在電力行業(yè)“以鋁節(jié)銅”的應(yīng)用中，我國銅鋁復(fù)合材料的技術(shù)創(chuàng)新不斷取得重大突破，不僅榮獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎，提出的“銅鋁復(fù)合導(dǎo)電扁排標準”也于近期獲得了國際組織認可，成為有色金屬材料領(lǐng)域唯一的國際標準。
全球首創(chuàng)實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)
銅鋁復(fù)合材料是近年來在電力和工業(yè)電器行業(yè)發(fā)展起來的一種新型層狀復(fù)合材料，是一類高性能的復(fù)合導(dǎo)體。銅鋁復(fù)合材料主要由鋁芯和銅包覆層組成，兼有銅的導(dǎo)電性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好以及鋁的成本低、重量輕等特點。在用作高頻導(dǎo)線、大電流導(dǎo)電排等用途時，其導(dǎo)電性能幾乎與純銅導(dǎo)體相同。
雖然材料優(yōu)勢明顯，但是國際上缺乏大規(guī)模生產(chǎn)的辦法。為了攻破銅鋁復(fù)合材料的技術(shù)難關(guān)，2008年，北京科技大學(xué)新金屬材料國家重點實驗室與煙臺孚信達雙金屬股份有限公司簽訂了銅包鋁復(fù)合坯料連鑄復(fù)合成形技術(shù)的專利使用許可協(xié)議，并開始了“水平連鑄法生產(chǎn)銅鋁復(fù)合導(dǎo)體材料”工藝技術(shù)及裝備的研發(fā)。
“從北科大的實驗室研究成果，到公司后續(xù)進行的中試和工業(yè)化研究，歷時6年的創(chuàng)新研發(fā)，最終實現(xiàn)了如今的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)�！辨谛胚_雙金屬股份有限公司總經(jīng)理王連忠介紹說，目前，公司形成的一套完備的銅鋁水平連鑄生產(chǎn)加工技術(shù)及全套高端復(fù)合金屬材料生產(chǎn)加工設(shè)備，在整個行業(yè)里獨一無二。截至2016年底，公司已經(jīng)投入研發(fā)資金超過1.22億元，實驗次數(shù)達上千爐次。
2013年，是銅鋁復(fù)合鑄造產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)最關(guān)鍵的一年。一方面，需要大量的資金投入，另一方面，雙金屬復(fù)合鑄造過程冷卻精確控制成為產(chǎn)品質(zhì)量均勻性、一致性控制的重要瓶頸問題�！斑@個時候只能迎難而上，在與北京科技大學(xué)的專家一次又一次的論證，一次又一次的試驗、攻關(guān)之后，終于突破了雙金屬復(fù)合鑄造最核心的冷卻控制問題。2013年底，高性能銅鋁復(fù)合電力扁排系列產(chǎn)品開發(fā)與應(yīng)用項目通過了國家鑒定，成為國內(nèi)外首創(chuàng)技術(shù)。”王連忠告訴記者。
“我們的技術(shù)使得銅鋁復(fù)合電力扁排得以大規(guī)模應(yīng)用，破解了過去生產(chǎn)流程長、成材率較低、生產(chǎn)成本高、不能大批量生產(chǎn)的弊端。”中國工程院院士、北京科技大學(xué)教授謝建新告訴記者，過去在銅鋁復(fù)合排生產(chǎn)上，只有歐洲的靜液擠壓法能生產(chǎn)出質(zhì)量好、滿足使用要求的產(chǎn)品，而其他技術(shù)產(chǎn)品質(zhì)量達不到工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用的要求，且產(chǎn)品合格率很低。
記者在采訪中得知，英國BRUKER公司的靜液擠壓法，只能實現(xiàn)銅鋁復(fù)合材料的小批量生產(chǎn)，不能大規(guī)模工業(yè)化，且技術(shù)工藝復(fù)雜、成材率低、成本很高，產(chǎn)品一直僅用于高端市場，不能滿足民用常規(guī)市場的巨大需求。謝建新院士透露，我國首創(chuàng)的銅鋁復(fù)合材料連鑄直接成形技術(shù)的工藝成本只是靜液擠壓法的一半，雖然兩種方法的成材質(zhì)量相當(dāng)，但這項技術(shù)可以簡化工藝、大幅降低成本，實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
突破產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級瓶頸
考慮到資源安全和成本，以價格低、密度小的鋁替代一部分銅，形成銅鋁復(fù)合材料用作電力傳輸和工業(yè)電器導(dǎo)體材料，是如今國內(nèi)外爭相研究開發(fā)的熱點。比如，歐洲之星列車電氣系統(tǒng)上使用銅鋁復(fù)合產(chǎn)品，用來降低列車的重量；20世紀90年代銅鋁扁排還被用在世界上最大的高速渡輪上；近年來的低壓成套開關(guān)柜里也使用銅鋁復(fù)合扁排降低成本。
“銅資源在電力行業(yè)里的用量最大，因此開發(fā)銅鋁復(fù)合導(dǎo)體材料，實現(xiàn)以鋁節(jié)銅，就是節(jié)約銅資源的重要途徑，也是國家中長期發(fā)展規(guī)劃重點支持發(fā)展的新材料技術(shù)研究開發(fā)方向之一�！敝袊猩饘俟I(yè)協(xié)會副會長文獻軍說。
近年來，由于需求旺盛，國內(nèi)銅鋁復(fù)合扁排的開發(fā)和應(yīng)用逐漸受到重視。采用套管拉拔、銅管澆鋁法生產(chǎn)的產(chǎn)品在一些電力領(lǐng)域也獲得了少量應(yīng)用，但由于套管拉拔等方法生產(chǎn)的產(chǎn)品界面結(jié)合強度較低，加工過程中易產(chǎn)生分離、鼓包現(xiàn)象，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，無法滿足相關(guān)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的要求。
如今，經(jīng)過多年的研發(fā)創(chuàng)新，我國銅鋁復(fù)合材料技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用已初見成效�！案咝阅茔~鋁復(fù)合材料連鑄直接成形技術(shù)是一種工藝流程短、自動化程度高、生產(chǎn)效率高的國際先進的銅鋁復(fù)合材料制備工藝�！敝x建新院士表示，與現(xiàn)有銅排相比，使用銅鋁復(fù)合電力扁排可節(jié)約用銅量65%至80%左右，具有重量輕、方便運輸和安裝、節(jié)約銅資源、成本低、導(dǎo)電性能高等優(yōu)勢。
在孚信達公司生產(chǎn)車間，記者看到，兩條銅鋁生產(chǎn)線正在快速運轉(zhuǎn)中，為了適應(yīng)快速增長的市場需求，廠房內(nèi)的另外兩條生產(chǎn)線也在緊張建設(shè)中。公司副總工程師蘭占軍說，在很多應(yīng)用場景，純銅排設(shè)計之初留有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計裕度，所以銅鋁排產(chǎn)品的載流能力并不需要達到純銅排的100%，即使采用銅鋁排產(chǎn)品等截面積替換也完全可以滿足使用要求。以斷路器為例，在滿足設(shè)備性能要求下，如果等截面積替換，按重量算可節(jié)銅55%。
除了節(jié)銅，銅鋁復(fù)合材料在電力領(lǐng)域應(yīng)用有兩大好處：輕量化、低成本化。在度電成本與傳統(tǒng)能源比并不占優(yōu)的情況下，對于新能源企業(yè)來說，降成本是第一位的。性價比更高、性能更好的銅鋁復(fù)合材料無疑給新能源企業(yè)帶來了福音，增強了競爭力。“2012年，當(dāng)銅鋁復(fù)合材料部分規(guī)格試制成功時，風(fēng)電設(shè)備領(lǐng)頭羊金風(fēng)科技便成了‘第一個吃螃蟹的人’�！蓖踹B忠介紹說，目前，孚信達生產(chǎn)的銅鋁復(fù)合材料已在新能源領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用。
銅鋁復(fù)合材料另一大應(yīng)用是在傳統(tǒng)的輸配電領(lǐng)域�！斑@關(guān)系到未來導(dǎo)體技術(shù)朝哪個方向走的問題�！蓖踹B忠坦言，電網(wǎng)建設(shè)是國家的重點投資領(lǐng)域，我們的技術(shù)既可以在兼顧保障性能和運行安全的前提下大幅降低輸配電導(dǎo)體的材料成本，又可以降低對銅資源的依賴，解決了電力行業(yè)面臨的大問題。
“由于綜合優(yōu)勢明顯，銅鋁復(fù)合材+料的推廣應(yīng)用，定將提高我國制造企業(yè)的國際競爭力，幫助行業(yè)提質(zhì)增效，包括電力設(shè)備、工業(yè)電器等行業(yè)�！敝x建新院士說。
國內(nèi)市場推廣步履維艱
在電力行業(yè)“以鋁節(jié)銅”，必須有兩個前提，一是要技術(shù)可行，二是要安全可靠。“盡管開發(fā)研究銅鋁復(fù)合材料的意義重大，但如果電力產(chǎn)品正常運行得不到保障，那一切都是空談�！蔽墨I軍說。
“2012年，‘水平連鑄生產(chǎn)銅鋁復(fù)合材料’技術(shù)正處于工業(yè)化研究階段，關(guān)鍵技術(shù)剛剛得到突破，形成了小批量合格產(chǎn)品，但受國內(nèi)多年‘套管法’產(chǎn)品質(zhì)量不過關(guān)、事故頻發(fā)造成的惡劣市場印象，也間接導(dǎo)致國內(nèi)市場推廣受阻�！蓖踹B忠說，鑒于國內(nèi)市場的現(xiàn)狀以及產(chǎn)品優(yōu)良的性能質(zhì)量，公司決定從海外市場尋求突破點。
可喜的是，在一次國際電力展上，孚信達公司產(chǎn)品得到了施耐德、ABB等國際電器巨頭的關(guān)注，并先后就產(chǎn)品的可行性展開了耗時3年的論證，從材料基礎(chǔ)性能分析、惡劣工況模擬試驗研究、小范圍裝機試運行驗證，到工廠檢查的技術(shù)驗證，最終于2015年、2016年，分別通過了施耐德、ABB的全球供應(yīng)商資格認證，成為其銅鋁復(fù)合材料獨家供應(yīng)商。
“為了打開市場，我們和國際大公司合作，做實驗認證和小批量應(yīng)用。”公司銷售副總經(jīng)理梁云程說，2015年下半年，公司拿到了施耐德全球供應(yīng)商資格，為施耐德等公司批量供貨，“ABB低壓產(chǎn)品的整個完備實驗也已完成，他們計劃在新型開關(guān)柜上采用我們的產(chǎn)品，現(xiàn)在世界頂級的輸配電企業(yè)都和我們建立了業(yè)務(wù)聯(lián)系”。
在國際市場上廣受歡迎，產(chǎn)品在國內(nèi)市場的推廣卻很不理想。王連忠告訴記者，公司產(chǎn)品占據(jù)了新能源主機配套領(lǐng)域50%以上的市場份額，但占據(jù)國內(nèi)電力行業(yè)80%以上市場份額的輸配電領(lǐng)域，銅鋁復(fù)合導(dǎo)電產(chǎn)品卻一直難以涉足。
“在國網(wǎng)體系中，安全運行是第一要務(wù)，新材料的進入可能存在一定風(fēng)險，這也導(dǎo)致新產(chǎn)品在國網(wǎng)體系推廣中受阻，迫切需要政府和有關(guān)行業(yè)給予支持�！蓖踹B忠說，對于今后的發(fā)展，要力爭把銅鋁復(fù)合材料作為純銅排、純鋁排之外的第三種新型導(dǎo)體材料供市場選擇，滿足不同客戶更為細分的特殊化需求，為市場提供更多的選擇，以適應(yīng)更加多元的產(chǎn)品
