電氣化鐵路銅錫合金接觸線的應用

陳紹華，王作祥

0 引言

國內已經進入建設高速電氣化鐵路的新時期。按照中長期鐵路發展規劃，到2020年國內鐵路運營里程達到12萬公里，電氣化率達到60%，其中包括新建客運專線9 000 km。隨著國民經濟的增長和人民生活水平的提高，電氣化鐵路還將進一步發展。接觸線是電氣化鐵路接觸網中最重要的材料之一，并且需求量大。因此，接觸線的選材問題應該引起業界人士的關注。

目前，電氣化鐵路接觸線用的銅合金材料有銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金以及處于研發階段的銅鉻鋯合金等。接觸線用銅合金材料的選擇應該考慮：材料的使用性能（物理性能、安全性、可靠性、耐腐蝕性等）；工藝性能（合金成分的均勻性、工藝過程的復雜程度、產品質量的穩定性、生產過程對環境的影響等）；經濟合理性。本文將敘述銅錫接觸線的使用性能、工藝性能以及制造成本，認為銅錫接觸線性能范圍寬適應性好、生產工藝簡單、產品質量穩定、制造成本低。推廣應用銅錫接觸線符合建設節約型社會的國家政策。

1 國內外銅合金接觸線的應用情況

電氣化鐵路遍布世界各地，時速在200 km以上的高速電氣化鐵路幾乎都集中在歐洲（德國、法國、西班牙）和亞洲（日本、中國、韓國）。不同的接觸網設計對接觸線的性能提出了不同的要求。德國對接觸線的選材是：時速在250 km以下的采用銅銀接觸線，時速300 km以上的采用銅鎂接觸線。在法國，時速300 km以上電氣化鐵路有銅鎂接觸線也有銅錫接觸線。在日本，各種不同時速的電氣化鐵路采用不同性能等級的銅錫合金接觸線。

法國“大西洋線”，設計時速為300 km，采用的銅錫接觸線和銅鎂接觸線各占50%。法國還曾經試驗了世界上最快速度的電氣化列車，運行時速達500 km，其試驗段上的接觸線是銅錫接觸線（截面為120 mm2，抗拉強度為534 MPa）。

日本的電氣化鐵路總長為1.2萬公里，包括新干線，采用銅錫接觸線。中國臺灣的臺北—高雄線設計時速350 km，采用的是日本廠商提供的銅錫接觸線。

在國內，時速120，160 km的電氣化鐵路和城市地鐵、軌道交通大量采用銅銀接觸線，2005年以后建設的客運專線，開始采用銅錫接觸線和銅鎂接觸線。

2004年開始建設的秦皇島—沈陽線是國內第一條時速250 km的電氣化鐵路，按照歐洲的經驗，采用銅銀接觸線，由德國進口。2006年以后建設的時速為200～250 km的客運專線：青島—濟南，合肥—南京，合肥—武漢，溫州—臺州—寧波，溫州—福州，福州—廈門鐵路都采用了符合EN50149（CuSn0.4）技術標準的銅錫接觸線。以上情況表明，國內設計時速在200～250 km的客運專線已經廣泛采用了銅錫合金接觸線，效果良好，已經取得了共識。

時速為350 km的客運專線：北京—天津城際鐵路，武漢—廣州客運專線，鄭州—西安客運專線采用高鎂銅鎂合金接觸線（CTMH），而廣州—深圳—香港客運專線則采用高強銅錫合金接觸線（CTSH）。由此看來，設計時速為350 km的線路接觸線在選材上是不相同的。

2 銅錫合金接觸線

2.1 低錫接觸線

目前，國內時速200 km以下的電氣化鐵路，普遍采用銅銀接觸線。按照中長期發展規劃，到2020年鐵路運營里程要達到12萬公里，電氣化率達到60%。這意味著在2010—2020年的十年內要新建、改建5.5萬公里的電氣化鐵路，其中除了客運專線外，還有4萬多公里電氣化鐵路要新建或大修換線，銅銀接觸線的需求量非常大。

此外，城市地鐵、軌道交通也大量采用銅銀接觸線。據資料介紹，國內城市規劃建設的軌道交通網絡總里程已達5 000 km。隨著城市化的快速推進，作為中國城市公共交通網絡重要組成部分的城市軌道交通網絡建設也在快速發展。目前北京、上海、廣州、深圳等10個城市已建成了地鐵和軌道交通，全國規劃建設軌道交通網絡的城市已有 25個。到2012年北京地鐵和軌道交通運營里程將達到561 km，2020年將達到1 800 km。上海將計劃修建18條地鐵和軌道交通。與電氣化鐵路不同，地鐵和軌道交通的接觸網電壓低，電流大，車密度大，弓架次多，大修換線周期短，銅銀接觸線的需求量也將是很大的。

銅銀接觸線中含銀量為 0.08%～0.12%，每生產1 t銅銀合金接觸線需要消耗白銀1.5 kg（生產過程中有一定的成品率及金屬損耗）。白銀是貴重金屬資源，若以市場容量1萬t/年計算，每年將消耗白銀15 000 kg，這是巨大的貴重金屬資源的消耗。隨著國內鐵路電氣化率的不斷提高，運營里程的不斷增加，城市地鐵和軌道交通的建設，銅銀接觸線需求量也將不斷增加，貴重金屬白銀的消耗量還將繼續擴大。

為了改變這種狀況，一些企業經過試制，成功開發了低錫接觸線（CTSL），其綜合性能指標達到銅銀合金接觸線（CTAH）的水平（見表1）。

表1 低錫合金接觸線（CTSL）與銅銀合金接觸線（CTAH）性能比較一覽表

從表1可以看出低錫接觸線（CTSL120）的抗拉強度明顯高于銅銀接觸線（CTAH120），導電率與載流量接近于銅銀接觸線（CTAH120），磨耗比低于銅銀接觸線（CTAH120）。低錫接觸線和銅銀接觸線都可以采用連鑄連軋工藝生產，但低錫接觸線的成品率高，加工成本約為銅銀接觸線的80%。

用低錫接觸線（CTSL）代替銅銀接觸線，不僅每年可以節約大量貴重金屬白銀，降低接觸線的造價。而且，銅錫接觸線（CTSL）磨耗比小，強度高，使用壽命長，運行更安全可靠。目前，低錫接觸線已開始批量用于電氣化鐵路和城市地鐵，效果良好。2006年以來，時速200～250 km的合武客運專線、溫福客運專線、福廈客運專線、海南東環線、廈深客運專線等，采用銅錫接觸線（CTS150）3 000多t，均取得良好的效果。

2.2 高強、超高強銅錫接觸線

為了滿足高速鐵路用銅合金接觸線，一些企業開發研制了高強銅錫接觸線（CTSN）與超高強銅錫接觸線（CTSH）。高強銅錫接觸線（CTSN）主要性能優于鐵標 TB/T2809-2005規定的銅錫接觸線（CTS）和銅鎂接觸線（CTM）的指標，達到EN50149（CuSn0.4）技術標準，以 CuSn0.4150 mm2為例，抗拉強度可達430 MPa，導電率80%。滿足OCS-2銅合金接觸線的指標，并且導電率和抗拉強度均高于OCS-2的要求，2006年以來，時速200～250 km的合武客運專線、溫福客運專線、福廈客運專線、海南東環線、廈深客運專線等，采用高強銅錫接觸線（CTSN150），效果良好。

為了建設時速350 km的電氣化鐵路，鐵道部科技司和鐵道部運輸局制定了“300～350 km/h電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件”（OCS-3），其中，以標稱截面150 mm2為例，導電率≥62%，抗拉強度（MPa）≥500。銅錫接觸線可達到510 MPa，導電率可達到63%，完全滿足暫行技術條件。廣深段設計時速 350 km，采用超高強銅錫接觸線（CTSH150）已經通過單弓時速386 km試運行和雙弓時速350 km的試運行。從測量車上得到的數據顯示：銅錫接觸線上的硬彎少，滑板與接觸線的燃弧少，運行平穩。

據資料查證，含錫的銅合金具有良好的化學穩定性和耐腐蝕性。表2是不同種類的氣體中含錫的銅合金的耐腐蝕性能。

可以看出含錫的銅合金在工業大氣、大陸大氣、海洋大氣中的耐蝕性能是良好的。國內地域廣闊，地形地貌復雜，大氣環境各不相同。有干燥的大陸性氣候，有潮濕的海洋性氣候，還有山區森林氣候。鐵路沿線的涵洞、隧道多，涵洞、隧道中一般是潮濕的氣候，而城市地鐵、輕軌交通沿線的氣候更復雜。所以說接觸線要接受各種不同氣候環境耐腐蝕的考驗，選擇銅錫合金作為接觸線材料是合理的。日本普遍采用銅錫合金接觸線是經濟的，合理的。日本地理位置、大氣環境和我國東部地區極為相似，日本的經驗是值得借鑒的。

表2 含錫和銅合金耐腐蝕性能一覽表

3 幾種接觸線生產工藝與制造成本的比較

3.1 銅錫接觸線的生產工藝

該接觸線的生產工藝：連鑄連軋→連續拉伸→收線上盤。

銅錫接觸線的坯料桿由連鑄連軋工藝生產。銅錫合金的熔煉、鑄造、熱軋在一個機列上完成，合金元素錫以錫絲自動喂入，保證了成份的均勻性。坯料桿經連續多模拉伸后，收線上盤。工藝過程簡單、成熟。整個過程實施嚴格的質量控制，以確保產品質量。這種工藝的特點是工序短，自動化程度高，批量大，效率高，成品率高，成本低。各種性能的銅錫接觸線（CTSL、CTS、CTSH、）都采用統一的生產工藝，只是錫含量、坯料桿的規格和拉伸工藝的差異。生產過程便于控制，質量穩定、可靠。

3.2 銅鎂接觸線生產工藝

由于銅鎂合金熔體的流動性差、鑄坯的熱加工性能差，不能采用連鑄連軋方法生產銅鎂接觸線的坯料桿。通常采用上引連鑄（或水平連鑄）方法生產銅鎂接觸線的坯料桿。

銅鎂接觸線的生產工藝如圖1所示。

金屬鎂是一種活潑的堿金屬，易氧化、燃燒。作為合金元素的金屬鎂不能直接加入到熔融狀態的銅水中，必須預先制作成“銅-鎂中間合金”，然后再加入到上引連鑄機的熔爐中。一般采用非真空感應電爐制造銅鎂中間合金，制造過程中鎂的燒損嚴重，并且造成一定程度的金屬氧化物粉塵污染。在上引連鑄機（或水平連鑄機）上生產銅鎂合金的坯料桿，在熔煉過程中，由于金屬鎂的燒損，需要適時進行鎂含量的分析，以便控制坯料桿的合金成分。上引連鑄的坯料桿經連續拉伸后收線上盤，為了細化銅鎂合金桿的晶粒還增加連續擠壓的過程。

圖1 銅鎂接觸線的生產工藝框圖

3.3 銅錫和銅鎂接觸線生產工藝的主要差別

銅錫接觸線和銅鎂接觸線生產工藝的主要差別在于坯料桿的不同生產方式，冷加工過程（連鑄拉伸、收線上盤）基本相同。兩種不同的合金和生產工藝形成以下鮮明的差別：

（1）連鑄連軋方法生產銅錫合金坯料，合金元素錫用“喂絲法”自動加入，幾乎沒有燒損，合金成份均勻，易于控制；而銅鎂合金的合金元素鎂需要制成“中間合金”加入，增加生產工序，造成環境污染，在熔煉過程中金屬鎂的損耗大，合金成份的均勻性差、人工加料，人為的影響大。

（2）銅錫合金坯料用連鑄連軋方法產量大，效率高，生產能力為10 t/h，每生產一個錨段坯料只需10 min，保證了合金成分的均勻性；而銅鎂合金的坯料用上引法生產，生產能力只有0.8 t/h（同時上引10根坯料），也就是說生產一個錨段坯料需要20 h，因此造成合金成分不均的可能性大。

（3）銅錫合金接觸線采用連鑄連軋工藝生產，批量大，質量穩定，加工成本（不含原料成本）約為銅鎂合金接觸線的60%～70%。

（4）銅錫合金坯料采用連鑄連軋生產，是熱軋開坯，晶粒度細小（≤0.025 mm）；銅鎂合金坯料用上引法生產，沒有經過熱加工過程，晶粒粗大（≥1.0 mm）。

（5）晶粒度粗大是銅鎂合金接觸線的一個弱點。在重要的應用領域里，晶粒組織粗大的合金材料是很忌諱的。因此，最近國內外一些生產單位開始研究銅鎂合金接觸線的晶粒度細化，并獲得成功。但是，需要增加細化晶粒的加工工序（如連續擠壓等），這使銅鎂接觸線的生產工藝更加復雜，制造成本更高。

總之，從生產工藝、質量控制、制造成本、保護環境等方面比較，銅錫接觸線明顯優于銅鎂接觸線。

4 結束語

綜上所述，低錫合金接觸線（CTSL）替代銅銀合金接觸線（CTAH）可為國家節約貴金屬資源、降低接觸線的制造成本、延長接觸線的使用壽命、使鐵路運行更加安全可靠。銅錫接觸線（CTS）各項技術指標均滿足 OCS-2的要求，可以用于時速250 km的客運專線上。高強銅錫接觸線（CTSH）各項技術指標均滿足 OCS-3的要求，可以用于時速350 km的客運專線上。

為了合理的選擇銅錫接觸線，促進國內電氣化鐵路事業的發展。建議將“鐵道部行業標準”TB/T2809中的銅錫接觸線分為2個性能等級，即200/250、300/350用于不同速度等級的電氣化鐵路。推廣應用銅錫接觸線，使接觸線的選材更加合理，具有顯著的經濟效益和社會效益，符合科學發展觀的精神，將進一步促進建設節約型的社會。

[1]鐵道部運輸局“200～250 km/h電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件”（OCS-2）.

[2]鐵道部運輸局“300～350 km/h電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件”（OCS-3）.

[3]TB/T 2809-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].