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【扩大钛应用】钛与超导磁浮列车
2022-01-14 10:45:42   来源:中国有色金属报    点击:

作者:王祝堂

 

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  磁浮列车是一种高速高新技术交通工具,一些国家如中国、德国、日本等都在发展,作为大城市内和区域内城市之间的快捷运输与交通工具。世界首条商业运营磁浮列车是上海的西起龙阳路站东至浦东国际机场的磁浮线路,全长33km,设计速度431km/h,行走全程仅需7min,采用的技术是德国提供的。已安全运行近20年,证明技术过硬。尔后中国又计划建设沪杭磁浮线,计划于2010年上海世博会召开之前投入运营,但由于种种原因,搁浅了。沪杭线全长约175km,其中,浙江段正线长约105km,全线高架,设上海站、嘉兴站、杭州东站。沪杭磁浮线为市郊区间线路,正常运行速度450km/h,中心城区内正常最高运行速度≤200km/h,最初工程概算总投资为350亿元,现在的概算投资可能会>400亿元。

  磁浮列车是一种利用磁极排斥力和吸引力运行高技术交通工具,即排斥力使列车浮起来、吸引力开动列车。磁浮列车上装有超导磁铁,铁路底部装有线圈。通电后,地面线圈产生的磁场极性与列车上的电磁体极性总保持相同,两者同性相斥,使列车浮起来。铁轨两侧也装有线圈,交流电使线圈变为电磁体,它与列车上的磁铁相互作用,使列车前进。制造超导磁铁的主要材料为钛-铌(Ti-Nb)合金。

  1801年,英国化学家哈奇特(C.Hatchett)在分析矿石时发现一种元素,命名为钶(Columbium)。1844年,德国化学家罗瑟(H.Rose)发现一种类似钽的金属元素,就用钽的女儿(Niobe)命名为Niobium。1866年查明钶与铌系一种元素,1951年,国际纯粹化学与应用化学联合会将名字统一为铌。铌的超导转变临界温度9.25K,原子的热中子吸收截面1.1靶恩,标准电极电势Nb/Nb5+0.96V。铌与钽的化学性质很相似,都是非常稳定的化学元素。铌对于很多腐蚀介质在冷态或稍热的条件下不起反应,致密的铌在空气中只在温度>200℃时才明显氧化。铌的主要物理性能(见表):

  铌与钽的物理化学性质相似,在自然界矿物中多为共生,世界上多数铌矿石品位为0.2%~0.6%,选矿后得到的标准铌精矿品位为50%~65%(Nb,Ta)2O5。世界铌矿储量已探明为690万吨。提取铌主要包括分解精矿、分离钽铌、制取化合物和金属、精炼等过程。铌的工业生产方法有碳热还原法、钠热还原法和铝热还原法。

  铌以铌铁形式用于钢铁工业,消费量占世界总量的85%以上,多用于碳素钢和高强度低合金钢。铌在钢中的主要作用是通过控制脱溶碳化铌的大小和分布,而达到提高钢的抗磨损性、抗腐蚀性、细化晶粒及脱溶强化,从而改善钢的性能。铌同钛、锡、锆、铝、锗的合金或金属化合物所形成的超导体具有重要意义,铌-钛合金和铌锡化合物(Nb3Sn)是目前已经应用的超导材料,特别是前者是制造磁浮列车超导磁铁不可或缺的材料,没有铌-钛合金超导材料,高速列车就浮不起来,也不能向前飞跑。

  高速磁浮列车最大的优点是速度快,全自动化运行,速度≥550km/h因而平平稳稳、无噪声;线路占地面积少、磁场强度低、能耗低,由于是抱轨浮着行驶,且按飞机的防火标准配置设施,因此乘坐平稳舒适,极为安全。轨道里安装了大功率直线同步电机,所以高速磁浮列车动力来源于轨道,具有高度的加速和制动能力;转弯半径小,爬坡能力强。

  Ti-Nb二元相图如下所示,Nb在β-Ti中无限固溶,形成连续固溶体。Nb在α-Ti中固溶度随温度下降而升高,存在固溶体α-Ti和β-(Ti,Nb)。

 

 

 

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