圖① 全球獨一無二的銅鋁複合坯料水平連鑄生產線。
本報記者 王軼辰攝
圖② 銅鋁複合排卷料正在通過履帶式聯合拉拔機進行定尺拉拔。 本報記者 吉蕾蕾攝
圖③ 孚信達公司員工正在為斷路器產品配套的銅鋁複合排進行最後的外觀檢查。 本報記者 吉蕾蕾攝
圖④ 技術人員通過顯微鏡觀察銅鋁複合界面情況。
在電力行業「以鋁節銅」的應用中，我國銅鋁複合材料的技術創新不斷取得重大突破，不僅榮獲國家技術發明二等獎，提出的「銅鋁複合導電扁排標準」也於近期獲得了國際組織認可，成為有色金屬材料領域唯一的國際標準。
全球首創實現大規模生產
銅鋁複合材料是近年來在電力和工業電器行業發展起來的一種新型層狀複合材料，是一類高性能的複合導體。銅鋁複合材料主要由鋁芯和銅包覆層組成，兼有銅的導電性能優異、耐腐蝕性能好以及鋁的成本低、重量輕等特點。在用作高頻導線、大電流導電排等用途時，其導電性能幾乎與純銅導體相同。
雖然材料優勢明顯，但是國際上缺乏大規模生產的辦法。為了攻破銅鋁複合材料的技術難關，2008年，北京科技大學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籤訂了銅包鋁複合坯料連鑄複合成形技術的專利使用許可協議，並開始了「水平連鑄法生產銅鋁複合導體材料」工藝技術及裝備的研發。
「從北科大的實驗室研究成果，到公司後續進行的中試和工業化研究，歷時6年的創新研發，最終實現了如今的產業化規模生產。」孚信達雙金屬股份有限公司總經理王連忠介紹說，目前，公司形成的一套完備的銅鋁水平連鑄生產加工技術及全套高端複合金屬材料生產加工設備，在整個行業裡獨一無二。截至2016年底，公司已經投入研發資金超過1.22億元，實驗次數達上千爐次。
2013年，是銅鋁複合鑄造產業化技術攻關最關鍵的一年。一方面，需要大量的資金投入，另一方面，雙金屬複合鑄造過程冷卻精確控制成為產品質量均勻性、一致性控制的重要瓶頸問題。「這個時候只能迎難而上，在與北京科技大學的專家一次又一次的論證，一次又一次的試驗、攻關之後，終於突破了雙金屬複合鑄造最核心的冷卻控制問題。2013年底，高性能銅鋁複合電力扁排系列產品開發與應用項目通過了國家鑑定，成為國內外首創技術。」王連忠告訴記者。
「我們的技術使得銅鋁複合電力扁排得以大規模應用，破解了過去生產流程長、成材率較低、生產成本高、不能大批量生產的弊端。」中國工程院院士、北京科技大學教授謝建新告訴記者，過去在銅鋁複合排生產上，只有歐洲的靜液擠壓法能生產出質量好、滿足使用要求的產品，而其他技術產品質量達不到工業大規模應用的要求，且產品合格率很低。
記者在採訪中得知，英國BRUKER公司的靜液擠壓法，只能實現銅鋁複合材料的小批量生產，不能大規模工業化，且技術工藝複雜、成材率低、成本很高，產品一直僅用於高端市場，不能滿足民用常規市場的巨大需求。謝建新院士透露，我國首創的銅鋁複合材料連鑄直接成形技術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量相當，但這項技術可以簡化工藝、大幅降低成本，實現大規模生產。
突破產業轉型升級瓶頸
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，形成銅鋁複合材料用作電力傳輸和工業電器導體材料，是如今國內外爭相研究開發的熱點。比如，歐洲之星列車電氣系統上使用銅鋁複合產品，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櫃裡也使用銅鋁複合扁排降低成本。
「銅資源在電力行業裡的用量最大，因此開發銅鋁複合導體材料，實現以鋁節銅，就是節約銅資源的重要途徑，也是國家中長期發展規劃重點支持發展的新材料技術研究開發方向之一。」中國有色金屬工業協會副會長文獻軍說。
近年來，由於需求旺盛，國內銅鋁複合扁排的開發和應用逐漸受到重視。採用套管拉拔、銅管澆鋁法生產的產品在一些電力領域也獲得了少量應用，但由於套管拉拔等方法生產的產品界面結合強度較低，加工過程中易產生分離、鼓包現象，產品質量參差不齊，無法滿足相關行業轉型升級的要求。
如今，經過多年的研發創新，我國銅鋁複合材料技術在電力行業的應用已初見成效。「高性能銅鋁複合材料連鑄直接成形技術是一種工藝流程短、自動化程度高、生產效率高的國際先進的銅鋁複合材料製備工藝。」謝建新院士表示，與現有銅排相比，使用銅鋁複合電力扁排可節約用銅量65%至80%左右，具有重量輕、方便運輸和安裝、節約銅資源、成本低、導電性能高等優勢。
在孚信達公司生產車間，記者看到，兩條銅鋁生產線正在快速運轉中，為了適應快速增長的市場需求，廠房內的另外兩條生產線也在緊張建設中。公司副總工程師蘭佔軍說，在很多應用場景，純銅排設計之初留有相當的設計裕度，所以銅鋁排產品的載流能力並不需要達到純銅排的100%，即使採用銅鋁排產品等截面積替換也完全可以滿足使用要求。以斷路器為例，在滿足設備性能要求下，如果等截面積替換，按重量算可節銅55%。
除了節銅，銅鋁複合材料在電力領域應用有兩大好處：輕量化、低成本化。在度電成本與傳統能源比並不佔優的情況下，對於新能源企業來說，降成本是第一位的。性價比更高、性能更好的銅鋁複合材料無疑給新能源企業帶來了福音，增強了競爭力。「2012年，當銅鋁複合材料部分規格試製成功時，風電設備領頭羊金風科技便成了『第一個吃螃蟹的人』。」王連忠介紹說，目前，孚信達生產的銅鋁複合材料已在新能源領域有了廣泛應用。
銅鋁複合材料另一大應用是在傳統的輸配電領域。「這關係到未來導體技術朝哪個方向走的問題。」王連忠坦言，電網建設是國家的重點投資領域，我們的技術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，解決了電力行業面臨的大問題。
「由於綜合優勢明顯，銅鋁複合材料的推廣應用，定將提高我國製造企業的國際競爭力，幫助行業提質增效，包括電力設備、工業電器等行業。」謝建新院士說。
國內市場推廣步履維艱
在電力行業「以鋁節銅」，必須有兩個前提，一是要技術可行，二是要安全可靠。「儘管開發研究銅鋁複合材料的意義重大，但如果電力產品正常運行得不到保障，那一切都是空談。」文獻軍說。
「2012年，『水平連鑄生產銅鋁複合材料』技術正處於工業化研究階段，關鍵技術剛剛得到突破，形成了小批量合格產品，但受國內多年『套管法』產品質量不過關、事故頻發造成的惡劣市場印象，也間接導致國內市場推廣受阻。」王連忠說，鑑於國內市場的現狀以及產品優良的性能質量，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，孚信達公司產品得到了施耐德、ABB等國際電器巨頭的關注，並先後就產品的可行性展開了耗時3年的論證，從材料基礎性能分析、惡劣工況模擬試驗研究、小範圍裝機試運行驗證，到工廠檢查的技術驗證，最終於2015年、2016年，分別通過了施耐德、ABB的全球供應商資格認證，成為其銅鋁複合材料獨家供應商。
「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用。」公司銷售副總經理梁雲程說，2015年下半年，公司拿到了施耐德全球供應商資格，為施耐德等公司批量供貨，「ABB低壓產品的整個完備實驗也已完成，他們計劃在新型開關柜上採用我們的產品，現在世界頂級的輸配電企業都和我們建立了業務聯繫」。
在國際市場上廣受歡迎，產品在國內市場的推廣卻很不理想。王連忠告訴記者，公司產品佔據了新能源主機配套領域50%以上的市場份額，但佔據國內電力行業80%以上市場份額的輸配電領域，銅鋁複合導電產品卻一直難以涉足。
「在國網體系中，安全運行是第一要務，新材料的進入可能存在一定風險，這也導致新產品在國網體系推廣中受阻，迫切需要政府和有關行業給予支持。」王連忠說，對於今後的發展，要力爭把銅鋁複合材料作為純銅排、純鋁排之外的第三種新型導體材料供市場選擇，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，以適應更加多元的產品分布。（經濟日報·中國經濟網記者 吉蕾蕾 王軼辰）