上引法鑄造高速列車接觸線材料的工業試驗

劉婉容，田 軍，蔣 英（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

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上引法鑄造高速列車接觸線材料的工業試驗

劉婉容，田 軍，蔣 英
（銅陵有色股份銅冠電工有限公司，安徽 銅陵 244000）

摘要：在銅陵有色股份銅冠電工有限公司的現有設備基礎上，進行銅鉻鋯鎂合金（Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg）的大氣熔煉與連續鑄造試驗，即包括合金的熔煉與上引鑄造，摸索出銅鉻鋯鎂合金的大氣熔煉與鑄造技術的相關工藝，穩定銅液中合金成分，實現Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg合金銅桿的上引法連續鑄坯。

關鍵詞：上引法鑄造；接觸線；Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg；熔煉與鑄造工藝；工業試驗

1　引言

接觸線，交通用電車、電氣化鐵路及工礦電機車等滑動接觸電線的總稱，其中絕大部分是用于電氣化鐵路的建設。現代交通運輸的不斷發展，對接觸線性能提出了愈來愈高的要求。一方面要有較高的導電率，以減少接觸線內的電壓降；另一方面，接觸線要有較高的機械強度，以適應大跨距鋪設及減少鋪設的費用［1］。

高速鐵路用接觸線不同于一般的架空輸電線，它要在長期承受較大懸掛張力的條件下，經受電弓滑板向機車供電。除正常的摩擦外，還常常受到非正常的機械沖擊和事故大電流的影響。高速摩擦產生的火花或大電流會使接觸線的局部產生瞬時高溫，高溫必然會導致接觸線金屬的軟化，在大張力下，接觸線便有可能被拉斷而造成事故。接觸線的波動傳播速度決定了機車的最高運行速度，要提高接觸線的波動傳播速度，一個重要的方面就是加大接觸線的架線張力，以保證接觸線與受電弓接觸時不晃動。而要獲得大張力，就要求接觸線有足夠的強度。因此，電氣化鐵路接觸線，特別是應用于中、高速的接觸線，就必須具有良好的導電性，足夠的強度、耐磨性和高溫軟化性能，同時具有一定的防腐蝕能力。

2　高速列車接觸線發展趨勢

鑒于電氣化鐵路發展的需要和現有各種接觸線的特點，我們亟需一種高強高導耐熱且易加工成形的材料用于生產接觸線。相對而言，銅包鋼接觸線是性能最理想的產品，是接觸線的發展方向之一，但是其加工方法太復雜，技術要求太高，成本太高，在短時間內難以形成一定規模的產業化。銅具有很好的導電性和耐蝕性，合理添加合金元素后的銅合金經過合理熱處理或形變處理能獲得較高的強度，同時又不太大地影響其導電性，銅合金接觸線是完全能勝任高速鐵路運營需要的。因此，開發出高強高導高塑性的銅合金受到了廣泛關注，是目前接觸線最切實際的研發方向。

Cu-Cr-Zr合金是一種優良的可熱處理強化的高強高導合金材料，是高速電氣化鐵路用的理想接觸線材料。然而其制備工藝較為困難，尤其是合金的連續熔煉與鑄造工藝，是整個銅鉻鋯接觸線生產中的最難點，也是最關鍵技術。

我們的試驗內容和目標是：在銅陵有色股份銅冠電工有限公司的現有設備基礎上，進行銅鉻鋯鎂合金（Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg）［2］的大氣熔煉與連續鑄造試驗，即包括合金的熔煉與上引鑄造，摸索出銅鉻鋯鎂合金的大氣熔煉與鑄造技術的相關工藝，穩定銅液中合金成分，實現Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg合金銅桿的上引法連續鑄坯。

3　本項目擬解決的技術關鍵、難點及對策

銅鉻鋯鎂合金是一種微合金化銅合金，合金總含量＜1wt％，然而盡管如此，微合金化卻是本項目最重要的技術關鍵，也是最大的難點所在。原因在于，鉻、鋯都屬于高熔點、易氧化金屬，尤其是金屬鋯，氧化吸氣十分嚴重，甚至在高溫下容易產生揮發現象，對合金的熔煉具有較大的困難，因此熔煉工藝成為銅鉻鋯鎂接觸線生產的技術關鍵。在前期制定工藝流程的分析討論中，擬采用大氣熔煉法生產銅鉻鋯鎂合金，該工藝具有產業化生產的可行性和創新性，可突破現有的銅鉻鋯鎂合金連續生產的技術難點。

針對這一技術難點，制定了相關技術方案，采取了多種手段進行工藝保證。主要包括：熔體溫度調整、合金元素添加方式與添加時機、覆蓋材料、厚度與前處理等。

銅鉻鋯鎂合金的鑄造同樣是一個需要解決的技術難點，由于金屬Zr、Cr的加入，使得合金熔體的吸氣傾向嚴重，且存在大量氧化浮渣，給鑄造帶來困難。此外上引鑄造要求熔煉爐的投料集中而準確，往保溫爐放流等也要求嚴格，這給整個熔煉鑄造增加了難度。

我們在前期工作當中，對銅鉻鋯鎂合金的固溶、時效工藝參數進行了大量的實驗摸索，已較為成熟，但是對于大卷重的合金桿來說，對設備保障提出了挑戰。在均勻化、固溶、時效等熱處理工序中需要新增具有保護氣氛的大號加熱爐。此外，大卷重銅材的淬火需要有快速冷卻裝置，可新增大水池及快速移動的吊裝設備或大水量噴淋設備。這些設備的配備具有一定新穎性，需要克服一些困難。

此外，合金的連續擠壓、連續軋制和連續異型拉伸也都是尚未涉及的新工藝，也是需要通過合理設計與廣泛試驗重點解決的問題。

4　工業試驗

4.1銅鉻鋯鎂接觸線的基本工藝流程

通過反復調研論證后，自2009年1月，公司開始銅鉻鋯鎂接觸線的產業化的研究工作。

在前期工作中，公司與江西理工大學針對銅鉻鋯鎂接觸線的生產工藝特點以及關鍵技術和擬解決的難點問題，制定了銅鉻鋯鎂接觸線生產的基本工藝流程，分析了最難解決的技術難題，并提出了解決對策，擬定了試驗方案，并進行了初步試驗。

銅鉻鋯鎂合金是一種高強高導銅合金，是目前性能最為優良的電工合金。該合金屬于沉淀強化型合金，配以一定的沉淀強化和加工強化，可以達到高強高導的效果。根據其強化的特點，以及接觸線的技術要求，制定其基本工藝流程如圖1所示。

圖1　擬制定的基本工藝流程

熔煉：擬在公司現有兩臺有芯工頻感應爐中，熔煉出成分標準，質量優良的銅鉻鋯鎂合金熔體。

連續鑄造：擬采用上引連續鑄造法，鑄造出成分標準、性能優良、表面質量好的連續長度的合金銅桿，規格為Φ20mm左右（最終規格通過試驗確定）。

連續擠壓：擬新采購TLJ400連續擠壓機，將上引合金銅桿通過連續擠壓開坯，制成規格為Φ28mm左右的合金桿（最終規格通過試驗確定）。

固溶處理：通過引進有關設備以及公司自身的技術改造，建立銅鉻鋯鎂合金固溶處理生產線，對合金桿進行固溶和淬火處理。

時效處理：在氣氛爐中對合金銅桿進行時效處理。

連續軋制：擬引進多輥Y型軋機，將固溶處理后的合金桿軋制成Φ16mm左右的硬質銅桿。

連續拉伸：擬引進接觸線拉拔機，將銅桿拉制成各種規格的銅鉻鋯鎂接觸線產品。

此外，如果能在連續鑄造后連續擠壓前加入均勻化退火工序，產品質量將得到提高和保證，不過成本有所增加。

4.2工業試驗過程

2011年3月初，公司與江西理工大學組成的聯合課題組進行了第一階段第一次試驗，即銅鉻鋯鎂的熔煉與鑄造試驗，試驗采用公司老線的有芯工頻爐及上引設備。

熔煉：合金計算成分采用Cu-0.3Cr-0.1Zr，共使用了310kgCu-3.5Cr中間合金、30kgCu-10Zr中間合金、1.5kgCu-15Mg中間合金，熔體總重約為3.6t。

此次試驗，熔煉爐中熔煉紫銅，在保溫爐前倉投入中間合金。投入中間合金時保溫爐功率加到最大，溫度盡量升高至1200℃。為防止爐溫下降太快，中間合金切成小塊，逐塊加入。在熔體表面覆蓋石墨鱗片，保溫時間1h。

鑄造：鑄造時分別采用了Φ18mm、Φ20mm、Φ24.6mm三種結晶器以及不同的鑄造參數進行上引。

（1）采用Φ18mm結晶器，鑄造溫度1155℃，水壓0.4MPa，上引速度530mm/min，引桿成功，但引至3m左右時拉斷。

（2）采用Φ20mm結晶器，鑄造溫度1160～1165℃，水壓0.4MPa，上引速度437mm/min，引桿成功，截距接近4mm，但引至20m左右時拉斷。

（3）采用Φ24.6mm結晶器，鑄造溫度1160℃，水壓0.4MPa，上引速度310mm/min，引桿成功，截距接近4mm。

圖2所示為上引出來的Φ24.6mm合金銅桿。

圖2　成功上引的Φ24.6mm合金銅桿

4.3階段性試驗結果質量分析

4.3.1合金桿成分分析

分別對銅桿采用了X熒光成分分析以及化學分析法進行分析。

X熒光成分分析是一種半定量分析方法，主要用于材料中存在元素的定性掃描，通過X熒光成分分析發現，在合金中存在Cr、Zr元素，如表1所示。

表1　X熒光成分分析結果

化學法分析的結果是Cr含量為0.07％，Zr含量＜0.01％。其中最先上引和最后上引的銅桿中Cr含量均為0.07％，測試結果如表2所示，表明Cr在熔體中成分得到了穩定。

表2　化學成分分析結果

成分分析的結果表明，合金元素燒損十分嚴重。通過分析討論，認為造成這種結果的原因主要有以下幾個方面：

（1）覆蓋層較薄，覆蓋的石墨鱗片厚度不夠，遠沒有達到事先制定的200mm要求。

（2）保溫功率較小，升溫速度慢，導致合金元素熔化和均勻化的時間長，造成氧化嚴重。

（3）中間合金中合金元素含量較低，單塊重量較大，使得中間合金的添加總量較大，熔化時間較長，造成氧化吸氣嚴重。

（4）銅液量估算失誤，總量增加，時間增長，多次注入保溫爐中，造成液面波動，氧化加劇。

（5）中間合金未經過干燥處理，將水氣帶入熔體，造成Zr的氧化。

4.3.2合金桿基本性能分析

在合金桿的成分分析基礎上，課題研究小組對合金桿進行了固溶時效處理實驗，參考有關文獻［3-4］，制定合金的固溶時效工藝。通過硬度/HB、抗拉強度/MPa 、延伸率/％、導電率/IACS％四個參數的測試，檢驗微合金化的效果。經過試驗發現，經固溶處理后，合金桿導電率明顯下降，再經時效處理后，導電率明顯恢復并提升，且硬度明顯提高（如表3所示）。

表3　試驗銅桿的基本性能

這表明：（1）雖然合金元素含量極微，但仍然有沉淀強化效果；（2）摸索的固溶與時效工藝可行。

4.3.3合金桿的表面質量分析及爐體侵蝕分析

相對于無氧銅上引桿、磷銅上引桿而言，引出的合金桿表面較為粗糙，如圖3所示，這種粗糙的表面如果不加處理，在后續的加工過程中，如冷拔，會直接快速地發展成裂紋，如圖4所示。

圖3　上引合金桿的表面

圖4　經5％變形量拉拔后合金桿的表面

經分析認為這是銅鉻鋯鎂合金對結晶器要求較高的結果。相對無氧銅及磷而言，銅鉻鋯鎂合金在結晶過程中存在明顯液固兩相區，加上導熱速度更差，硬度較高等特點，造成了合金桿表面粗糙的現象。當結晶器表面不夠致密且耐磨性較差時，石墨模容易損壞，造成合金桿較差的表面質量。

4.3.4銅鉻鋯鎂合金對爐體侵蝕分析

清爐后在爐壁取樣，對爐襯進行了斷面檢查，并進行了X熒光成分分析，結果如圖5所示。

圖5　爐襯斷面及X熒光成分分析結果

從圖5可以看出，此次試驗過后，銅鉻鋯鎂合金對爐襯并未有明顯侵蝕現象。

5　小結

綜上所述，結合相關資料分析［5-6］，本次試驗所得出的主要結論在于：

（1）Cr、Zr元素在熔煉環境下極易氧化或揮發，銅鉻鋯鎂合金的大氣熔煉工藝制度要求高，需要嚴格控制；

（2）Cr元素熔入熔體中后可以保持長時間的成分穩定；

（3）銅鉻鋯鎂合金熔體在24h內對爐襯無明顯侵蝕現象出現；

（4）Cu-Cr-Zr-Mg合金的上引連續鑄造可以實現，但對結晶器內套質量要求高，建議采取高密度耐磨結晶器內套；

（5）Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg合金銅桿的上引法連續鑄坯工業試驗仍需要繼續總結和實施。

參考文獻：

［1］溫宏權，毛協民，葉文博，等.銅電車線材料的研究進展［J］.材料導報，1998，12（1）:25-28.

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［3］宋練鵬，尹志民，李娜娜，等.不同處理工藝對Cu-Cr-Zr-Mg 合金組織與性能的影響［J］.稀有金屬，2004，28（1）:122-125.

［4］蔡薇，柳瑞清，王曉娟.鉻鋯含量對銅合金組織及性能的影響［J］.熱加工工藝，2006，35（6）:10-11.

［5］蔡薇，柳瑞清，王曉娟.鉻和鋯對鑄態銅合金性能影響的研究［J］.鑄造技術，2005，26（9）:800-803.

［6］黃福祥，李春天，王振林，等.Cu-Cr-Zr合金的鑄態組織分析［J］.鑄造，2008，57（1）:56-58.

Industrial Test of Contact Line Material of High Speed Train by Upward Casting

LIU Wan-rong，TIAN Jun，JIANG Ying
（Tongling Nonferrous Copper Crown Electrical Co.，Ltd.，Tongling 244000，Anhui，China）

Abstract:The atmosphere melting and continuous casting experiment of Cu-Cr-Zr-Mg alloy is tested by current equipment of Tongling Nonferrous Metals Copper Crown Electrical Co.Ltd.，which includes alloy smelting and upward casting.The technical process of Cu-Cr-Zr-Mg alloy atmospheric melting and casting is obtained，which could stabilize the alloy components of copper liquid and realize the upward continuous casting operation of Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg rod.

Keywords:upward casting；contact wire；Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg；smelting and casting process；industrial test

中圖分類號：TG29

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3842（2016）02-0028-04

收稿日期：2015-09-10

作者簡介：劉婉容（1968-），女，安徽淮北市人，高級技術主管，主要從事銅加工工藝技術研究與應用。E-mail:tccc-jsb@tlys.cn