CN108320835A - 一种双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法 - Google Patents

一种双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法 Download PDF

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Abstract

一种双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法，属于双金属层状复合材料及制备技术领域。本发明以纯铜绞线为芯材和黄铜为包覆层材料，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，实现在高导电性纯铜绞线外表面连续包覆高耐蚀性黄铜合金层，制备黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材，根据需要可后续轧制或/和拉拔加工、成品退火等工序，生产包覆层无缝、组织致密、表面质量高、复合界面达到冶金结合的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合铁路贯通地线。本发明的贯通地线包覆层无焊缝、导电性能和耐腐蚀性能好、使用寿命长，有利于提高铁路运行安全性和稳定性；本发明的方法具有生产超长规格产品、工艺流程短、成本低等优点。

Description

一种双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法
技术领域
本发明属于双金属层状复合材料及制备技术领域，涉及一种超长高性能双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法。
背景技术
铁路贯通地线是一种用于铁路全线机电设备统一接地的电缆，可使铁路沿线电气系统各个工作点的接地电位基本保持一致，确保设备接地安全可靠，消除由于不同设备之间的电位差所引起的信号干扰和安全隐患，是保障铁路行车安全，实现列车高速、重载、通信智能化的关键材料。
贯通地线由导电性能优异的纯铜绞线作为芯材，由具有良好导电与耐腐蚀性能的材料作为外层保护套(以下称为包覆层)材料，是一种包覆型复合导线。我国早期使用的铅包覆层贯通地线因其对环境的污染作用，已被国家明令禁止使用。随后相继开发出环保型的铝合金包覆层贯通地线和导电塑料包覆层贯通地线[见：魏大章，曹大力，环保型铁路贯通地线的研制，电线电缆，2007，No.3，p.10～12]。但是，铝合金包覆层贯通地线产品的强度和耐腐蚀性能不能满足应用要求，导电塑料包覆层贯通地线因其包覆层容易开裂、过电流老化或燃烧、过电流后导体发热使塑料包覆层导电性能下降等问题，导致接地系统存在严重的安全隐患，均已被停止使用。黄铜合金(如H65、H70、HAl77-2等)具有较高的强度、良好的导电性能和耐土壤腐蚀性能(优于铝、铁、锌等)，成为贯通地线较理想的包覆层材料。黄铜合金包覆层贯通地线是目前我国铁路领域普遍使用的贯通地线[见：杨宝根，黑广杰，李俊霞，铁路综合贯通地线的结构改进，电线电缆，2016，No.6，p.8～11]。
但是，黄铜包覆层贯通地线主要采用“连续包覆焊接-拉拔-退火-酸洗”工艺生产，主要存在四个问题：(1)需要预先制备黄铜带，工艺流程长，总工序数达15～20个，生产成本较高；(2)黄铜带和复合贯通地线生产过程中均需要软化退火和酸洗工序，能耗大，环境负荷重；(3)生产的贯通地线黄铜包覆层内壁与纯铜绞线外表面的结合为局部机械接触方式，在施工和使用过程中易因受力变形而产生界面缝隙，对产品的力学性能、导电性能、使用寿命和安全性能带来不利影响；(4)由于产品采用连续包覆焊接法生产，包覆层不可避免的存在焊缝，长期深埋土壤中容易引起焊缝区域腐蚀，影响产品的使用寿命，且存在安全隐患。
根据国家铁路局的有关要求，为了保障铁路行车安全，拟于2018年实行的铁道行业标准《铁路贯通地线》，规定贯通地线包覆外套应采用环保型合金材料，并应整体无缝紧密包覆在绞合导体外。因此，铜合金无缝包覆的贯通地线是铁路贯通地线发展的必然趋势和将来大规模应用的铁路接地材料。为此，国内一些电缆生产企业开始采用套管拉拔法生产黄铜无缝包覆贯通地线，即以黄铜管和纯铜绞线为原料，首先将纯铜绞线穿入黄铜管中，采用拉拔加工使黄铜管紧密贴合在纯铜绞线外表面并达到所需的产品尺寸，然后进行软化退火和酸洗处理生产贯通地线。该方法存在的问题有：(1)需要预先制备小规格的黄铜管，工艺流程长，工序达到10个以上，生产成本较高；(2)生产超长规格贯通地线的难度大、成材率低；(3)黄铜管和复合贯通地线生产过程中需要退火和酸洗工序，能耗大，环境负荷重；(4)产品的包覆层与芯绞线之间为机械结合，施工和使用过程中因受力变形而致界面产生缝隙，对产品的力学性能、导电性能、使用寿命和安全性能带来不利影响。由于上述原因，目前套管拉拔法尚未实现铜合金无缝包覆层贯通地线的工业规模生产。
因此，开发低成本、超长规格、黄铜无缝包覆且冶金结合的高性能铁路贯通地线及其短流程生产工艺，是解决上述问题的有效途径。反向凝固法是一种制备金属包覆材料的有效方法，具有包覆层致密以及复合界面可达到冶金结合、结合强度高等优点。但是，传统的反向凝固法通过预热处理控制芯材温度低于包覆层金属液的温度，通过芯材的冷却作用使包覆层金属液从芯材表面(界面)开始向外凝固而实现包覆复合(故称反向凝固，见：于九明，王群骄，孝云祯等，铜/钢反向凝固复合实验研究，中国有色金属学报，1999，No.3，p.474～476)，由于芯材与包覆层金属液的复合温度和界面反应控制难度大，芯材容易被包覆层金属液过度熔蚀或熔断，芯材金属元素易扩散进入包覆层金属液中产生强烈的合金化作用等原因，导致复合材料包覆层化学成分和厚度、界面结合质量和表面质量难以控制，特别是本发明所涉及的铁路贯通地线的芯绞线断面几何结构较复杂，界面控制难度更大，采用单一反向凝固法难以连续制备满足使用要求的铁路贯通地线用高质量双金属复合线材。因此，在反向凝固法的基础上，强化连铸过程温度场控制，以精确控制包覆层黄铜的凝固过程及其与纯铜绞线复合界面的反应，是克服反向凝固法所存在的上述问题的有效方法。
本发明申请人等发明的热冷组合铸型连铸新工艺[见：谢建新等，一种白铜管材热冷组合铸型水平连铸工艺与设备，中国发明专利，授权号ZL201010501407.4，授权日2010-06-27]，通过精确控制凝固过程合金温度场，进而精确控制凝固固液界面位置和形状，可制备不同规格的高表面质量和优异冷加工性能的铜合金管、棒、板材等。为此，本发明提出利用热冷组合铸型连铸固液界面位置和形状易于实现精确控制的特点，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺(以下称为连铸复合成形工艺)，实现在高导电性纯铜绞线外表面连续包覆高耐蚀性黄铜，制备黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材。根据需要，连铸复合成形后可进行轧制或/和拉拔加工、成品退火等工序，获得超长规格、包覆层无缝、组织致密、表面质量高、复合界面达到冶金结合的双金属复合高质量铁路贯通地线，并实现短流程生产，具有导电性能和耐腐蚀性能好、使用寿命长的优点，有利于提高铁路运行安全性和稳定性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超长(长度超过1000米)高性能双金属铁路贯通地线及其短流程生产方法。贯通地线的特征为：由黄铜合金包覆纯铜绞线构成，具有超长规格、包覆层无缝和界面达到冶金结合的特点；贯通地线生产的技术方案为：以纯铜绞线为芯材和黄铜为包覆层材料，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，制备黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材，根据需要可后续轧制或/和拉拔加工、成品退火等工序，生产高性能黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线。所述连铸复合成形设备的结构示意图如图1所示，其工艺的特点是，反向凝固结晶器由强制加热的热型段[由图1中模具(10)和加热器(11)构成]和被循环水强制冷却的冷型段[图1中冷型段(13)]组合而成，通过辅助加热进行控温的纯铜绞线穿过反向凝固结晶器，实现包覆层凝固过程和界面复合过程的精确控制，连铸生产超长规格、包覆层无缝、组织致密、表面质量高、复合界面达到冶金结合的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材性能。
一种双金属铁路贯通地线，其特征是在纯铜绞线外表面连续包覆黄铜合金层，具有超长规格、包覆层无缝、包覆层与纯铜绞线之间的界面为冶金结合的特点，其外径为5～20mm，横截面的包覆层最小厚度≥0.3mm。
如上所述双金属铁路贯通地线短流程生产方法，具体工艺步骤如下：
(1)以纯铜绞线为芯材和黄铜为包覆层材料，采用连铸复合成形工艺制备黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材，外径为5～30mm，横截面的黄铜包覆层最小厚度≥0.3mm。黄铜液熔化温度1000～1150℃，反向凝固结晶器加热段加热温度950～1100℃，反向凝固结晶器冷却段冷却水流量200～2000L/h，二次冷却水流量100～1000L/h，连铸速度50～300mm/min；
(2)根据需要，将步骤(1)中的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行轧制或/和拉拔，使复合线材外径减小至5～20mm，并确保横截面的黄铜包覆层最小厚度≥0.3mm，所采用的轧制速度为10～100m/min，单道次断面缩减率为20％～40％；所采用的拉拔速度为5～50m/min，单道次断面缩减率为5％～30％；
(3)根据需要，将步骤(2)中制备的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行成品退火，消除加工硬化，获得兼具优良的力学性能、导电性能和耐腐蚀性能的黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线。合适的退火温度之例为300～500℃，退火时间为0.5～1h，退火保护气氛2％H2+余量N2。
步骤(1)所述的连铸复合成形工艺过程如下：首先，将包覆层黄铜在熔化坩埚中熔化，当黄铜液达到目标温度并保温一段时间后，启动塞棒使熔化坩埚中的黄铜液通过导流管流入反向凝固结晶器中，同时启动牵引装置驱动经过表面预处理的芯线从上往下通过反向凝固结晶器中的黄铜液。生产时，可通过调节反向凝固结晶器加热段加热温度、反向凝固结晶器冷却段冷却水流量、二次冷却水流量和连铸速度等，控制黄铜包覆层凝固过程和界面复合过程，实现黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材连铸复合成形。连铸过程中向芯材保护装置中持续通入惰性气体(如氮气或氩气)，以防止纯铜绞线氧化。
所述的纯铜绞线为采用符合GB/T 3953规定的TR型软圆铜线绞合而成，其结构和外观符合GB/T 3956中第2种导体的规定；所述的包覆层黄铜包括普通黄铜(H62、H65、H70、H72、H80、H85等)、锡黄铜(HSn62-1、HSn65-0.03等)、铝黄铜(HAl77-2、HAl67-2.5、HAl60-1-1等)、锰黄铜(HMn58-2、HMn57、HMn55等)及其系列材料。
本发明的优点在于：
(1)开发了一种超长规格、包覆层无缝、组织致密、表面质量高、复合界面达到冶金结合的高性能铁路贯通地线。与套管拉拔工艺生产的铁路贯通地线相比，本发明生产的黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线，具有包覆层与纯铜绞线之间为冶金结合、产品规格长、成本低等优点；与传统包覆焊接工艺生产的铁路贯通地线相比，具有包覆层无焊缝、导电性能和耐腐蚀性能好、使用寿命长的优点，有利于提高铁路运行安全性和稳定性。
(2)实现了贯通地线的短流程生产，即只需要采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，然后根据需要再进行轧制或/和拉拔(减径或定形加工)与退火工艺，可生产出高质量双金属复合贯通地线，工序数仅为1～5个，与传统的包覆焊接和套管拉拔工艺相比，本发明的工艺流程大幅度缩短。
附图说明
图1是本发明采用的一种连铸复合成形设备的结构示意图。
图中：1：熔化坩埚，2：包覆层黄铜液，3：坩埚加热器，4：测温仪一，5：塞棒，6：导流管，7：纯铜绞线芯材，8：芯材导向装置，9：芯材保护，10：反向凝固结晶器热型段模具，11：反向凝固结晶器热型段加热器，12：测温仪二，13：反向凝固结晶器冷型段，14：二次冷却装置，15：牵引装置，16：黄铜包覆纯铜绞线复合材料。
图2是传统工艺与本发明工艺流程对比图。
图中：(a)包覆焊接工艺；(b)套管拉拔工艺；(c)本发明工艺。
图3是本发明黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线一种实施方式的结构示意图。
图中：1-纯铜绞线芯材；2-黄铜包覆层。
图4是本发明黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线另一种实施方式的结构示意图。
图中：1-纯铜绞线芯材；2-黄铜包覆层。
具体实施方式
实施例1：外径8.5mm H65黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线的制备。
采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，制备外径8.5mm的H65黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线。采用加热器将熔化坩埚中的H65黄铜进行熔化，当H65黄铜液温度达到1020℃并保温10min时，启动塞棒使熔化坩埚中的黄铜液通过导流管流入反向凝固结晶器中，同时启动牵引装置驱动经过表面预处理的直径为6.4mm的JT25纯铜绞线从上往下通过反向凝固结晶器中的黄铜液，使H65黄铜液与纯铜绞线在结晶器中进行复合和凝固，形成黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线；制备的复合线材经过二次冷却装置进一步冷却后，通过牵引装置实现连铸成形；连铸过程中向芯材保护装置中持续通入氮气，以防止纯铜绞线氧化。在H65黄铜液熔化温度1020℃、反向凝固结晶器加热段加热温度980℃、反向凝固结晶器冷却段冷却水流量400L/h、二次冷却水流量200L/h、连铸速度200mm/min的参数条件下，采用连铸复合成形工艺，可直接制备出超长规格、包覆层无缝、组织致密、表面质量好和界面达到冶金结合的外径8.5mm H65黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线，生产工序仅为1个。
实施例2：外径12.5mm H65黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线的制备。
(1)以外径10.5mm的JT70纯铜绞线为芯材和H65黄铜为包覆层，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，制备外径为13mm的H65黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材；黄铜液熔化温度1020℃，反向凝固结晶器加热段加热温度1000℃，反向凝固结晶器冷却段冷却水流量600L/h，二次冷却水流量300L/h，连铸速度150mm/min；
(2)将步骤(1)中制备的H65黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行1个道次拉拔，使复合线材外径减小至12.5mm，单道次断面缩减率为8％，拉拔速度为30m/min。
实施例3：外径8.5mm H70黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线的制备。
(1)以外径为6.4mm的JT25纯铜绞线为芯材和H70黄铜为包覆层，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，制备外径为10mm的H70黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材；黄铜液熔化温度1030℃，反向凝固结晶器加热段加热温度1010℃，反向凝固结晶器冷却段冷却水流量500L/h，二次冷却水流量300L/h，连铸速度150mm/min；
(2)将步骤(1)中制备的H70黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行2个道次拉拔，使复合线材外径减小至8.5mm，单道次断面缩减率为10％～20％，拉拔速度为20m/min，各道次断面缩减率随总变形程度增大逐渐减小；
(3)将步骤(2)中制备的H70黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行成品退火，以消除加工硬化，退火温度为450℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H2+余量N2。
实施例4：外径8.5mm H80黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线的制备。
(1)以外径11.0mm的JT50纯铜绞线为芯材和H80黄铜为包覆层，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺，制备外径为15mm的H80黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材；黄铜液熔化温度1050℃，反向凝固结晶器加热段加热温度1030℃，反向凝固结晶器冷却段冷却水流量600L/h，二次冷却水流量300L/h，连铸速度150mm/min；
(2)将步骤(1)中制备的H80黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行4道次轧制，使复合线材外径减小至9.0mm，单道次断面缩减率为15％～40％，轧制速度为50m/min，各道次断面缩减率随总变形程度增大逐渐减小；
(3)将步骤(2)中制备的H80黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行1个道次拉拔，使复合线材外径减小至8.5mm，单道次断面缩减率为10％，拉拔速度为30m/min；
(4)将步骤(3)中制备的H80黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行成品退火，以消除加工硬化，退火温度为400℃，退火时间为1h，退火保护气氛2％H2+余量N2。

Claims (6)

1.一种双金属铁路贯通地线，其特征是在纯铜绞线外表面连续
包覆黄铜合金层，具有超长规格、包覆层无焊缝、包覆层与纯铜绞线之间的界面为冶金结合的特点，其外径为5～20mm，横截面的包覆层最小厚度≥0.3mm。
2.一种如权利要求1所述双金属铁路贯通地线的短流程生产方法，其特征在于生产工艺步骤为：
(1)以纯铜绞线为芯材和黄铜为包覆层材料，采用综合应用反向凝固原理和热冷组合铸型连铸原理的连铸复合成形工艺制备黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材；
(2)根据需要，将步骤(1)中的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行轧制或/和拉拔加工；
(3)根据需要，将步骤(2)中制备的黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材进行成品退火，消除加工硬化，获得兼具优良的力学性能、导电性能和耐腐蚀性能的黄铜包覆纯铜绞线铁路贯通地线。
3.如权利要求2所述的双金属铁路贯通地线短流程生产方法，其特征在于，步骤(1)所述的连铸复合成形工艺过程如下：首先，将包覆层黄铜在熔化坩埚中熔化，当黄铜液达到目标温度并保温一段时间后，启动塞棒使熔化坩埚中的黄铜液通过导流管流入反向凝固结晶器中，同时启动牵引装置驱动经过表面预处理的芯线从上往下通过反向凝固结晶器中的黄铜液；生产时，通过调节反向凝固结晶器加热段加热温度、反向凝固结晶器冷却段冷却水流量、二次冷却水流量和连铸速度，控制黄铜包覆层凝固过程和界面复合过程，实现黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材连铸复合成形；连铸过程中向芯材保护装置中持续通入惰性气体，以防止纯铜绞线氧化。
4.如权利要求2或3所述的双金属铁路贯通地线短流程生产方法，其特征在于，步骤(1)所述黄铜包覆纯铜绞线双金属复合线材，外径为5～30mm，横截面的黄铜包覆层最小厚度≥0.3mm；黄铜液熔化温度1000～1150℃，反向凝固结晶器加热段加热温度950～1100℃，反向凝固结晶器冷却段冷却水流量200～2000L/h，二次冷却水流量100～1000L/h，连铸速度50～300mm/min。
5.如权利要求2中所述的双金属铁路贯通地线短流程生产方法，其特征在于，步骤(2)所述的轧制或/和拉拔，是将复合线材外径减小至5～20mm，并确保横截面的黄铜包覆层最小厚度≥0.3mm，所采用的轧制速度为10～100m/min，单道次断面缩减率为20％～40％；所采用的拉拔速度为5～50m/min，单道次断面缩减率为5％～30％。
6.如权利要求2中所述的双金属铁路贯通地线短流程生产方法，其特征在于，步骤(3)所述的成品退火，退火温度为300～500℃，退火时间为0.5～1h，退火保护气氛2％H2+余量N2。
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