隊成員之一、上海理工大學教師周洪雷説,隨著高鐵快速發展,高速運行的列車受電弓對接觸線提出更高強度、更優導電性能的要求。但當時相關技術由國外企業壟斷,技術受限、産量受限、原料加工費高昂,大家感到“國産化”刻不容緩。

  從2002年開始,劉平帶領二十多人的團隊開始著手研究,2007年開始和企業合作,進行産業化。如今,非但高鐵接觸線的性能比原來從國外引進的接觸線性能更加優越,加工費也一降再降,成本降低約60%。

  技術難點被逐一攻破

  為何性能有如此大的提升?周洪雷解釋,主要在成分上微調,加入了微量的合金元素,使接觸線的強度、導電性、耐磨性得到提高。

  “通過開發微合金協同強化技術,突破銅合金接觸線高導電與高強度,以及與高耐磨、抗軟化等性能協同優化的技術難題。”團隊成員之一、上海理工大學教師陳小紅説,經過反覆實驗研究,研製出銅錫、銅鎂、銅銀、銅鉻鋯四個系列高性能銅合金接觸線,開發了高效率、低成本、大規模、易推廣的高性能銅合金接觸線製備關鍵技術。

  十多年來,劉平團隊全面展開研發,改進合金比例,改良製造設備,發明瞭銅銀、銅鎂微合金協同強化和成分精準控制技術,實現接觸線的導電與強度、耐磨及抗軟化性能協同提升。把高強度、高活性的“鎂”和高導電性的“銅”結合在一起,在提高強度的同時確保高導電性能,這些“鐵人三項”障礙關口被逐一攻破。

  其中最大的技術難點在於:客觀條件需要同時提升材料性能,但強度和導電率是一對矛盾。現在要達到“雙贏”,即在保障強度不降低的情況下提高導電率,十分不容易。儘管這個方向研究的人很多,但因為合金成分不同,用的方法不一樣,加工技術也不同,性能更有所差異。再加上,合金的熔煉過程,會出現開裂、夾雜、起皮、斷桿等現象,只能在現場試驗中,不斷調整工藝,逐步解決。

  不僅如此,實際應用場合必須確保接觸線能滿足使用長度要求,接觸線的平均長度約1.5公里,不能有中斷點、焊接、缺陷,要“一氣呵成”。通過大量的試驗、改進,銅鎂接觸線的導電率達73%IACS(國際退火銅標準)、抗拉強度達555兆帕。

  此外,劉平團隊還開發了350千米/小時以上高速鐵路用的高強高導銅鉻鋯合金接觸線的上引連鑄關鍵技術,實現産業化中鋯元素的收得率超過68%,産品抗拉強度達600兆帕、導電率達80%IACS和伸長率達10.2%。

  近20年的持續研發和改進,劉平團隊開發了具有國際先進水準的高品質、低成本、連續化製備接觸線的關鍵技術,實現具有自主知識産權的高性能銅合金接觸線國産化製備。與同水準連鑄生産技術相比,直接降低成本40%,降低能耗35%,提高成材率9%。

  近十年來,成果已在我國京津、京張、鄭西、武廣、哈大等80%的高鐵項目中使用,上海軌道交通2號線、7號線、8號線、9號線,北京地鐵16號線等多條地鐵線路上也得到推廣應用,並出口白俄羅斯、南韓、澳大利亞等國家。

來源:解放日報

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