重載鐵路銅合金接觸線選型的研究

魏儔元

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

重載鐵路銅合金接觸線選型的研究

魏儔元

（朔黃鐵路發展有限責任公司，河北滄州062350）

采用我國自主創新“上引連擠法”制造的銅鎂合金接觸線改善內在品質、大幅提高機電性能，居于國際領先水平，已在高速鐵路大面積推廣應用，取得了成功的運行業績。重載鐵路選用基于此先進工藝生產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，可節省貴金屬銀和建設投資，具有顯著的技術經濟效益。

重載鐵路；接觸網；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，牽引負荷電流大。據統計，各牽引變電所單個供電臂的最大負荷電流在1 200 A以上，部分達到1 400～1 500 A，這對牽引網供電能力提出了更高的要求。因此，重載鐵路接觸線應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鐵路采用規格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、側線采用CTAH120型銅銀合金接觸線，其優良的耐軟化性能和大載流能力，在重載鐵路運輸中發揮了重要作用。

近年來，我國企業采用自主創新的“上引連擠法”工藝，開發出了含微量鎂的高導電銅微鎂合金接觸線。其抗拉強度為380 MPa（150 mm2規格），導電率為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，并可為國家節省大量貴金屬銀和建設投資。

采用“上引連擠法”技術生產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性能和替代銅銀合金接觸線的經濟效益進行初步分析，以期引起同行的關注，取得共識。

1 “上引連擠法”工藝原理和特點

1.1 連續擠壓原理

連續擠壓技術為英國原子能局Sprinfields研究所D.Green于1971年發明，最初用于鋁材擠壓，現已廣泛用于銅材擠壓。連續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動著的擠壓輪輪槽中，跟隨轉動到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生的熱量和擠壓力（溫度可達600℃以上，最大壓力可達1 000 MPa），桿坯軟化，發生堆積，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，鑄態晶粒被破碎，同時在高溫下發生再結晶。桿坯被擠出模口后即被冷卻，得到細晶粒組織，使產品機械強度和韌性顯著提高。連續擠壓是熱加工，卻無需專設加熱設備，還避免了因加熱帶來的氧化、酸洗等耗能、污染工序，大大節省了生產成本，是20世紀80年代發展起來一種先進的銅加工生產工藝，被廣泛用于銅型材、線材產品的生產中。

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）和我國自主創新的“上引連擠法”（上引桿坯經連續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。由于鎂密度小、熔點低、極易氧化，不能用“連鑄連軋法”生產銅鎂合金接觸線。“上引法”桿坯含氧量低（≤0.002%），屬于無氧銅級，韌性好，可用于生產純銅、銅銀、銅錫、銅鎂合金接觸線。但是，其產品內部為鑄態金相組織，晶粒粗大，導電性好、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，在國內已經為“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，并連續鑄造，產品含氧量為無氧銅級（≤0.002%），品質純凈、韌性好。采用連續擠壓，對上引桿坯進行再加工，實現鑄態晶粒的破碎和再結晶，使晶粒細化（橫向晶粒尺寸小于0.008 mm）。“上引連擠法”兼有“連鑄連軋法”和“上引法”各自具有的優點，沒有其不足。“上引連擠法”綜合利用了固溶強化、細晶強化、冷加工強化手段，實現了接觸線強度、韌性的大幅度提高，與其他工藝相比，在滿足同樣強度指標的條件下，還可以適當降低合金元素含量，因而可以獲得更高的導電率，實現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境、銅液相對處于靜態，化學成分易于精確控制的特點，進行生產的。

圖1 銅合金擠壓原理圖

1.3 金相組織

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

圖2 國內外不同工藝生產的銅銀合金接觸線金相組織比較（放大10倍）

圖3 國內外不同工藝生產的銅鎂合金接觸線金相組織比較（放大10倍）

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

2 性能指標對比

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

表1 采用“上引連擠法”生產的150 mm2銅鎂合金接觸線的技術指標建議值與鐵標（即歐標）規定值比較

由表1可知，反映我國當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版鐵標值（即歐標值），而且增加了更高指標的滿足速度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用，取得了成功的運行業績。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，導電率為90%IACS，與銅銀合金接觸線相比，抗拉強度高，導電率略低。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準值有足夠的的裕量，遠高于歐標（鐵標）規定值，更加有利于運行安全、使用壽命延長；導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不低于處理前的90%。而純銅接觸線在此條件下只能達到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規格）達到380 MPa，大于銅銀合金接觸線的360 MPa；僅在20℃時的導電率為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℃下的導電率比銅微鎂合金接觸線高7%IACS，但其電阻溫度系數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，當接觸線工作溫度達到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律：隨著工作溫度的升高，差值趨于減小，數值也極微小。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，每百正線公里可節省金屬材料費近140萬元（見表4），不僅節省了貴金屬銀，也節省了建設投資，具有顯著的技術經濟效益。

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規格），每條公里可節省金屬材料費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，具有顯著的技術經濟效益。

4 結束語

（1）“上引連擠法”綜合利用了固溶強化、細晶強化、冷加工強化手段，實現了接觸線強度、韌性的大幅度提高，是我國自主創新的先進工藝，已為國內外企業廣泛采用。采用“上引連擠法”制造的高性能細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用超過3 000 t，取得了成功的運行業績。

（2）采用“上引連擠法”制造的銅微鎂合金接觸線（150 mm2規格），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規格），每百正線公里可節省金屬材料費近140萬元。應用于尚待大修的朔黃線，可節省金屬材料投資1 291萬元，還可為國家節省貴金屬材料銀和建設投資，具有顯著的技術經濟效益。

［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新進展［J］.鐵道建筑技術，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）