CN109158562A - 一种刚性接触网专用接触线及其制备方法 - Google Patents

一种刚性接触网专用接触线及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电气电缆技术领域，尤其涉及一种刚性接触网专用接触线及其制备方法。本发明充分利用铜铬锆合金极佳的耐高温软化性能和高温强度高特性，通过热处理调制，获得高导电、中强度的铜铬锆合金坯料，制备铜铬锆接触线。具备卓越的耐高温软化性能和高温强度高，在发生拉弧打火时，提高接触线本身的抗力，避免形成恶性循环。本发明采用水平连铸‑挤压‑冷轧‑热处理‑拉拔成形的方法，缩短工艺流程，提高生产效率，制得接触线的导电率为90‑93％IACS，抗拉强度为460MPa，300℃×2h软化试验后强度下降值小于5％，提高刚性接触网系统耐电烧蚀、耐磨损性能。

Description

一种刚性接触网专用接触线及其制备方法
技术领域
本发明属于电气电缆技术领域，尤其涉及一种刚性接触网专用接触线及其制备方法。
背景技术
刚性接触网系统是城市轨道交通普遍采用的供电模式之一，具有结构简单、安装空间小等特点。目前，国内外刚性接触网基本均采用铜银合金接触线，该类导线具有良好的导电能力，但是抗高温软化性能较低。当受电弓与接触线之间配合不佳、出现拉弧放电时，会造成接触网烧蚀，进而导致接触线磨损严重。同时，接触线磨损又会导致弓网接触不良，形成恶性循环，最终造成接触线和受电弓的使用寿命降低，增加运营维护成本。电烧蚀和磨损也是刚性接触网系统最常见的接触线更换原因。
因此，在满足城市轨道交通牵引供电需求前提下，研发刚性接触网的耐烧蚀、耐磨耗专用接触线，将有助于提升接触网系统的整体耐烧蚀性能和耐磨耗性能，进而提升接触网系统的安全可靠性，对刚性接触网系统及城市轨道交通系统均有重要意义。
目前，电气化铁路接触网系统采用的接触线主要有铜、铜银、铜锡、铜镁等几类，随着运行速度等级的不同，其采用的接触网品种不同。铜和铜银合金接触线主要用于低速铁路及城市轨道交通接触网系统，导电性能最好，但是强度低。铜锡、铜镁合金接触线主要用于200～250km/h、300～350km/h速度区段，强度高，可以满足高速铁路接触网系统的安全系数要求，但是导电性能较差，运营成本高。在制备工艺方面，铜银、铜锡、铜镁合金接触线的生产工艺流程为上引连铸-挤压-轧制-拉拔成形。
发明内容
本发明针对上述现有技术存在的不足，提供一种刚性接触网专用接触线及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种刚性接触网专用接触线，其特征在于，其组分按重量百分比计为：铜铬合金2-6％、铜锆合金0.2-1.33％，余量为铜；
其中，所述铜铬合金中的Cr含量为10-15wt％；所述铜锆合金中的Zr含量为10-15wt％
进一步，所述接触线中各元素含量为：Cr 0.2-0.9wt％、Zr 0.02-0.2wt％，其余为铜；其中，Cr与Zr的重量比为(8-10)：1。
优选地，上述刚性接触网专用接触线，其组分按重量百分比计为：铜铬合金5.0％、铜锆合金1.0％和铜94％。
本发明的第二个目的在于提供上述刚性接触网专用接触线的制备方法，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取原料铜、铜铬合金和铜锆合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼完成的熔液导流至保温炉后，将铜合金熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为20-50mm的棒坯，得到的棒坯采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理，得到铜铬锆合金棒坯；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的铜铬锆合金棒坯清理表面后，经连续挤压机挤压为直径为20-40mm的棒材；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机或三辊轧机，将步骤(2)的铜铬锆合金棒材轧制为线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)时效处理：使用钟罩式时效炉对步骤(3)的铜铬锆合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为350-650℃，保温时间为2-8h；
(5)拉拔成形：采用大拉机将步骤(4)处理后的线材拉拔得接触线，拉拔出线速度为20-40m/min。
进一步，步骤(1)中，在熔炼炉中进行非真空熔炼过程中，对熔炼炉中的熔液每小时进行一次成分检验，控制熔液中Cr含量波动为±0.01wt％，Zr含量波动为±0.01wt％；控制熔炼炉的温度为1170-1260℃，控制保温炉的温度为1280-1330℃。
进一步，步骤(4)中所述的曲线加热为：加热第一阶段温度为300-400℃，升温时间为100-200min，保温时间为30min；加热第二阶段温度为350-600℃，升温时间为10-100min，保温时间为200-400min，达到最终时效温度。
本发明的有益效果是：
1、本发明充分利用铜铬锆合金极佳的耐高温软化性能和高温强度高特性，通过热处理调制，获得高导电、中强度的铜铬锆合金坯料，制备铜铬锆接触线。具备卓越的耐高温软化性能和高温强度，在发生拉弧打火时，提高接触线本身的抗力，避免形成恶性循环。
2、本发明采用水平连铸-挤压-冷轧-热处理-拉拔成形的方法，不仅缩短了工艺流程、提高生产效率，且制得接触线的导电率为90-93％IACS，抗拉强度为460MPa，300℃×2h软化试验后强度下降值小于5％，提高刚性接触网系统耐电烧蚀、耐磨损性能，可以满足刚性接触网系统的性能需求。
附图说明
图1为本发明步骤(1)的水平电磁连铸系统示意图；
图中，1、保温炉；2、电磁搅拌器；3、一次冷却区；4、二次及三次冷却区；5、棒坯；6、牵引系统；7、石墨模。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种刚性接触网专用接触线，其组分按重量百分比计为：铜94％、铜铬合金5.0％和铜锆合金1.0％。
上述刚性接触网专用接触线的制备方法，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取原料铜、铜铬合金和铜锆合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度为1200℃，熔炼完成的熔液导流至保温炉(保温炉温度为1300℃)进行水平电磁连铸，电磁场频率为20Hz，电流为90A；如图1所示，保温炉1底部侧面的出口设置石墨模7，熔液在石墨模7中完成一次冷却结晶为带液心的铸坯，保温炉1中流出的铜合金熔液经过电磁搅拌器2开始冷却，经过一次冷却区3熔液冷凝成型，形成带液心的铸坯，经过二次及三次冷却区4后，完全凝固形成铸坯5，所述铸坯5由牵引系统6导出，牵引系统的引铸速度为420mm/min，最终得到的棒坯直径为30mm，经检验，得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.8wt％，Zr：0.12wt％；棒坯导出后，采用循环喷淋式结晶器对得到的棒坯进行多层冷却处理，保证棒坯表面质量；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的铜铬锆合金棒坯清理表面后，经连续挤压机进行挤压，改变其铸态组织为再结晶组织，所述挤压后线材的直径为30mm；热轧结束后，为便于移动搬运至下道工序，可将线材收卷，收卷的盘卷直径为2000mm左右；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机，将步骤(2)的铜铬锆合金棒材轧制为直径20mm的线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)时效处理：使用钟罩式时效炉对步骤(3)的铜铬锆合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为500℃，保温时间为6.5h；
(5)拉拔成形：采用大拉机将步骤(4)处理后的线材拉拔得截面150mm2接触线，拉拔出线速度为40m/min；所得接触线的性能测试见表1。
实施例2
一种刚性接触网专用接触线，其组分按重量百分比计为：铜95.5％、铜铬合金4％和铜锆合金0.5％。
上述刚性接触网专用接触线的制备方法，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取原料铜、铜铬合金和铜锆合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度为1190℃，熔炼完成的熔液导流至保温炉(保温炉温度为1290℃)进行水平电磁连铸，电磁场频率为20Hz，电流为60A；如图1所示，保温炉1底部侧面的出口设置石墨模7，熔液在石墨模7中完成一次冷却结晶为带液心的铸坯，保温炉1中流出的铜合金熔液经过电磁搅拌器2开始冷却，经过一次冷却区3熔液冷凝成型，形成带液心的铸坯，经过二次及三次冷却区4后，完全凝固形成铸坯5，所述铸坯5由牵引系统6导出，牵引系统的引铸速度为385mm/min，最终得到的棒坯直径为35mm，经检验，得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.6wt％，Zr：0.065wt％；棒坯导出后，采用循环喷淋式结晶器对得到的棒坯进行多层冷却处理，保证棒坯表面质量；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的铜铬锆合金棒坯清理表面后，经连续挤压机进行挤压，改变其铸态组织为再结晶组织，所述挤压后线材的直径为38mm；热轧结束后，为便于移动搬运至下道工序，可将线材收卷，收卷的盘卷直径为2000mm左右；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机，将步骤(2)的铜铬锆合金棒材轧制为直径24mm的线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)时效处理：使用钟罩式时效炉对步骤(3)的铜铬锆合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为600℃，保温时间为6h；
(5)拉拔成形：采用大拉机将步骤(4)处理后的线材拉拔得截面150mm2接触线，拉拔出线速度为40m/min；所得接触线的性能测试见表1。
实施例3
一种刚性接触网专用接触线，其组分按重量百分比计为：铜95.8％、铜铬合金3％和铜锆合金1.2％。
上述刚性接触网专用接触线的制备方法，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取原料铜、铜铬合金和铜锆合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度为1250℃，熔炼完成的熔液导流至保温炉(保温炉温度为1320℃)进行水平电磁连铸，电磁场频率为40Hz，电流为40A；如图1所示，保温炉1底部侧面的出口设置石墨模7，熔液在石墨模7中完成一次冷却结晶为带液心的铸坯，保温炉1中流出的铜合金熔液经过电磁搅拌器2开始冷却，经过一次冷却区3熔液冷凝成型，形成带液心的铸坯，经过二次及三次冷却区4后，完全凝固形成铸坯5，所述铸坯5由牵引系统6导出，牵引系统的引铸速度为420mm/min，最终得到的棒坯直径为30mm，经检验，得到棒坯的合金元素含量为Cr：0.33wt％，Zr：0.12wt％；棒坯导出后，采用循环喷淋式结晶器对得到的棒坯进行多层冷却处理，保证棒坯表面质量；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的铜铬锆合金棒坯清理表面后，经连续挤压机进行挤压，改变其铸态组织为再结晶组织，所述挤压后线材的直径为30mm；热轧结束后，为便于移动搬运至下道工序，可将线材收卷，收卷的盘卷直径为2000mm左右；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机，将步骤(2)的铜铬锆合金棒材轧制为直径20mm的线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)时效处理：使用钟罩式时效炉对步骤(3)的铜铬锆合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为550℃，保温时间为7.5h；
(5)拉拔成形：采用大拉机将步骤(4)处理后的线材拉拔得截面150mm2接触线，拉拔出线速度为40m/min；所得接触线的性能测试见表1。
对比例
一种电气化铁路接触网系统专用接触线，其组分为铜银合金，其中铜银合金中的银含量为0.08-0.12wt％。
上述电气化铁路接触网系统专用接触线的制备方法，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取铜银合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼温度为1250℃，熔炼完成的熔液导流至保温炉(保温炉温度为1320℃)进行水平电磁连铸，电磁场频率为40Hz，电流为40A；棒坯导出后，采用循环喷淋式结晶器对得到的棒坯进行多层冷却处理，保证棒坯表面质量；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的棒坯清理表面后，经连续挤压机进行挤压，改变其铸态组织为再结晶组织，所述挤压后线材的直径为30mm；热轧结束后，为便于移动搬运至下道工序，可将线材收卷，收卷的盘卷直径为2000mm左右；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机，将步骤(2)的棒材轧制为直径20mm的线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)拉拔成形：采用大拉机将步骤(3)处理后的线材拉拔得截面150mm2接触线，拉拔出线速度为40m/min；所得接触线的性能测试见表1。
表1
由表1可以看出，相较于对比例，本发明实施例1-3得到的铜铬锆合金接触线的抗拉强度明显提高，300℃×2h软化试验后强度的下降值也明显降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种刚性接触网专用接触线，其特征在于，其组分按重量百分比计为：铜铬合金2-6％、铜锆合金0.2-1.33％，余量为铜；
其中，所述铜铬合金中的Cr含量为10-15wt％；所述铜锆合金中的Zr含量为10-15wt％。
2.根据权利要求1所述的刚性接触网专用接触线，其特征在于，所述接触线中各元素含量为：Cr 0.2-0.9wt％、Zr 0.02-0.2wt％，其余为铜；其中，Cr与Zr的重量比为(8-10)：1。
3.根据权利要求1所述的刚性接触网专用接触线，其特征在于，其组分按重量百分比计为：铜铬合金5.0％、铜锆合金1.0％和铜94％。
4.一种权利要求1-3任一项所述刚性接触网专用接触线的制备方法，其特征在于，步骤如下：
(1)水平电磁连铸铸造棒坯：取原料铜、铜铬合金和铜锆合金，在熔炼炉中进行非真空熔炼，熔炼完成的熔液导流至保温炉后，将铜合金熔液在水平电磁连铸系统中引铸得到直径为20-50mm的棒坯，得到的棒坯采用循环喷淋式结晶器进行多层冷却处理，得到铜铬锆合金棒坯；
(2)连续挤压：将步骤(1)得到的铜铬锆合金棒坯清理表面后，经连续挤压机挤压为直径为20-40mm的棒材；
(3)冷轧处理：使用二辊轧机或三辊轧机，将步骤(2)的铜铬锆合金棒材轧制为线材，轧制速度为20-30m/min；冷轧工序变形量＞80％；
(4)时效处理：使用钟罩式时效炉对步骤(3)的铜铬锆合金线材进行时效处理，时效时采用曲线加热达到最终时效温度，最终时效温度为350-650℃，保温时间为2-8h；
(5)拉拔成形：采用大拉机将步骤(4)处理后的线材拉拔得接触线，拉拔出线速度为20-40m/min。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，在熔炼炉中进行非真空熔炼过程中，对熔炼炉中的熔液每小时进行一次成分检验，控制熔液中Cr含量波动为±0.01wt％，Zr含量波动为±0.01wt％；控制熔炼炉的温度为1170-1260℃，控制保温炉的温度为1280-1330℃。
6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中所述的曲线加热为：加热第一阶段温度为300-400℃，升温时间为100-200min，保温时间为30min；加热第二阶段温度为350-600℃，升温时间为10-100min，保温时间为200-400min，达到最终时效温度。
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