重載鐵路銅合金接觸線選型的研究

魏儔元

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州062350）

重載鐵路銅合金接觸線選型的研究

魏儔元

（朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北滄州062350）

采用我國自主創(chuàng)新“上引連擠法”制造的銅鎂合金接觸線改善內(nèi)在品質(zhì)、大幅提高機電性能，居于國際領(lǐng)先水平，已在高速鐵路大面積推廣應(yīng)用，取得了成功的運行業(yè)績。重載鐵路選用基于此先進工藝生產(chǎn)的銅微鎂合金接觸線替代銅銀合金接觸線，在載流條件下，導(dǎo)電率、直流電阻、載流量相差甚微，強度更高，耐磨耗，延長使用壽命，可節(jié)省貴金屬銀和建設(shè)投資，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

重載鐵路；接觸網(wǎng)；接觸線

貨運重載化是提升鐵路運輸能力，緩解鐵路瓶頸制約的有效途徑，符合世界鐵路的發(fā)展方向。重載鐵路開行單元萬噸及2萬噸組合列車，采用和諧（HX）系列大功率電力機車牽引，牽引負(fù)荷電流大。據(jù)統(tǒng)計，各牽引變電所單個供電臂的最大負(fù)荷電流在1 200 A以上，部分達(dá)到1 400～1 500 A，這對牽引網(wǎng)供電能力提出了更高的要求。因此，重載鐵路接觸線應(yīng)具有良好的載流能力，足夠的抗拉強度、耐磨性和高溫抗軟化性能。

目前，我國重載鐵路及線度坡度大的山區(qū)鐵路采用規(guī)格120 mm2或150 mm2的銅銀合金（CTAH型）接觸線。如大秦線正線采用CTAH150型、側(cè)線采用CTAH120型銅銀合金接觸線，其優(yōu)良的耐軟化性能和大載流能力，在重載鐵路運輸中發(fā)揮了重要作用。

近年來，我國企業(yè)采用自主創(chuàng)新的“上引連擠法”工藝，開發(fā)出了含微量鎂的高導(dǎo)電銅微鎂合金接觸線。其抗拉強度為380 MPa（150 mm2規(guī)格），導(dǎo)電率為90% IACS，與銅銀合金接觸線相比，抗拉強度高，耐磨耗，具有同樣良好的耐軟化性能，20℃時的導(dǎo)電率略低，但在載流后，其直流電阻及載流量與銅銀合金接觸線幾乎相同，具有良好運用性能，完全可以替代銅銀合金接觸線，滿足重載鐵路運用要求，并可為國家節(jié)省大量貴金屬銀和建設(shè)投資。

采用“上引連擠法”技術(shù)生產(chǎn)銅及各種銅合金接觸線已在我國全面推廣多年。本文僅對“上引連擠法”作簡略介紹，并對銅微鎂合金接觸線的技術(shù)性能和替代銅銀合金接觸線的經(jīng)濟效益進行初步分析，以期引起同行的關(guān)注，取得共識。

1 “上引連擠法”工藝原理和特點

1.1 連續(xù)擠壓原理

連續(xù)擠壓技術(shù)為英國原子能局Sprinfields研究所D.Green于1971年發(fā)明，最初用于鋁材擠壓，現(xiàn)已廣泛用于銅材擠壓。連續(xù)擠壓的原理是將上引連鑄的桿坯，從擠壓輪上部水平切線方向進入轉(zhuǎn)動著的擠壓輪輪槽中，跟隨轉(zhuǎn)動到1/4圓周處，受到沿水平方向伸入輪槽中的擋塊阻擋（擋塊與容納變形金屬進入的模腔做成一體），由于桿坯與擠壓輪輪槽摩擦和擠壓變形產(chǎn)生的熱量和擠壓力（溫度可達(dá)600℃以上，最大壓力可達(dá)1 000 MPa），桿坯軟化，發(fā)生堆積，進入模腔被從專門的擠壓模具沿水平方向擠出。上引桿坯在受到擠壓過程中，鑄態(tài)晶粒被破碎，同時在高溫下發(fā)生再結(jié)晶。桿坯被擠出模口后即被冷卻，得到細(xì)晶粒組織，使產(chǎn)品機械強度和韌性顯著提高。連續(xù)擠壓是熱加工，卻無需專設(shè)加熱設(shè)備，還避免了因加熱帶來的氧化、酸洗等耗能、污染工序，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本，是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來一種先進的銅加工生產(chǎn)工藝，被廣泛用于銅型材、線材產(chǎn)品的生產(chǎn)中。

1.2 工藝特點

目前銅及銅合金接觸線的制造，可以有多種方法（工藝）。如“連鑄連軋法”（連鑄連軋桿坯加冷加工成型）、“上引法”（上引桿坯直接冷加工成型）和我國自主創(chuàng)新的“上引連擠法”（上引桿坯經(jīng)連續(xù)擠壓后再冷加工成型）。

“連鑄連軋法”銅桿坯中含氧量高（0.020%～0.040%），性脆，主要用于純銅、銅銀、銅錫合金接觸線生產(chǎn)。由于鎂密度小、熔點低、極易氧化，不能用“連鑄連軋法”生產(chǎn)銅鎂合金接觸線?！吧弦ā睏U坯含氧量低（≤0.002%），屬于無氧銅級，韌性好，可用于生產(chǎn)純銅、銅銀、銅錫、銅鎂合金接觸線。但是，其產(chǎn)品內(nèi)部為鑄態(tài)金相組織，晶粒粗大，導(dǎo)電性好、強度偏低，且不均勻、分散性大，架線后小彎多，不利于機車取流。國外制造銅鎂合金接觸線仍然采用這種工藝，在國內(nèi)已經(jīng)為“上引連擠法”所淘汰。

“上引連擠法”的特點是在與大氣隔絕的條件下熔煉合金，并連續(xù)鑄造，產(chǎn)品含氧量為無氧銅級（≤0.002%），品質(zhì)純凈、韌性好。采用連續(xù)擠壓，對上引桿坯進行再加工，實現(xiàn)鑄態(tài)晶粒的破碎和再結(jié)晶，使晶粒細(xì)化（橫向晶粒尺寸小于0.008 mm）?！吧弦B擠法”兼有“連鑄連軋法”和“上引法”各自具有的優(yōu)點，沒有其不足?！吧弦B擠法”綜合利用了固溶強化、細(xì)晶強化、冷加工強化手段，實現(xiàn)了接觸線強度、韌性的大幅度提高，與其他工藝相比，在滿足同樣強度指標(biāo)的條件下，還可以適當(dāng)降低合金元素含量，因而可以獲得更高的導(dǎo)電率，實現(xiàn)機電性能的同時提高，還可以按不同運用要求，制造不同強度等級、機電性能最佳能匹配的銅鎂、銅錫合金接觸線產(chǎn)品（圖1）。

用于替代銅銀合金接觸線的銅微鎂合金接觸線，正是利用上引爐的無氧環(huán)境、銅液相對處于靜態(tài)，化學(xué)成分易于精確控制的特點，進行生產(chǎn)的。

圖1 銅合金擠壓原理圖

1.3 金相組織

“上引連擠法”生產(chǎn)的銅合金接觸線具有無氧銅級含氧量、細(xì)晶金相組織，是其機電性能大幅度提升的內(nèi)在保證。通過觀察比較接觸線橫向晶粒尺寸大小，即可得到清晰的認(rèn)識。圖2、圖3為國內(nèi)外不同工藝與“上引連擠法”生產(chǎn)的接觸線橫斷面金相組織比較。

圖2 國內(nèi)外不同工藝生產(chǎn)的銅銀合金接觸線金相組織比較（放大10倍）

圖3 國內(nèi)外不同工藝生產(chǎn)的銅鎂合金接觸線金相組織比較（放大10倍）

由圖2、圖3顯示的接觸線內(nèi)部金相組織可知，采用我國自主創(chuàng)新“上引連擠法”生產(chǎn)的銅鎂合金接觸線內(nèi)部金相組織，晶粒細(xì)小，與國外（德國、西班牙）仍然采用的“上引法”生產(chǎn)的粗晶銅鎂合金接觸線相比，具有顯著的運行安全可靠性，居于國際領(lǐng)先水平。

2 性能指標(biāo)對比

目前我國采用“上引連擠法”制造的銅合金接觸線技術(shù)已比較成熟，產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)比現(xiàn)行鐵標(biāo)（TB/T 2809－2005）有大幅度提高。正是基于接觸線制造技術(shù)的提高，原鐵道部2012年列項對現(xiàn)行鐵標(biāo)進行修訂。新的鐵標(biāo)即將進行評審，將于2014年發(fā)布施行。表1列出了采用“上引連擠法”生產(chǎn)的銅鎂合金接觸線主要技術(shù)指標(biāo)建議值及與鐵標(biāo)（即歐標(biāo)）值的對比。

表1 采用“上引連擠法”生產(chǎn)的150 mm2銅鎂合金接觸線的技術(shù)指標(biāo)建議值與鐵標(biāo)（即歐標(biāo)）規(guī)定值比較

由表1可知，反映我國當(dāng)前銅合金接觸線制造水平的機械和電氣性能“建議值”都高于2005版鐵標(biāo)值（即歐標(biāo)值），而且增加了更高指標(biāo)的滿足速度380 km/h及以上的品種，和可替代銅銀合金接觸線指標(biāo)相近的銅微鎂合金接觸線的品種。

采用“上引連擠法”制造的高性能細(xì)晶銅鎂合金接觸線（中鎂含量）已在鄭西、京石武高鐵大面積推廣應(yīng)用，取得了成功的運行業(yè)績。在京石武、西寶、武黃、蘭新客專等線路累計用量超過3 000 t。

銅微鎂合金接觸線的抗拉強度為380 MPa，導(dǎo)電率為90%IACS，與銅銀合金接觸線相比，抗拉強度高，導(dǎo)電率略低。具有與銅銀合金接觸線同樣良好的耐軟化性能，如表2所示。由表2可知：銅微鎂接觸線的機電性能實測值比擬定的標(biāo)準(zhǔn)值有足夠的的裕量，遠(yuǎn)高于歐標(biāo)（鐵標(biāo)）規(guī)定值，更加有利于運行安全、使用壽命延長；導(dǎo)電性能的實測值也有足夠裕量，并且隨著工作溫度的升高，兩種接觸線電性能的差值趨于更加微小。

表2 120 mm2銅微鎂合金接觸線與銅銀合金接觸線機電性能對比

3 銅微鎂合金接觸線替代銀銅合金接觸線電性能分析

目前在重載鐵路、城市軌道交通及線路坡度大的普通鐵路普遍采用銅銀合金接觸線，是因為銅中加入w（Ag）＝0.1%的銀，雖然不能提高其抗拉強度（仍為360 MPa），但可以顯著提高其耐軟化性能，而不降低其導(dǎo)電率（仍為97%IACS）。接觸線的耐軟化性能用如下試驗考核：對其進行300℃保溫2 h的軟化處理，冷卻后的抗拉強度應(yīng)不低于處理前的90%。而純銅接觸線在此條件下只能達(dá)到60%。良好的耐軟化性能，可以使銅銀接觸線承受更大的牽引電流時，仍保有較高的抗拉強度，有利于運行安全。

含微量鎂（w（Mg）≤0.10%）的銅微鎂合金接觸線，具有與銅銀合金接觸線同樣良好的耐軟化性能，且抗拉強度（150 mm2規(guī)格）達(dá)到380 MPa，大于銅銀合金接觸線的360 MPa；僅在20℃時的導(dǎo)電率為90% IACS，略低于銅銀合金接觸線的97%IACS。

（1）盡管銅銀合金接觸線20℃下的導(dǎo)電率比銅微鎂合金接觸線高7%IACS，但其電阻溫度系數(shù)0.003 80/℃比銅微鎂合金接觸線0.003 10/℃高很多。因此，在運行中有牽引電流通過時，接觸線溫度升高，銅銀合金接觸線電阻率（直流電阻）增大的速率快于銅鎂合金接觸線。二者之間的直流電阻和載流量值在有牽引電流時，相差非常小。具體計算結(jié)果列于圖4、圖5中。

圖4 銅銀合金接觸線的直流電阻隨溫度升高速率快于銅微鎂合金接觸線

由圖4（a）可知，當(dāng)接觸線工作溫度達(dá)到90℃時，120 mm2銅微鎂接觸線的直流電阻為0.193Ω/km與銅銀合金接觸線的0.186Ω/km相比，僅相差0.007Ω/km，差率3.8%；工作溫度達(dá)到150℃時銅微鎂接觸線的直流電阻為0.222Ω/km，與銅銀合金接觸線的0.219Ω/km相比，相差極微僅0.003Ω/km，差率1.4%（詳見表3）。

圖4（b）表示出150 mm2銅微鎂合金接觸線與銅銀合金接觸線相比，直流電阻分別為0.154Ω/km與 0.149Ω/km，僅相差0.005Ω/km（90℃時），差率3.4%，和0.178Ω/km與0.176Ω/km，相差0.002Ω/km（150℃時），差率1.1%（詳見表3）。

上述兩種合金接觸線的載流量差別也有同樣的規(guī)律：隨著工作溫度的升高，差值趨于減小，數(shù)值也極微小。如圖5所示。

銅銀、銅微鎂合金接觸線工作溫度90℃、150℃時的直流電阻、載流量值列于表3。

圖5 銅銀、銅微鎂合金接觸線不同工作溫度下載流量比較

（2）由于銅微鎂合金的抗拉強度380 MPa大于銅銀合金的360 MPa，故其安全可靠性高、耐磨耗性能好、使用壽命也更長。

（3）我國開發(fā)的銅微鎂合金接觸線，目的在于替代價格高昂的貴金屬銀。按1 t接觸線用1 kg鎂（16元）替代1 kg銀（4 000元）計算，每百正線公里可節(jié)省金屬材料費近140萬元（見表4），不僅節(jié)省了貴金屬銀，也節(jié)省了建設(shè)投資，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

表3 銅銀、銅微鎂合金接觸線的不同工作溫度下的直流電阻、載流量比較

表4 銅微鎂合金接觸線替代銅銀合金接觸線的經(jīng)濟效益

（4）用銅微鎂合金接觸線替代銅銀合金接觸線（150 mm2規(guī)格），每條公里可節(jié)省金屬材料費0.537 8萬元（0.398 4元/t×1.35 t/km＝0.537 8萬元），按朔黃線大修總計2 400條公里計算，總計可節(jié)省1 291萬元。

由上述可知，考慮到提高強度，耐磨耗，提高運行安全可靠性、延長使用壽命，在工程中，采用銅微鎂合金接觸線替代銅合金接觸線，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

（1）“上引連擠法”綜合利用了固溶強化、細(xì)晶強化、冷加工強化手段，實現(xiàn)了接觸線強度、韌性的大幅度提高，是我國自主創(chuàng)新的先進工藝，已為國內(nèi)外企業(yè)廣泛采用。采用“上引連擠法”制造的高性能細(xì)晶銅鎂合金接觸線已在鄭西、京石武、武黃、蘭新等高鐵大面積推廣應(yīng)用超過3 000 t，取得了成功的運行業(yè)績。

（2）采用“上引連擠法”制造的銅微鎂合金接觸線（150 mm2規(guī)格），在載流條件下，與銅銀合金接觸線直流電阻僅相差0.002Ω/km，差率1.1%、載流量僅相差5 A，差率0.6%，抗拉強度更高，耐軟化性能相同，耐磨耗，使用壽命更長，可以滿足重載鐵路接觸線運用的要求。

（3）采用銅微鎂合金接觸線替代銅銀合金接觸線（150 mm2規(guī)格），每百正線公里可節(jié)省金屬材料費近140萬元。應(yīng)用于尚待大修的朔黃線，可節(jié)省金屬材料投資1 291萬元，還可為國家節(jié)省貴金屬材料銀和建設(shè)投資，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。

［1］ TB/T 2809－2005.電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線［S］.北京：中國鐵道出版社，2005.

［2］ 張 強.高性能銅合金接觸線制造工藝的研究與創(chuàng)新［J］.軌道交通，2013，（8）：60-63.

［3］ 萬傳軍.高速電氣化鐵路銅合金接觸線制造技術(shù)新進展［J］.鐵道建筑技術(shù)，2010，（10）：82-85.

Research on the Selection of Copper Alloy Contact Wires for Heavy Haul Railway

WEI Chouyuan
（Shuohuang Railway Development Limited Liability Company，Cangzhou 062350 Hebei，China）

The Cu-Mg copper alloy contact wires manufactured based on our country＇s independent innovation technology，the up-cast and continuous extrusion technology，have a substantial increase in interior quality and electromechanical properties，which have achieved the international leading level.They have been applied to high speed railway widely and obtained successful operation performance.If Cu-Ag copper alloy contact wires were replaced by Cu-Mg copper alloy contact wires in heavy haul railway，under the condition of current-carrying，the electrical conductivity，direct-current resistance and current-carrying capacity are almost the same between Cu-Ag copper alloy contact wires and Cu-Mg copper alloy contact wires，but the later have better strength，high wear resistance and long working life.It could save precious metal of silver and construction investment，which would make a significant technical and economic benefit.

heavy haul railway；overhead line system；contact wires

U225.4＋1

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.03.34

1008－7842（2014）03－0136－05

3—）男，高級工程師（

2014－01－10）