重载铁路铜合金接触线选型的研究

魏俦元

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州062350）

重载铁路铜合金接触线选型的研究

魏俦元

（朔黄铁路发展有限责任公司，河北沧州062350）

采用我国自主创新“上引连挤法”制造的铜镁合金接触线改善内在品质、大幅提高机电性能，居于国际领先水平，已在高速铁路大面积推广应用，取得了成功的运行业绩。重载铁路选用基于此先进工艺生产的铜微镁合金接触线替代铜银合金接触线，在载流条件下，导电率、直流电阻、载流量相差甚微，强度更高，耐磨耗，延长使用寿命，可节省贵金属银和建设投资，具有显著的技术经济效益。

重载铁路；接触网；接触线

货运重载化是提升铁路运输能力，缓解铁路瓶颈制约的有效途径，符合世界铁路的发展方向。重载铁路开行单元万吨及2万吨组合列车，采用和谐（HX）系列大功率电力机车牵引，牵引负荷电流大。据统计，各牵引变电所单个供电臂的最大负荷电流在1 200 A以上，部分达到1 400～1 500 A，这对牵引网供电能力提出了更高的要求。因此，重载铁路接触线应具有良好的载流能力，足够的抗拉强度、耐磨性和高温抗软化性能。

目前，我国重载铁路及线度坡度大的山区铁路采用规格120 mm2或150 mm2的铜银合金（CTAH型）接触线。如大秦线正线采用CTAH150型、侧线采用CTAH120型铜银合金接触线，其优良的耐软化性能和大载流能力，在重载铁路运输中发挥了重要作用。

近年来，我国企业采用自主创新的“上引连挤法”工艺，开发出了含微量镁的高导电铜微镁合金接触线。其抗拉强度为380 MPa（150 mm2规格），导电率为90% IACS，与铜银合金接触线相比，抗拉强度高，耐磨耗，具有同样良好的耐软化性能，20℃时的导电率略低，但在载流后，其直流电阻及载流量与铜银合金接触线几乎相同，具有良好运用性能，完全可以替代铜银合金接触线，满足重载铁路运用要求，并可为国家节省大量贵金属银和建设投资。

采用“上引连挤法”技术生产铜及各种铜合金接触线已在我国全面推广多年。本文仅对“上引连挤法”作简略介绍，并对铜微镁合金接触线的技术性能和替代铜银合金接触线的经济效益进行初步分析，以期引起同行的关注，取得共识。

1 “上引连挤法”工艺原理和特点

1.1 连续挤压原理

连续挤压技术为英国原子能局Sprinfields研究所D.Green于1971年发明，最初用于铝材挤压，现已广泛用于铜材挤压。连续挤压的原理是将上引连铸的杆坯，从挤压轮上部水平切线方向进入转动着的挤压轮轮槽中，跟随转动到1/4圆周处，受到沿水平方向伸入轮槽中的挡块阻挡（挡块与容纳变形金属进入的模腔做成一体），由于杆坯与挤压轮轮槽摩擦和挤压变形产生的热量和挤压力（温度可达600℃以上，最大压力可达1 000 MPa），杆坯软化，发生堆积，进入模腔被从专门的挤压模具沿水平方向挤出。上引杆坯在受到挤压过程中，铸态晶粒被破碎，同时在高温下发生再结晶。杆坯被挤出模口后即被冷却，得到细晶粒组织，使产品机械强度和韧性显著提高。连续挤压是热加工，却无需专设加热设备，还避免了因加热带来的氧化、酸洗等耗能、污染工序，大大节省了生产成本，是20世纪80年代发展起来一种先进的铜加工生产工艺，被广泛用于铜型材、线材产品的生产中。

1.2 工艺特点

目前铜及铜合金接触线的制造，可以有多种方法（工艺）。如“连铸连轧法”（连铸连轧杆坯加冷加工成型）、“上引法”（上引杆坯直接冷加工成型）和我国自主创新的“上引连挤法”（上引杆坯经连续挤压后再冷加工成型）。

“连铸连轧法”铜杆坯中含氧量高（0.020%～0.040%），性脆，主要用于纯铜、铜银、铜锡合金接触线生产。由于镁密度小、熔点低、极易氧化，不能用“连铸连轧法”生产铜镁合金接触线。“上引法”杆坯含氧量低（≤0.002%），属于无氧铜级，韧性好，可用于生产纯铜、铜银、铜锡、铜镁合金接触线。但是，其产品内部为铸态金相组织，晶粒粗大，导电性好、强度偏低，且不均匀、分散性大，架线后小弯多，不利于机车取流。国外制造铜镁合金接触线仍然采用这种工艺，在国内已经为“上引连挤法”所淘汰。

“上引连挤法”的特点是在与大气隔绝的条件下熔炼合金，并连续铸造，产品含氧量为无氧铜级（≤0.002%），品质纯净、韧性好。采用连续挤压，对上引杆坯进行再加工，实现铸态晶粒的破碎和再结晶，使晶粒细化（横向晶粒尺寸小于0.008 mm）。“上引连挤法”兼有“连铸连轧法”和“上引法”各自具有的优点，没有其不足。“上引连挤法”综合利用了固溶强化、细晶强化、冷加工强化手段，实现了接触线强度、韧性的大幅度提高，与其他工艺相比，在满足同样强度指标的条件下，还可以适当降低合金元素含量，因而可以获得更高的导电率，实现机电性能的同时提高，还可以按不同运用要求，制造不同强度等级、机电性能最佳能匹配的铜镁、铜锡合金接触线产品（图1）。

用于替代铜银合金接触线的铜微镁合金接触线，正是利用上引炉的无氧环境、铜液相对处于静态，化学成分易于精确控制的特点，进行生产的。

图1 铜合金挤压原理图

1.3 金相组织

“上引连挤法”生产的铜合金接触线具有无氧铜级含氧量、细晶金相组织，是其机电性能大幅度提升的内在保证。通过观察比较接触线横向晶粒尺寸大小，即可得到清晰的认识。图2、图3为国内外不同工艺与“上引连挤法”生产的接触线横断面金相组织比较。

图2 国内外不同工艺生产的铜银合金接触线金相组织比较（放大10倍）

图3 国内外不同工艺生产的铜镁合金接触线金相组织比较（放大10倍）

由图2、图3显示的接触线内部金相组织可知，采用我国自主创新“上引连挤法”生产的铜镁合金接触线内部金相组织，晶粒细小，与国外（德国、西班牙）仍然采用的“上引法”生产的粗晶铜镁合金接触线相比，具有显著的运行安全可靠性，居于国际领先水平。

2 性能指标对比

目前我国采用“上引连挤法”制造的铜合金接触线技术已比较成熟，产品的技术指标比现行铁标（TB/T 2809－2005）有大幅度提高。正是基于接触线制造技术的提高，原铁道部2012年列项对现行铁标进行修订。新的铁标即将进行评审，将于2014年发布施行。表1列出了采用“上引连挤法”生产的铜镁合金接触线主要技术指标建议值及与铁标（即欧标）值的对比。

表1 采用“上引连挤法”生产的150 mm2铜镁合金接触线的技术指标建议值与铁标（即欧标）规定值比较

由表1可知，反映我国当前铜合金接触线制造水平的机械和电气性能“建议值”都高于2005版铁标值（即欧标值），而且增加了更高指标的满足速度380 km/h及以上的品种，和可替代铜银合金接触线指标相近的铜微镁合金接触线的品种。

采用“上引连挤法”制造的高性能细晶铜镁合金接触线（中镁含量）已在郑西、京石武高铁大面积推广应用，取得了成功的运行业绩。在京石武、西宝、武黄、兰新客专等线路累计用量超过3 000 t。

铜微镁合金接触线的抗拉强度为380 MPa，导电率为90%IACS，与铜银合金接触线相比，抗拉强度高，导电率略低。具有与铜银合金接触线同样良好的耐软化性能，如表2所示。由表2可知：铜微镁接触线的机电性能实测值比拟定的标准值有足够的的裕量，远高于欧标（铁标）规定值，更加有利于运行安全、使用寿命延长；导电性能的实测值也有足够裕量，并且随着工作温度的升高，两种接触线电性能的差值趋于更加微小。

表2 120 mm2铜微镁合金接触线与铜银合金接触线机电性能对比

3 铜微镁合金接触线替代银铜合金接触线电性能分析

目前在重载铁路、城市轨道交通及线路坡度大的普通铁路普遍采用铜银合金接触线，是因为铜中加入w（Ag）＝0.1%的银，虽然不能提高其抗拉强度（仍为360 MPa），但可以显著提高其耐软化性能，而不降低其导电率（仍为97%IACS）。接触线的耐软化性能用如下试验考核：对其进行300℃保温2 h的软化处理，冷却后的抗拉强度应不低于处理前的90%。而纯铜接触线在此条件下只能达到60%。良好的耐软化性能，可以使铜银接触线承受更大的牵引电流时，仍保有较高的抗拉强度，有利于运行安全。

含微量镁（w（Mg）≤0.10%）的铜微镁合金接触线，具有与铜银合金接触线同样良好的耐软化性能，且抗拉强度（150 mm2规格）达到380 MPa，大于铜银合金接触线的360 MPa；仅在20℃时的导电率为90% IACS，略低于铜银合金接触线的97%IACS。

（1）尽管铜银合金接触线20℃下的导电率比铜微镁合金接触线高7%IACS，但其电阻温度系数0.003 80/℃比铜微镁合金接触线0.003 10/℃高很多。因此，在运行中有牵引电流通过时，接触线温度升高，铜银合金接触线电阻率（直流电阻）增大的速率快于铜镁合金接触线。二者之间的直流电阻和载流量值在有牵引电流时，相差非常小。具体计算结果列于图4、图5中。

图4 铜银合金接触线的直流电阻随温度升高速率快于铜微镁合金接触线

由图4（a）可知，当接触线工作温度达到90℃时，120 mm2铜微镁接触线的直流电阻为0.193Ω/km与铜银合金接触线的0.186Ω/km相比，仅相差0.007Ω/km，差率3.8%；工作温度达到150℃时铜微镁接触线的直流电阻为0.222Ω/km，与铜银合金接触线的0.219Ω/km相比，相差极微仅0.003Ω/km，差率1.4%（详见表3）。

图4（b）表示出150 mm2铜微镁合金接触线与铜银合金接触线相比，直流电阻分别为0.154Ω/km与 0.149Ω/km，仅相差0.005Ω/km（90℃时），差率3.4%，和0.178Ω/km与0.176Ω/km，相差0.002Ω/km（150℃时），差率1.1%（详见表3）。

上述两种合金接触线的载流量差别也有同样的规律：随着工作温度的升高，差值趋于减小，数值也极微小。如图5所示。

铜银、铜微镁合金接触线工作温度90℃、150℃时的直流电阻、载流量值列于表3。

图5 铜银、铜微镁合金接触线不同工作温度下载流量比较

（2）由于铜微镁合金的抗拉强度380 MPa大于铜银合金的360 MPa，故其安全可靠性高、耐磨耗性能好、使用寿命也更长。

（3）我国开发的铜微镁合金接触线，目的在于替代价格高昂的贵金属银。按1 t接触线用1 kg镁（16元）替代1 kg银（4 000元）计算，每百正线公里可节省金属材料费近140万元（见表4），不仅节省了贵金属银，也节省了建设投资，具有显著的技术经济效益。

表3 铜银、铜微镁合金接触线的不同工作温度下的直流电阻、载流量比较

表4 铜微镁合金接触线替代铜银合金接触线的经济效益

（4）用铜微镁合金接触线替代铜银合金接触线（150 mm2规格），每条公里可节省金属材料费0.537 8万元（0.398 4元/t×1.35 t/km＝0.537 8万元），按朔黄线大修总计2 400条公里计算，总计可节省1 291万元。

由上述可知，考虑到提高强度，耐磨耗，提高运行安全可靠性、延长使用寿命，在工程中，采用铜微镁合金接触线替代铜合金接触线，具有显著的技术经济效益。

4 结束语

（1）“上引连挤法”综合利用了固溶强化、细晶强化、冷加工强化手段，实现了接触线强度、韧性的大幅度提高，是我国自主创新的先进工艺，已为国内外企业广泛采用。采用“上引连挤法”制造的高性能细晶铜镁合金接触线已在郑西、京石武、武黄、兰新等高铁大面积推广应用超过3 000 t，取得了成功的运行业绩。

（2）采用“上引连挤法”制造的铜微镁合金接触线（150 mm2规格），在载流条件下，与铜银合金接触线直流电阻仅相差0.002Ω/km，差率1.1%、载流量仅相差5 A，差率0.6%，抗拉强度更高，耐软化性能相同，耐磨耗，使用寿命更长，可以满足重载铁路接触线运用的要求。

（3）采用铜微镁合金接触线替代铜银合金接触线（150 mm2规格），每百正线公里可节省金属材料费近140万元。应用于尚待大修的朔黄线，可节省金属材料投资1 291万元，还可为国家节省贵金属材料银和建设投资，具有显著的技术经济效益。

［1］ TB/T 2809－2005.电气化铁道用铜及铜合金接触线［S］.北京：中国铁道出版社，2005.

［2］ 张 强.高性能铜合金接触线制造工艺的研究与创新［J］.轨道交通，2013，（8）：60-63.

［3］ 万传军.高速电气化铁路铜合金接触线制造技术新进展［J］.铁道建筑技术，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，高级工程师（

2014－01－10）