电气化铁路铜锡合金接触线的应用

陈绍华，王作祥

0 引言

国内已经进入建设高速电气化铁路的新时期。按照中长期铁路发展规划，到2020年国内铁路运营里程达到12万公里，电气化率达到60%，其中包括新建客运专线9 000 km。随着国民经济的增长和人民生活水平的提高，电气化铁路还将进一步发展。接触线是电气化铁路接触网中最重要的材料之一，并且需求量大。因此，接触线的选材问题应该引起业界人士的关注。

目前，电气化铁路接触线用的铜合金材料有铜银合金、铜锡合金、铜镁合金以及处于研发阶段的铜铬锆合金等。接触线用铜合金材料的选择应该考虑：材料的使用性能（物理性能、安全性、可靠性、耐腐蚀性等）；工艺性能（合金成分的均匀性、工艺过程的复杂程度、产品质量的稳定性、生产过程对环境的影响等）；经济合理性。本文将叙述铜锡接触线的使用性能、工艺性能以及制造成本，认为铜锡接触线性能范围宽适应性好、生产工艺简单、产品质量稳定、制造成本低。推广应用铜锡接触线符合建设节约型社会的国家政策。

1 国内外铜合金接触线的应用情况

电气化铁路遍布世界各地，时速在200 km以上的高速电气化铁路几乎都集中在欧洲（德国、法国、西班牙）和亚洲（日本、中国、韩国）。不同的接触网设计对接触线的性能提出了不同的要求。德国对接触线的选材是：时速在250 km以下的采用铜银接触线，时速300 km以上的采用铜镁接触线。在法国，时速300 km以上电气化铁路有铜镁接触线也有铜锡接触线。在日本，各种不同时速的电气化铁路采用不同性能等级的铜锡合金接触线。

法国“大西洋线”，设计时速为300 km，采用的铜锡接触线和铜镁接触线各占50%。法国还曾经试验了世界上最快速度的电气化列车，运行时速达500 km，其试验段上的接触线是铜锡接触线（截面为120 mm2，抗拉强度为534 MPa）。

日本的电气化铁路总长为1.2万公里，包括新干线，采用铜锡接触线。中国台湾的台北—高雄线设计时速350 km，采用的是日本厂商提供的铜锡接触线。

在国内，时速120，160 km的电气化铁路和城市地铁、轨道交通大量采用铜银接触线，2005年以后建设的客运专线，开始采用铜锡接触线和铜镁接触线。

2004年开始建设的秦皇岛—沈阳线是国内第一条时速250 km的电气化铁路，按照欧洲的经验，采用铜银接触线，由德国进口。2006年以后建设的时速为200～250 km的客运专线：青岛—济南，合肥—南京，合肥—武汉，温州—台州—宁波，温州—福州，福州—厦门铁路都采用了符合EN50149（CuSn0.4）技术标准的铜锡接触线。以上情况表明，国内设计时速在200～250 km的客运专线已经广泛采用了铜锡合金接触线，效果良好，已经取得了共识。

时速为350 km的客运专线：北京—天津城际铁路，武汉—广州客运专线，郑州—西安客运专线采用高镁铜镁合金接触线（CTMH），而广州—深圳—香港客运专线则采用高强铜锡合金接触线（CTSH）。由此看来，设计时速为350 km的线路接触线在选材上是不相同的。

2 铜锡合金接触线

2.1 低锡接触线

目前，国内时速200 km以下的电气化铁路，普遍采用铜银接触线。按照中长期发展规划，到2020年铁路运营里程要达到12万公里，电气化率达到60%。这意味着在2010—2020年的十年内要新建、改建5.5万公里的电气化铁路，其中除了客运专线外，还有4万多公里电气化铁路要新建或大修换线，铜银接触线的需求量非常大。

此外，城市地铁、轨道交通也大量采用铜银接触线。据资料介绍，国内城市规划建设的轨道交通网络总里程已达5 000 km。随着城市化的快速推进，作为中国城市公共交通网络重要组成部分的城市轨道交通网络建设也在快速发展。目前北京、上海、广州、深圳等10个城市已建成了地铁和轨道交通，全国规划建设轨道交通网络的城市已有 25个。到2012年北京地铁和轨道交通运营里程将达到561 km，2020年将达到1 800 km。上海将计划修建18条地铁和轨道交通。与电气化铁路不同，地铁和轨道交通的接触网电压低，电流大，车密度大，弓架次多，大修换线周期短，铜银接触线的需求量也将是很大的。

铜银接触线中含银量为 0.08%～0.12%，每生产1 t铜银合金接触线需要消耗白银1.5 kg（生产过程中有一定的成品率及金属损耗）。白银是贵重金属资源，若以市场容量1万t/年计算，每年将消耗白银15 000 kg，这是巨大的贵重金属资源的消耗。随着国内铁路电气化率的不断提高，运营里程的不断增加，城市地铁和轨道交通的建设，铜银接触线需求量也将不断增加，贵重金属白银的消耗量还将继续扩大。

为了改变这种状况，一些企业经过试制，成功开发了低锡接触线（CTSL），其综合性能指标达到铜银合金接触线（CTAH）的水平（见表1）。

表1 低锡合金接触线（CTSL）与铜银合金接触线（CTAH）性能比较一览表

从表1可以看出低锡接触线（CTSL120）的抗拉强度明显高于铜银接触线（CTAH120），导电率与载流量接近于铜银接触线（CTAH120），磨耗比低于铜银接触线（CTAH120）。低锡接触线和铜银接触线都可以采用连铸连轧工艺生产，但低锡接触线的成品率高，加工成本约为铜银接触线的80%。

用低锡接触线（CTSL）代替铜银接触线，不仅每年可以节约大量贵重金属白银，降低接触线的造价。而且，铜锡接触线（CTSL）磨耗比小，强度高，使用寿命长，运行更安全可靠。目前，低锡接触线已开始批量用于电气化铁路和城市地铁，效果良好。2006年以来，时速200～250 km的合武客运专线、温福客运专线、福厦客运专线、海南东环线、厦深客运专线等，采用铜锡接触线（CTS150）3 000多t，均取得良好的效果。

2.2 高强、超高强铜锡接触线

为了满足高速铁路用铜合金接触线，一些企业开发研制了高强铜锡接触线（CTSN）与超高强铜锡接触线（CTSH）。高强铜锡接触线（CTSN）主要性能优于铁标 TB/T2809-2005规定的铜锡接触线（CTS）和铜镁接触线（CTM）的指标，达到EN50149（CuSn0.4）技术标准，以 CuSn0.4150 mm2为例，抗拉强度可达430 MPa，导电率80%。满足OCS-2铜合金接触线的指标，并且导电率和抗拉强度均高于OCS-2的要求，2006年以来，时速200～250 km的合武客运专线、温福客运专线、福厦客运专线、海南东环线、厦深客运专线等，采用高强铜锡接触线（CTSN150），效果良好。

为了建设时速350 km的电气化铁路，铁道部科技司和铁道部运输局制定了“300～350 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件”（OCS-3），其中，以标称截面150 mm2为例，导电率≥62%，抗拉强度（MPa）≥500。铜锡接触线可达到510 MPa，导电率可达到63%，完全满足暂行技术条件。广深段设计时速 350 km，采用超高强铜锡接触线（CTSH150）已经通过单弓时速386 km试运行和双弓时速350 km的试运行。从测量车上得到的数据显示：铜锡接触线上的硬弯少，滑板与接触线的燃弧少，运行平稳。

据资料查证，含锡的铜合金具有良好的化学稳定性和耐腐蚀性。表2是不同种类的气体中含锡的铜合金的耐腐蚀性能。

可以看出含锡的铜合金在工业大气、大陆大气、海洋大气中的耐蚀性能是良好的。国内地域广阔，地形地貌复杂，大气环境各不相同。有干燥的大陆性气候，有潮湿的海洋性气候，还有山区森林气候。铁路沿线的涵洞、隧道多，涵洞、隧道中一般是潮湿的气候，而城市地铁、轻轨交通沿线的气候更复杂。所以说接触线要接受各种不同气候环境耐腐蚀的考验，选择铜锡合金作为接触线材料是合理的。日本普遍采用铜锡合金接触线是经济的，合理的。日本地理位置、大气环境和我国东部地区极为相似，日本的经验是值得借鉴的。

表2 含锡和铜合金耐腐蚀性能一览表

3 几种接触线生产工艺与制造成本的比较

3.1 铜锡接触线的生产工艺

该接触线的生产工艺：连铸连轧→连续拉伸→收线上盘。

铜锡接触线的坯料杆由连铸连轧工艺生产。铜锡合金的熔炼、铸造、热轧在一个机列上完成，合金元素锡以锡丝自动喂入，保证了成份的均匀性。坯料杆经连续多模拉伸后，收线上盘。工艺过程简单、成熟。整个过程实施严格的质量控制，以确保产品质量。这种工艺的特点是工序短，自动化程度高，批量大，效率高，成品率高，成本低。各种性能的铜锡接触线（CTSL、CTS、CTSH、）都采用统一的生产工艺，只是锡含量、坯料杆的规格和拉伸工艺的差异。生产过程便于控制，质量稳定、可靠。

3.2 铜镁接触线生产工艺

由于铜镁合金熔体的流动性差、铸坯的热加工性能差，不能采用连铸连轧方法生产铜镁接触线的坯料杆。通常采用上引连铸（或水平连铸）方法生产铜镁接触线的坯料杆。

铜镁接触线的生产工艺如图1所示。

金属镁是一种活泼的碱金属，易氧化、燃烧。作为合金元素的金属镁不能直接加入到熔融状态的铜水中，必须预先制作成“铜-镁中间合金”，然后再加入到上引连铸机的熔炉中。一般采用非真空感应电炉制造铜镁中间合金，制造过程中镁的烧损严重，并且造成一定程度的金属氧化物粉尘污染。在上引连铸机（或水平连铸机）上生产铜镁合金的坯料杆，在熔炼过程中，由于金属镁的烧损，需要适时进行镁含量的分析，以便控制坯料杆的合金成分。上引连铸的坯料杆经连续拉伸后收线上盘，为了细化铜镁合金杆的晶粒还增加连续挤压的过程。

图1 铜镁接触线的生产工艺框图

3.3 铜锡和铜镁接触线生产工艺的主要差别

铜锡接触线和铜镁接触线生产工艺的主要差别在于坯料杆的不同生产方式，冷加工过程（连铸拉伸、收线上盘）基本相同。两种不同的合金和生产工艺形成以下鲜明的差别：

（1）连铸连轧方法生产铜锡合金坯料，合金元素锡用“喂丝法”自动加入，几乎没有烧损，合金成份均匀，易于控制；而铜镁合金的合金元素镁需要制成“中间合金”加入，增加生产工序，造成环境污染，在熔炼过程中金属镁的损耗大，合金成份的均匀性差、人工加料，人为的影响大。

（2）铜锡合金坯料用连铸连轧方法产量大，效率高，生产能力为10 t/h，每生产一个锚段坯料只需10 min，保证了合金成分的均匀性；而铜镁合金的坯料用上引法生产，生产能力只有0.8 t/h（同时上引10根坯料），也就是说生产一个锚段坯料需要20 h，因此造成合金成分不均的可能性大。

（3）铜锡合金接触线采用连铸连轧工艺生产，批量大，质量稳定，加工成本（不含原料成本）约为铜镁合金接触线的60%～70%。

（4）铜锡合金坯料采用连铸连轧生产，是热轧开坯，晶粒度细小（≤0.025 mm）；铜镁合金坯料用上引法生产，没有经过热加工过程，晶粒粗大（≥1.0 mm）。

（5）晶粒度粗大是铜镁合金接触线的一个弱点。在重要的应用领域里，晶粒组织粗大的合金材料是很忌讳的。因此，最近国内外一些生产单位开始研究铜镁合金接触线的晶粒度细化，并获得成功。但是，需要增加细化晶粒的加工工序（如连续挤压等），这使铜镁接触线的生产工艺更加复杂，制造成本更高。

总之，从生产工艺、质量控制、制造成本、保护环境等方面比较，铜锡接触线明显优于铜镁接触线。

4 结束语

综上所述，低锡合金接触线（CTSL）替代铜银合金接触线（CTAH）可为国家节约贵金属资源、降低接触线的制造成本、延长接触线的使用寿命、使铁路运行更加安全可靠。铜锡接触线（CTS）各项技术指标均满足 OCS-2的要求，可以用于时速250 km的客运专线上。高强铜锡接触线（CTSH）各项技术指标均满足 OCS-3的要求，可以用于时速350 km的客运专线上。

为了合理的选择铜锡接触线，促进国内电气化铁路事业的发展。建议将“铁道部行业标准”TB/T2809中的铜锡接触线分为2个性能等级，即200/250、300/350用于不同速度等级的电气化铁路。推广应用铜锡接触线，使接触线的选材更加合理，具有显著的经济效益和社会效益，符合科学发展观的精神，将进一步促进建设节约型的社会。

[1]铁道部运输局“200～250 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件”（OCS-2）.

[2]铁道部运输局“300～350 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件”（OCS-3）.

[3]TB/T 2809-2005 电气化铁道用铜及铜合金接触线[S].