鐵路用銅合金接觸線制造技術(shù)實(shí)踐

官珊丹, 張光偉

(贛州江鎢拉法格高鐵銅材有限公司, 江西 贛州341000)

摘要：采用上引連續(xù)鑄造—連續(xù)擠壓—拉拔工藝制備銅合金接觸線是目前國(guó)內(nèi)較為領(lǐng)先的生產(chǎn)工藝.介紹了生產(chǎn)過(guò)程中各個(gè)工序發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題,通過(guò)不斷的生產(chǎn)實(shí)踐,確定了工藝控制點(diǎn),并提出了問(wèn)題的解決之道.表面渦流探傷儀和DX3深度探傷儀的結(jié)合使用,可以確保缺陷的有效控制.通過(guò)上述努力,最終實(shí)現(xiàn)接觸線主要性能達(dá)到且超過(guò)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T 2809—2005的要求.

關(guān)鍵詞：銅合金； 接觸線; 生產(chǎn)工藝; 缺陷; 質(zhì)量控制

收稿日期：2014-12-15

作者簡(jiǎn)介：官珊丹(1986—)，女，助理工程師，主要從事金屬材料加工方面的研究.E-mail:275860850@qq.com

中圖分類號(hào)：TG 146.1`+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Producing the copper alloy contact wire by Up-casting-Conform-Drawing is acknowledged to be the domestic leading production technology.However,the problems also exist in every step of the production process.The practice shows that surface eddy current detectors in combination with DX3 deep detectors helped to determine the control points,thus ensure effective control of deficiencies.By using this method the main properties of the contact wire reached and exceeded the requirements of the railway industry standard TB/T 2809—2005.

Keywords：copper alloy; contact wire; production process; defect; quality control

Practising the Manufacturing of Copper Alloy Contact Wire for RailwayGUAN Shandan, ZHANG Guangwei

(Ganzhou Jiangwu Lafarga High-speed Railway Copper Materials

Co., Ltd., Ganzhou 341000, China)

0引言

為確保列車高速運(yùn)行時(shí)能持續(xù)不斷地從牽引供電系統(tǒng)中獲得電能,牽引供電系統(tǒng)必須具備良好的弓網(wǎng)配合關(guān)系.接觸線作為電氣化鐵路弓網(wǎng)關(guān)系的重要介質(zhì),是接觸網(wǎng)中重要的組成部分.但接觸線工作環(huán)境惡劣,需要承受沖擊、振動(dòng)、溫差變化、環(huán)境腐蝕、磨耗、電火花燒蝕和極大的工作張力,其性能直接影響高速列車的行車安全.所以,如何確保接觸線產(chǎn)品,尤其是銅合金接觸線產(chǎn)品連續(xù)、均勻和穩(wěn)定的力學(xué)性能及電性能,成為各個(gè)生產(chǎn)企業(yè)必須解決的問(wèn)題.

目前,國(guó)內(nèi)生產(chǎn)銅合金接觸線采用的領(lǐng)先工藝為上引連擠工藝.該工藝生產(chǎn)出的產(chǎn)品,可確保在提高材料力學(xué)性能的同時(shí),保證接觸線的導(dǎo)電性能.但該生產(chǎn)工藝,需要在生產(chǎn)的全過(guò)程中,對(duì)各個(gè)工序的工藝參數(shù)及生產(chǎn)裝備、條件進(jìn)行有效控制,才能確保銅合金接觸線產(chǎn)品的性能均勻、穩(wěn)定及連續(xù).

本文就銅合金接觸線的各個(gè)生產(chǎn)工序的關(guān)鍵工藝及控制點(diǎn)進(jìn)行了研究,并介紹了如何有效避免生產(chǎn)過(guò)程中各種質(zhì)量問(wèn)題的產(chǎn)生.

1工藝簡(jiǎn)介

生產(chǎn)銅合金接觸線產(chǎn)品,目前采用的較為成熟的生產(chǎn)工藝為上引連鑄銅桿,經(jīng)過(guò)連續(xù)擠壓再結(jié)晶強(qiáng)化后,再經(jīng)過(guò)二輥冷軋機(jī)的冷加工變形,最后經(jīng)過(guò)接觸線拉拔機(jī),拉制成所需規(guī)格的銅合金接觸線產(chǎn)品,工藝流程如圖1所示.通過(guò)將合金含量控制在一定的范圍內(nèi),經(jīng)過(guò)該工藝后,其所有的性能指標(biāo)均可達(dá)到鐵標(biāo)TB/T 2809—2005的要求.

圖1工藝流程圖

Fig.1Process flow chart

2上引連鑄

采用上引連鑄爐生產(chǎn)制造接觸線桿坯.上引連鑄爐是工頻感應(yīng)爐,主要原理是通過(guò)熔溝內(nèi)大電流產(chǎn)生電磁力,爐內(nèi)銅液在電磁力攪拌下充分混合,合金元素在銅液中均勻分布.另外,上引連鑄爐中熔化腔和保溫腔之間有過(guò)渡腔,銅液從熔化腔經(jīng)過(guò)渡腔流入保溫腔時(shí)避免直接流入,這不僅有利于銅液溫度和液位的平穩(wěn),同時(shí)可以比較容易地在過(guò)渡腔內(nèi)清除渣質(zhì).這樣保溫腔內(nèi)銅液的溫度穩(wěn)定,成分均勻,液位平穩(wěn),銅液清潔,從而保證了通過(guò)上引爐生產(chǎn)的接觸線桿坯整線強(qiáng)度的均勻一致性,有效防止了接觸線出現(xiàn)局部強(qiáng)度低的情況.

表1為TB/T 2809—2005標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)銅合金主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的要求.由于銅錫、銅鎂合金在熔煉過(guò)程中極易與氧反應(yīng)形成硬脆相,降低合金桿的力學(xué)性能,對(duì)此,應(yīng)嚴(yán)格控制爐溫、引速、冷卻強(qiáng)度和木炭覆蓋層厚度等工藝參數(shù)以及加料計(jì)算、操作過(guò)程,同時(shí)采用爐前取樣檢測(cè)的監(jiān)控手段,很大程度地降低了合金的燒損,確保了合金成分的均勻.

通過(guò)不斷的試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在上引連鑄工序中易出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷主要有夾渣、裂紋和空心.通過(guò)不斷的摸索及工藝試驗(yàn),查找并確定了造成各類質(zhì)量缺陷的原因,并制定了解決辦法,見(jiàn)表2.

表1　TB/T 2809—2005中銅合金的主要化學(xué)成分

表2　上引連鑄產(chǎn)品的主要缺陷及產(chǎn)生原因

3連續(xù)擠壓

連續(xù)擠壓機(jī)的工作原理:通過(guò)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)擠壓輪,桿坯進(jìn)入擠壓輪輪槽,由于槽壁的摩擦力作用,桿坯被牽引到由擠壓輪和腔體形成的弧形擠壓腔內(nèi),在高壓和高溫作用下,桿坯通過(guò)?？跀D出,形成管材或者型材產(chǎn)品.

金屬在模腔內(nèi)受3向壓應(yīng)力作用,塑性得到最好的發(fā)揮,并且由于擠壓死區(qū)的存在,桿坯的表面質(zhì)量得到了很大提高.在擠壓過(guò)程中,坯料溫度在短時(shí)間內(nèi)迅速升高到500℃以上,腔體內(nèi)壓強(qiáng)達(dá)到1 000 MPa左右.

上引連鑄銅合金桿在擠壓過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,與傳統(tǒng)工藝相比,形成的晶粒更為細(xì)小、均勻,晶粒間直徑差別更小,含氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.001 0%.擠壓設(shè)備采用國(guó)內(nèi)具備銅鎂合金生產(chǎn)成熟設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)的廠家生產(chǎn),其優(yōu)勢(shì)在于:銅桿經(jīng)過(guò)擠壓,內(nèi)部晶粒細(xì)小,組織均勻一致,可有效提高接觸線的抗拉強(qiáng)度、導(dǎo)電率和疲勞強(qiáng)度,且設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定,便于連續(xù)作業(yè).

擠壓工序的生產(chǎn)關(guān)鍵除了與擠壓本身的工藝參數(shù)及設(shè)備穩(wěn)定性密切相關(guān)外,還有以下幾點(diǎn)關(guān)鍵因素,直接影響擠壓產(chǎn)品的表面質(zhì)量:

(1) 上引銅桿的存儲(chǔ)時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng),以防止表面灰層、油污、氧化皮多,且受潮嚴(yán)重.

(2) 擠壓前,銅桿應(yīng)經(jīng)過(guò)清潔設(shè)備,將表面的灰層、油污清刷干凈.

(3) 擠壓前,銅桿應(yīng)經(jīng)過(guò)干燥設(shè)備,將表面的水分去除,以防止起泡.

(4) 生產(chǎn)不同牌號(hào)的產(chǎn)品時(shí),應(yīng)當(dāng)選擇不同的擠壓速度,這樣才能保證擠壓機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn).

表3為連續(xù)擠壓產(chǎn)品的主要缺陷及產(chǎn)生原因.

表3　連續(xù)擠壓產(chǎn)品的主要缺陷及產(chǎn)生原因

4接觸線拉拔

接觸線成型采用4模連續(xù)拉伸巨拉機(jī)組,各拉絲鼓輪采用單獨(dú)電機(jī)驅(qū)動(dòng),配模方式靈活,拉絲鼓輪表面光滑,并略帶錐體設(shè)計(jì),避免了線與線之間相互滑動(dòng)而產(chǎn)生的擦傷,提高了接觸線的表面質(zhì)量.拉絲鼓輪采用內(nèi)外水循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,冷卻充分,確保鼓輪內(nèi)銅線不致過(guò)熱,有效提高了拉拔線速度.

在拉拔過(guò)程中,為了生產(chǎn)出表面優(yōu)良、性能合格并穩(wěn)定的接觸線成品,除了與原料桿的質(zhì)量密切相關(guān)外,還與拉拔過(guò)程中的各種工藝參數(shù)及工藝條件密不可分.突出表現(xiàn)在冷卻水的冷卻部位、冷卻強(qiáng)度、模具配置、模具材質(zhì)及生產(chǎn)中系數(shù)的調(diào)整等.

表4、表5為鐵標(biāo)TB/T 2809—2005中對(duì)銅合金接觸線產(chǎn)品性能的要求.表6為拉拔產(chǎn)品的主要缺陷、產(chǎn)生原因及解決辦法.

表4　電阻率

表5　不同型號(hào)接觸線的力學(xué)性能

表6　拉拔產(chǎn)品的主要缺陷及產(chǎn)生原因

5檢測(cè)

5.1　表面質(zhì)量檢測(cè)

目前使用較多的表面檢測(cè)設(shè)備是渦流探傷儀.其原理是利用導(dǎo)電材料在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生渦流的性質(zhì),檢測(cè)導(dǎo)電材料疊加磁場(chǎng)的變化信號(hào)以表征材料缺陷.該設(shè)備設(shè)計(jì)精密,探測(cè)準(zhǔn)確率高,運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定,誤報(bào)率小,可調(diào)節(jié)頻率以滿足不同深度的探測(cè)需求.

5.2　內(nèi)部缺陷檢測(cè)

除配備有傳統(tǒng)的渦流探傷儀檢測(cè)表面外,還配置了深度探傷儀.該檢測(cè)設(shè)備專用于接觸線類產(chǎn)品的在線檢驗(yàn),能夠探測(cè)產(chǎn)品內(nèi)部的瑕疵,檢驗(yàn)精度高、設(shè)備靈敏性好、信息分析準(zhǔn)確,可發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品內(nèi)部的裂紋、孔洞等瑕疵.設(shè)備與機(jī)臺(tái)聯(lián)動(dòng),已實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)自動(dòng)記錄,遇缺陷自動(dòng)停機(jī).

5.3　性能檢測(cè)

根據(jù)鐵標(biāo)TB/T 2809—2005的要求,需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的所有性能指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),以確保銅合金接觸線產(chǎn)品滿足用戶的使用要求.通過(guò)“上引連鑄—連續(xù)擠壓—拉拔”工藝,產(chǎn)品的實(shí)測(cè)性能見(jiàn)表7,全部符合標(biāo)準(zhǔn)要求,滿足用戶的使用需求.

表7　接觸線產(chǎn)品實(shí)測(cè)性能

6結(jié)論

(1) 上引連鑄的關(guān)鍵工藝在于爐溫、引速、冷卻強(qiáng)度和木炭覆蓋層厚度的控制.

(2) 連續(xù)擠壓的關(guān)鍵控制點(diǎn)在于上引銅桿的表面狀況、存儲(chǔ)時(shí)間及擠壓速度.

(3) 接觸線拉拔的生產(chǎn)關(guān)鍵控制點(diǎn)在于拉拔系數(shù)的調(diào)整、乳化液的潤(rùn)滑、模具的材質(zhì)及配置等.

(4) 接觸線的檢測(cè)手段,應(yīng)采用表面渦流探傷檢測(cè)及內(nèi)部深度探傷檢測(cè)相結(jié)合,以確保真正做到缺陷的有效控制.

(5) 使用“上引連鑄—連續(xù)擠壓—拉拔”工藝,在連續(xù)擠壓工序,上引的鑄態(tài)組織經(jīng)過(guò)再結(jié)晶后變?yōu)槌?xì)的晶粒,可以大大提高產(chǎn)品的強(qiáng)度并保證了一定的導(dǎo)電率.因?yàn)槔芜M(jìn)桿為軟態(tài)產(chǎn)品,可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度,規(guī)避了一定的操作風(fēng)險(xiǎn),并且能有效地提高拉拔工序的生產(chǎn)效率,具有較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益.

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