在電力行業(yè)“以鋁節(jié)銅”的應(yīng)用中，我國(guó)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(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)，提出的“銅鋁復(fù)合導(dǎo)電扁排標(biāo)準(zhǔn)”也于近期獲得了國(guó)際組織認(rèn)可，成為有色金屬材料領(lǐng)域唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。
全球首創(chuàng)實(shí)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(diǎn)。在用作高頻導(dǎo)線、大電流導(dǎo)電排等用途時(shí)，其導(dǎo)電性能幾乎與純銅導(dǎo)體相同。
雖然材料優(yōu)勢(shì)明顯，但是國(guó)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(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與煙臺(tái)孚信達(dá)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(shí)驗(yàn)室研究成果，到公司后續(xù)進(jìn)行的中試和工業(yè)化研究，歷時(shí)6年的創(chuàng)新研發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)了如今的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)。”孚信達(dá)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(gè)行業(yè)里獨(dú)一無(wú)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(shí)驗(yàn)次數(shù)達(dá)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?gòu)?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。“這個(gè)時(shí)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(yàn)、攻關(guān)之后，終于突破了雙金屬?gòu)?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(xiàng)目通過了國(guó)家鑒定，成為國(guó)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(zhǎng)、成材率較低、生產(chǎn)成本高、不能大批量生產(chǎn)的弊端。”中國(guó)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(dá)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(guó)BRUKER公司的靜液擠壓法，只能實(shí)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(chǎng)，不能滿足民用常規(guī)市場(chǎng)的巨大需求。謝建新院士透露，我國(guó)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(xiàng)技術(shù)可以簡(jiǎn)化工藝、大幅降低成本，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
突破產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)瓶頸
考慮到資源安全和成本，以價(jià)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(guó)內(nèi)外爭(zhēng)相研究開發(fā)的熱點(diǎn)。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(jì)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(shí)現(xiàn)以鋁節(jié)銅，就是節(jié)約銅資源的重要途徑，也是國(guó)家中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃重點(diǎn)支持發(fā)展的新材料技術(shù)研究開發(fā)方向之一。”中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)文獻(xiàn)軍說。
近年來，由于需求旺盛，國(guó)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(qiáng)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(wú)法滿足相關(guān)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的要求。
如今，經(jīng)過多年的研發(fā)創(chuàng)新，我國(guó)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。“高性能銅鋁復(fù)合材料連鑄直接成形技術(shù)是一種工藝流程短、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高的國(guó)際先進(jìn)的銅鋁復(fù)合材料制備工藝。”謝建新院士表示，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(yùn)輸和安裝、節(jié)約銅資源、成本低、導(dǎo)電性能高等優(yōu)勢(shì)。
在孚信達(dá)公司生產(chǎn)車間，記者看到，兩條銅鋁生產(chǎn)線正在快速運(yùn)轉(zhuǎn)中，為了適應(yīng)快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，廠房?jī)?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(chǎng)景，純銅排設(shè)計(jì)之初留有相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)裕度，所以銅鋁排產(chǎn)品的載流能力并不需要達(dá)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(duì)于新能源企業(yè)來說，降成本是第一位的。性價(jià)比更高、性能更好的銅鋁復(fù)合材料無(wú)疑給新能源企業(yè)帶來了福音，增強(qiáng)了競(jìng)爭(zhēng)力。“2012年，當(dāng)銅鋁復(fù)合材料部分規(guī)格試制成功時(shí)，風(fēng)電設(shè)備領(lǐng)頭羊金風(fēng)科技便成了‘第一個(gè)吃螃蟹的人’。”王連忠介紹說，目前，孚信達(dá)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。“這關(guān)系到未來導(dǎo)體技術(shù)朝哪個(gè)方向走的問題。”王連忠坦言，電網(wǎng)建設(shè)是國(guó)家的重點(diǎn)投資領(lǐng)域，我們的技術(shù)既可以在兼顧保障性能和運(yùn)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(duì)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(shì)明顯，銅鋁復(fù)合材+料的推廣應(yīng)用，定將提高我國(guó)制造企業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)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)。”謝建新院士說。
國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推廣步履維艱
在電力行業(yè)“以鋁節(jié)銅”，必須有兩個(gè)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(yùn)行得不到保障，那一切都是空談。”文獻(xiàn)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(guó)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(chǎng)印象，也間接導(dǎo)致國(guó)內(nèi)市場(chǎng)推廣受阻。”王連忠說，鑒于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(chǎng)尋求突破點(diǎn)。
可喜的是，在一次國(guó)際電力展上，孚信達(dá)公司產(chǎn)品得到了施耐德、ABB等國(guó)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(shí)3年的論證，從材料基礎(chǔ)性能分析、惡劣工況模擬試驗(yàn)研究、小范圍裝機(jī)試運(yùn)行驗(yàn)證，到工廠檢查的技術(shù)驗(yàn)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(rèn)證，成為其銅鋁復(fù)合材料獨(dú)家供應(yīng)商。
“為了打開市場(chǎng)，我們和國(guó)際大公司合作，做實(shí)驗(yàn)認(rèn)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(gè)完備實(shí)驗(yàn)也已完成，他們計(jì)劃在新型開關(guān)柜上采用我們的產(chǎn)品，現(xiàn)在世界頂級(jí)的輸配電企業(yè)都和我們建立了業(yè)務(wù)聯(lián)系”。
在國(guó)際市場(chǎng)上廣受歡迎，產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)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(jī)配套領(lǐng)域50%以上的市場(chǎng)份額，但占據(jù)國(guó)內(nèi)電力行業(yè)80%以上市場(chǎng)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(guó)網(wǎng)體系中，安全運(yùn)行是第一要?jiǎng)?wù)，新材料的進(jìn)入可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)，這也導(dǎo)致新產(chǎn)品在國(guó)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。”王連忠說，對(duì)于今后的發(fā)展，要力爭(zhēng)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(chǎng)選擇，滿足不同客戶更為細(xì)分的特殊化需求，為市場(chǎng)提供更多的選擇，以適應(yīng)更加多元的產(chǎn)品