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(yè)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(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，進(jìn)行銅鉻鋯鎂合金（Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg）的大氣熔煉與連續(xù)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(shù)的相關(guān)工藝，穩(wěn)定銅液中合金成分，實現(xiàn)Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg合金銅桿的上引法連續(xù)鑄坯。

關(guān)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(yè)試驗

1　引言

接觸線，交通用電車、電氣化鐵路及工礦電機(jī)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(shè)?，F(xiàn)代交通運輸?shù)牟粩喟l(fā)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(dǎo)電率，以減少接觸線內(nèi)的電壓降；另一方面，接觸線要有較高的機(jī)械強(qiáng)度，以適應(yīng)大跨距鋪設(shè)及減少鋪設(shè)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(jīng)受電弓滑板向機(jī)車供電。除正常的摩擦外，還常常受到非正常的機(jī)械沖擊和事故大電流的影響。高速摩擦產(chǎn)生的火花或大電流會使接觸線的局部產(chǎn)生瞬時高溫，高溫必然會導(dǎo)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(jī)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(qiáng)度。因此，電氣化鐵路接觸線，特別是應(yīng)用于中、高速的接觸線，就必須具有良好的導(dǎo)電性，足夠的強(qiáng)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(fā)展趨勢

鑒于電氣化鐵路發(fā)展的需要和現(xiàn)有各種接觸線的特點，我們亟需一種高強(qiáng)高導(dǎo)耐熱且易加工成形的材料用于生產(chǎn)接觸線。相對而言，銅包鋼接觸線是性能最理想的產(chǎn)品，是接觸線的發(fā)展方向之一，但是其加工方法太復(fù)雜，技術(shù)要求太高，成本太高，在短時間內(nèi)難以形成一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化。銅具有很好的導(dǎo)電性和耐蝕性，合理添加合金元素后的銅合金經(jīng)過合理熱處理或形變處理能獲得較高的強(qiáng)度，同時又不太大地影響其導(dǎo)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(fā)出高強(qiáng)高導(dǎo)高塑性的銅合金受到了廣泛關(guān)注，是目前接觸線最切實際的研發(fā)方向。

Cu-Cr-Zr合金是一種優(yōu)良的可熱處理強(qiáng)化的高強(qiáng)高導(dǎo)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(xù)熔煉與鑄造工藝，是整個銅鉻鋯接觸線生產(chǎn)中的最難點，也是最關(guān)鍵技術(shù)。

我們的試驗內(nèi)容和目標(biāo)是：在銅陵有色股份銅冠電工有限公司的現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上，進(jìn)行銅鉻鋯鎂合金（Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg）［2］的大氣熔煉與連續(xù)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(shù)的相關(guān)工藝，穩(wěn)定銅液中合金成分，實現(xiàn)Cu-0.3Cr-0.1Zr-Mg合金銅桿的上引法連續(xù)鑄坯。

3　本項目擬解決的技術(shù)關(guān)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(shù)關(guān)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(yán)重，甚至在高溫下容易產(chǎn)生揮發(fā)現(xiàn)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(chǎn)的技術(shù)關(guān)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(chǎn)銅鉻鋯鎂合金，該工藝具有產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的可行性和創(chuàng)新性，可突破現(xiàn)有的銅鉻鋯鎂合金連續(xù)生產(chǎn)的技術(shù)難點。

針對這一技術(shù)難點，制定了相關(guān)技術(shù)方案，采取了多種手段進(jìn)行工藝保證。主要包括：熔體溫度調(diào)整、合金元素添加方式與添加時機(jī)、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(shù)難點，由于金屬Zr、Cr的加入，使得合金熔體的吸氣傾向嚴(yán)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(zhǔn)確，往保溫爐放流等也要求嚴(yán)格，這給整個熔煉鑄造增加了難度。

我們在前期工作當(dāng)中，對銅鉻鋯鎂合金的固溶、時效工藝參數(shù)進(jìn)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(shè)備保障提出了挑戰(zhàn)。在均勻化、固溶、時效等熱處理工序中需要新增具有保護(hù)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(shè)備或大水量噴淋設(shè)備。這些設(shè)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(xù)擠壓、連續(xù)軋制和連續(xù)異型拉伸也都是尚未涉及的新工藝，也是需要通過合理設(shè)計與廣泛試驗重點解決的問題。

4　工業(yè)試驗

4.1銅鉻鋯鎂接觸線的基本工藝流程

通過反復(fù)調(diào)研論證后，自2009年1月，公司開始銅鉻鋯鎂接觸線的產(chǎn)業(yè)化的研究工作。

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

銅鉻鋯鎂合金是一種高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金，是目前性能最為優(yōu)良的電工合金。該合金屬于沉淀強(qiáng)化型合金，配以一定的沉淀強(qiáng)化和加工強(qiáng)化，可以達(dá)到高強(qiáng)高導(dǎo)的效果。根據(jù)其強(qiáng)化的特點，以及接觸線的技術(shù)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(xiàn)有兩臺有芯工頻感應(yīng)爐中，熔煉出成分標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量優(yōu)良的銅鉻鋯鎂合金熔體。

連續(xù)鑄造：擬采用上引連續(xù)鑄造法，鑄造出成分標(biāo)準(zhǔn)、性能優(yōu)良、表面質(zhì)量好的連續(xù)長度的合金銅桿，規(guī)格為Φ20mm左右（最終規(guī)格通過試驗確定）。

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

固溶處理：通過引進(jìn)有關(guān)設(shè)備以及公司自身的技術(shù)改造，建立銅鉻鋯鎂合金固溶處理生產(chǎn)線，對合金桿進(jìn)行固溶和淬火處理。

時效處理：在氣氛爐中對合金銅桿進(jìn)行時效處理。

連續(xù)軋制：擬引進(jìn)多輥Y型軋機(jī)，將固溶處理后的合金桿軋制成Φ16mm左右的硬質(zhì)銅桿。

連續(xù)拉伸：擬引進(jìn)接觸線拉拔機(jī)，將銅桿拉制成各種規(guī)格的銅鉻鋯鎂接觸線產(chǎn)品。

此外，如果能在連續(xù)鑄造后連續(xù)擠壓前加入均勻化退火工序，產(chǎn)品質(zhì)量將得到提高和保證，不過成本有所增加。

4.2工業(yè)試驗過程

2011年3月初，公司與江西理工大學(xué)組成的聯(lián)合課題組進(jìn)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(shè)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?fàn)t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(jié)晶器以及不同的鑄造參數(shù)進(jìn)行上引。

（1）采用Φ18mm結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)果質(zhì)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(xué)分析法進(jìn)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(fā)現(xiàn)，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(jié)果

化學(xué)法分析的結(jié)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(jié)果如表2所示，表明Cr在熔體中成分得到了穩(wěn)定。

表2　化學(xué)成分分析結(jié)果

成分分析的結(jié)果表明，合金元素?zé)龘p十分嚴(yán)重。通過分析討論，認(rèn)為造成這種結(jié)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(yuǎn)沒有達(dá)到事先制定的200mm要求。

（2）保溫功率較小，升溫速度慢，導(dǎo)致合金元素熔化和均勻化的時間長，造成氧化嚴(yán)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(yán)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(jīng)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(chǔ)上，課題研究小組對合金桿進(jìn)行了固溶時效處理實驗，參考有關(guān)文獻(xiàn)［3-4］，制定合金的固溶時效工藝。通過硬度/HB、抗拉強(qiáng)度/MPa 、延伸率/％、導(dǎo)電率/IACS％四個參數(shù)的測試，檢驗微合金化的效果。經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，經(jīng)固溶處理后，合金桿導(dǎo)電率明顯下降，再經(jīng)時效處理后，導(dǎo)電率明顯恢復(fù)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(qiáng)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(zhì)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(xù)的加工過程中，如冷拔，會直接快速地發(fā)展成裂紋，如圖4所示。

圖3　上引合金桿的表面

圖4　經(jīng)5％變形量拉拔后合金桿的表面

經(jīng)分析認(rèn)為這是銅鉻鋯鎂合金對結(jié)晶器要求較高的結(jié)果。相對無氧銅及磷而言，銅鉻鋯鎂合金在結(jié)晶過程中存在明顯液固兩相區(qū)，加上導(dǎo)熱速度更差，硬度較高等特點，造成了合金桿表面粗糙的現(xiàn)象。當(dāng)結(jié)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(zhì)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(jìn)行了斷面檢查，并進(jìn)行了X熒光成分分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5　爐襯斷面及X熒光成分分析結(jié)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(xiàn)象。

5　小結(jié)

綜上所述，結(jié)合相關(guān)資料分析［5-6］，本次試驗所得出的主要結(jié)論在于：

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

（2）Cr元素熔入熔體中后可以保持長時間的成分穩(wěn)定；

（3）銅鉻鋯鎂合金熔體在24h內(nèi)對爐襯無明顯侵蝕現(xiàn)象出現(xiàn)；

（4）Cu-Cr-Zr-Mg合金的上引連續(xù)鑄造可以實現(xiàn)，但對結(jié)晶器內(nèi)套質(zhì)量要求高，建議采取高密度耐磨結(jié)晶器內(nèi)套；

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

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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(xiàn)標(biāo)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(shù)主管，主要從事銅加工工藝技術(shù)研究與應(yīng)用。E-mail:tccc-jsb@tlys.cn