为确保列车高速运行时能持续不断地从牵引供电系统中获得电能,牵引供电系统必须具备良好的弓网配合关系.接触线作为电气化铁路弓网关系的重要介质,是接触网中重要的组成部分.但接触线工作环境恶劣,需要承受冲击、振动、温差变化、环境腐蚀、磨耗、电火花烧蚀和极大的工作张力,其性能直接影响高速列车的行车安全.所以,如何确保接触线产品,尤其是铜合金接触线产品连续、均匀和稳定的力学性能及电性能,成为各个生产企业必须解决的问题.

目前,国内生产铜合金接触线采用的领先工艺为上引连挤工艺.该工艺生产出的产品,可确保在提高材料力学性能的同时,保证接触线的导电性能.但该生产工艺,需要在生产的全过程中,对各个工序的工艺参数及生产装备、条件进行有效控制,才能确保铜合金接触线产品的性能均匀、稳定及连续.

本文就铜合金接触线的各个生产工序的关键工艺及控制点进行了研究,并介绍了如何有效避免生产过程中各种质量问题的产生.

生产铜合金接触线产品,目前采用的较为成熟的生产工艺为上引连铸铜杆,经过连续挤压再结晶强化后,再经过二辊冷轧机的冷加工变形,最后经过接触线拉拔机,拉制成所需规格的铜合金接触线产品,工艺流程如图 1所示.通过将合金含量控制在一定的范围内,经过该工艺后,其所有的性能指标均可达到铁标TB/T 2809—2005的要求.

图 1

图 1 工艺流程图 Fig.1 Process flow chart

采用上引连铸炉生产制造接触线杆坯.上引连铸炉是工频感应炉,主要原理是通过熔沟内大电流产生电磁力,炉内铜液在电磁力搅拌下充分混合,合金元素在铜液中均匀分布.另外,上 引连铸炉中熔化腔和保温腔之间有过渡腔,铜液从熔化腔经过渡腔流入保温腔时避免直接流入,这不仅有利于铜液温度和液位的平稳,同时可以比较容易地在过渡腔内清除渣质.这样保温腔内铜液的温度稳定,成分均匀,液位平稳,铜液清洁,从而保证了通过上引炉生产的接触线杆坯整线强度的均匀一致性,有效防止了接触线出现局部强度低的情况.

表 1为TB/T 2809—2005标准中对铜合金主要化学成分质量分数的要求.由于铜锡、铜镁合金在熔炼过程中极易与氧反应形成硬脆相,降低合金杆的力学性能,对此,应严格控制炉温、引速、冷却强度和木炭覆盖层厚度等工艺参数以及加料计算、操作过程,同时采用炉前取样检测的监控手段,很大程度地降低了合金的烧损,确保了合金成分的均匀.

表 1(Table 1)

表 1 TB/T 2809—2005中铜合金的主要化学成分 Table 1 Main chemical compositions of copper alloy % 铜及铜合金类别 Ag Mg Sn Bi O Pb P 其他杂质总和 Cu 铜银合金 0.08～0.12 — — ≤0.000 5 ≤0.030 0 — — ≤0.03 余量 铜镁合金( w Mg=0.2%) — 0.1～0.3 — — — — ≤0.01 ≤0.10 余量 铜镁合金( w Mg=0.5%) — 0.4～0.7 — — — — ≤0.01 ≤0.10 余量 铜锡合金 — — 0.15～0.55 — — — — ≤0.10 余量

表 1 TB/T 2809—2005中铜合金的主要化学成分 Table 1 Main chemical compositions of copper alloy

通过不断的试验,发现在上引连铸工序中易出现的质量缺陷主要有夹渣、裂纹和空心.通过不断的摸索及工艺试验,查找并确定了造成各类质量缺陷的原因,并制定了解决办法,见表 2.

表 2(Table 2)

表 2 上引连铸产品的主要缺陷及产生原因 Table 1 Main drawbacks of and causes for the upcast product 缺陷名称 产生原因 解决办法 图片 夹渣 (1) 结晶器位置偏高,熔池表层的杂质被吸入结晶器内.(2) 不当操作将杂质搅入铜液中.(3) 铜液液位太低.(4) 清渣不及时. (1) 结晶器的位置不宜过高.(2) 清渣过程,小心操作,尽量避免铜水的波动,防止杂质搅入铜液中.(3) 保证一定高度的液位.(4) 定时进行清渣. 裂纹 (1) 杂质元素或氧含量偏高,结晶组织中出现低熔点物.(2) 工艺不合理,例如温度波动大、上引速度过慢、节距偏长.(3) 结晶器使用时间过长,表面不光滑.(4) 石墨模具质量差或是寿命已到,表面有裂纹. (1) 严格控制氧的质量分数＜0.002 0%.(2) 选用最佳、最稳定的工艺参数.(3) 定期对结晶器进行清洗及更换.(4) 选用质量优良的石墨模具,并及时更换. 空心 (1) 铸造温度过高或结晶器冷却能力不足、中心出现疏松.(2) 铜液中气体含量高,凝固过程中析出大量气体. (1) 将铸造温度控制在一定范围内,不可过高.(2) 注意铜液的表面覆盖层的厚度,防止吸氧.(3) 选用合适的覆盖物及覆盖方法,确保铜液中气体的有效排除.

表 2 上引连铸产品的主要缺陷及产生原因 Table 2 Main drawbacks of and causes for the upcast product

连续挤压机的工作原理:通过电机旋转带动挤压轮,杆坯进入挤压轮轮槽,由于槽壁的摩擦力作用,杆坯被牵引到由挤压轮和腔体形成的弧形挤压腔内,在高压和高温作用下,杆坯通过模口挤出,形成管材或者型材产品.

金属在模腔内受3向压应力作用,塑性得到最好的发挥,并且由于挤压死区的存在,杆坯的表面质量得到了很大提高.在挤压过程中,坯料温度在短时间内迅速升高到500 ℃以上,腔体内压强达到1 000 MPa左右.

上引连铸铜合金杆在挤压过程中发生动态再结晶,与传统工艺相比,形成的晶粒更为细小、均匀,晶粒间直径差别更小,含氧质量分数＜0.001 0%.挤压设备采用国内具备铜镁合金生产成熟设计制造经验的厂家生产,其优势在于:铜杆经过挤压,内部晶粒细小,组织均匀一致,可有效提高接触线的抗拉强度、导电率和疲劳强度,且设备状态稳定,便于连续作业.

挤压工序的生产关键除了与挤压本身的工艺参数及设备稳定性密切相关外,还有以下几点关键因素,直接影响挤压产品的表面质量:

(1) 上引铜杆的存储时间不宜过长,以防止表面灰层、油污、氧化皮多,且受潮严重.

(2) 挤压前,铜杆应经过清洁设备,将表面的灰层、油污清刷干净.

(3) 挤压前,铜杆应经过干燥设备,将表面的水分去除,以防止起泡.

(4) 生产不同牌号的产品时,应当选择不同的挤压速度,这样才能保证挤压机的正常运转.

表 3为连续挤压产品的主要缺陷及产生原因.

表 3(Table 3)

表 3 连续挤压产品的主要缺陷及产生原因 Table 1 Main drawbacks of and causes for continuous extrusion 缺陷名称 产生原因 解决办法 图片 内部分层 挤压机生产过程中溢料卷入挤压轮槽. (1) 挤压生产前,确保挤压轮的正常挂铜.(2) 选用最佳的垫片厚度,保证间隙的正常.(3) 挤压过程中,及时对两边的溢料进行清理,防止卷入.(4) 确保挡料块的正常使用. 表面气泡 上引铜杆表面污染—灰尘、油污、受潮. (1) 不可使用存储时间过长的上引铜杆进行挤压.(2) 在挤压轮前,加装表面除尘装置.(3) 在挤压轮前,加装表面烘干装置.

表 3 连续挤压产品的主要缺陷及产生原因 Table 3 Main drawbacks of and causes for continuous extrusion

接触线成型采用4模连续拉伸巨拉机组,各拉丝鼓轮采用单独电机驱动,配模方式灵活,拉丝鼓轮表面光滑,并略带锥体设计,避免了线与线之间相互滑动而产生的擦伤,提高了接触线的表面质量.拉丝鼓轮采用内外水循环系统进行冷却,冷却充分,确保鼓轮内铜线不致过热,有效提高了拉拔线速度.

在拉拔过程中,为了生产出表面优良、性能合格并稳定的接触线成品,除了与原料杆的质量密切相关外,还与拉拔过程中的各种工艺参数及工艺条件密不可分.突出表现在冷却水的冷却部位、冷却强度、模具配置、模具材质及生产中系数的调整等.

表 4、表 5为铁标TB/T 2809—2005中对铜合金接触线产品性能的要求.表 6为拉拔产品的主要缺陷、产生原因及解决办法.

表 4(Table 4)

表 4 电阻率 Table 1 Resistivity 接触线型号(不含规格) 电阻率(20 ℃)/(Ω·mm 2·m -1) CTAH ≤0.017 77 CTM ≤0.022 40 CTMH ≤0.027 78 CTS ≤0.023 95

表 4 电阻率 Table 4 Resistivity

表 5(Table 5)

表 5 不同型号接触线的力学性能 Table 1 Mechanical properties of contact wires of different types 接触线型号 抗拉强度/MPa≥ 拉断力/kN≥ 伸长率(未软化)/%≥ 扭转圈数(至断开)≥ 反复弯曲次数≥ 未软化 软化 弯曲半径/mm 至开裂 至断开 CTAH120 360 43.56 39.20 3.0 5 30 4 6 CTM120 430 52.03 46.83 3.0 5 30 4 6 CTMH150 470 70.97 63.87 3.0 5 30 4 6 CTS120 420 50.82 45.74 3.0 5 30 4 6

表 5 不同型号接触线的力学性能 Table 5 Mechanical properties of contact wires of different types

表 6(Table 6)

表 6 拉拔产品的主要缺陷及产生原因 Table 1 Drawback of and causes for drawing 缺陷名称 产生原因 解决办法 图片 擦伤 线与线之间没有形成一定的距离,鼓轮转动时导致挤伤、线材水平运动时导致擦伤. 1. 选用合适浓度的乳化液. 2. 调整打滑系数至最佳. 3. 控制放线及收线的张力. 4. 选择最佳的模具配置.

表 6 拉拔产品的主要缺陷及产生原因 Table 6 Drawback of and causes for drawing

目前使用较多的表面检测设备是涡流探伤仪.其原理是利用导电材料在交变磁场中产生涡流的性质,检测导电材料叠加磁场的变化信号以表征材料缺陷.该设备设计精密,探测准确率高,运转稳定,误报率小,可调节频率以满足不同深度的探测需求.

除配备有传统的涡流探伤仪检测表面外,还配置了深度探伤仪.该检测设备专用于接触线类产品的在线检验,能够探测产品内部的瑕疵,检验精度高、设备灵敏性好、信息分析准确,可发现产品内部的裂纹、孔洞等瑕疵.设备与机台联动,已实现开机自动记录,遇缺陷自动停机.

根据铁标TB/T 2809—2005的要求,需对标准中规定的所有性能指标进行检测,以确保铜合金接触线产品满足用户的使用要求.通过“上引连铸—连续挤压—拉拔”工艺,产品的实测性能见表 7,全部符合标准要求,满足用户的使用需求.

表 7(Table 7)

表 7 接触线产品实测性能 Table 1 Measured property of contact wire 型号 电阻率(20 ℃)/(Ω·mm 2·m -1) 抗拉强度/MPa 拉断力/kN≥ 伸长率(未软化)/% 扭转圈数(至断开) 反复弯曲次数≥ 未软化 软化 至开裂 至断开 CTAH120 0.017 48 413 49.97 46.69 6.2 7.8 7 10 CTM120 0.020 24 462 55.89 51.73 6.4 6.6 5 8 CTMH150 0.025 54 542 81.83 73.31 5.3 6.5 6 10 CTS120 0.022 10 462 55.91 51.66 5.8 7.9 6 9

表 7 接触线产品实测性能 Table 7 Measured property of contact wire

(1) 上引连铸的关键工艺在于炉温、引速、冷却强度和木炭覆盖层厚度的控制.

(2) 连续挤压的关键控制点在于上引铜杆的表面状况、存储时间及挤压速度.

(3) 接触线拉拔的生产关键控制点在于拉拔系数的调整、乳化液的润滑、模具的材质及配置等.

(4) 接触线的检测手段,应采用表面涡流探伤检测及内部深度探伤检测相结合,以确保真正做到缺陷的有效控制.

(5) 使用“上引连铸—连续挤压—拉拔”工艺,在连续挤压工序,上引的铸态组织经过再结晶后变为超细的晶粒,可以大大提高产品的强度并保证了一定的导电率.因为拉拔进杆为软态产品,可以降低劳动强度,规避了一定的操作风险,并且能有效地提高拉拔工序的生产效率,具有较高的经济和社会效益.