CN113333695B - 上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备及其方法，包括耐磨铜杆生产装置、钢杆生产装置和铜钢复合接触线生产装置；铜钢复合接触线生产装置包括依次设置的铜钢混合炉、第二模具、第二循环冷却系统、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具，第二模具内设有钢杆通道、铜杆通道和铜钢混合炉水通道，第三模具内由上至下依次设有钢腔、铜钢复合腔和铜腔，钢腔与钢杆通道连通，铜腔与铜杆通道连通，铜钢复合腔和铜钢混合炉水通道连通，最后经过第二整理模具拉拔形成接触线。发明的接触线的底部采用0.4%铜镁合金连铸造，形成一层铜镁合金耐磨层，增加与受电弓的耐磨性，减少接触线的接触部分的磨损，从而增加接触线的使用寿命。

Description

上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备及其方法
技术领域
本发明涉及线材领域，尤其涉及一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备及其方法。
背景技术
随着电子信息技术的发展，对铜合金导电材料的综合使用性能要求越来越高，要求其在保持高强度（硬度）、韧性、耐磨性的同时，仍保持较高的导电性、导热性、耐寒性、无铁磁性等特性。这些优良的特性，使铜合金逐渐成为电力、信息、交通、能源、轻工及航天航空等高科技领域中使用的重要金属材料。很多场合很少以纯铜的形式应用，这是因为纯铜的强度较低( 230～300 MPa)，冷加工后虽然可以达到400 MPa，但伸长率仅为2%，在加热或一定温度下使用时，其强化效果很容易消失。所以，纯铜仅能应用于受力不大的电力、电器、电子的导电体、散热体、装饰件等。在保持纯铜的一些优良性能的前提下，尽可能提高铜的强度(硬度)和耐磨性，随即高强度高导电性铜合金逐渐被研发出来。
目前高速电气化铁路采用Cu-Mg、Cu-Sn合金接触线，该类线材均是以丧失导电率为前提的。Cu-Cr-Zr接触线还处实验室阶段或小批量试验阶段，虽在原有基础止的有一定幅度的提高，但提高幅度有限，中国专利CN110660499A，提供了一种大长度熔融渗透式铜钢复合线材，大大增强线材的抗拉强度，而且保持较高的导电率，但此类合金材料中部的复合部分强度最高，接触线的下部与受电弓长期接触后磨损较大，缩短了接触线的使用寿命，因此亟需一种强化耐磨型大长度高强高导的铜钢复合接触线，加强接触线下部的耐磨性，满足未来高速铁路线材发展要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备及其方法，突破了导电率和抗拉强度相互矛盾，克服了铜包钢的铜、包覆层、钢芯因膨胀系不配匹等原因而相互脱离的等难题，均衡提高接触线的抗拉强度以及导电性。
本发明的目的是这样实现的：
一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，它包括耐磨铜杆生产装置、钢杆生产装置和铜钢复合接触线生产装置；所述耐磨铜杆生产装置包括依次设置的第一模具、第一循环冷却系统和第一整理模具；所述第一模具包括注入段和冷却段，第一模具内设有上下分布的铜腔和铜镁复合腔，所述铜水熔炉与铜腔连通，在注入段注入铜水，铜镁合金炉与铜镁复合腔连通，在注入段注入铜镁合金炉水；第一模具的冷却段与第一整理模具连接，冷却后的物料经第一整理模具拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆；所述钢杆生产装置包括与钢水熔炉连通的钢杆模具和整理模具，钢水注入钢杆模具经冷却后形成固态，再经第二整理模具拉拔形成钢杆；
所述铜钢复合接触线生产装置包括依次设置的铜钢混合炉、第二模具、第二循环冷却系统、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具，所述第二模具内设有钢杆通道、铜杆通道和铜钢混合炉水通道，第三模具内由上至下依次设有钢腔、铜钢复合腔和铜腔，钢腔与钢杆通道连通，铜腔与铜杆通道连通，铜钢复合腔和铜钢混合炉水通道连通；
所述铜钢混合炉与第二模具的铜钢混合炉水通道连通，注入铜钢混合炉水，经过铜钢混合炉水通道进入第三模具内的铜钢复合腔，钢杆生产装置产出的钢杆通过第二模具的钢杆通道进入第三模具内的钢腔；耐磨铜杆生产装置产出的铜杆通过第二模具的铜杆通道进入第三模具内的铜腔；
所述第三模具的前段为冷却段，后段为轧制段；钢杆、铜杆在第三模具内与铜钢混合炉水混合后经第二循环冷却系统冷却形成固态的铜钢复合层，经过轧制后进入连续冷锻装置，最后经过第二整理模具拉拔形成接触线。
进一步地，所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。
进一步地，钢杆生产装置产出的钢杆进入第二模具的钢杆通道前先经过第一清洁除垢干燥装置，耐磨铜杆生产装置产出的铜杆进入第二模具的铜杆通道前先经过第二清洁除垢干燥装置。
进一步地，所述第一整理模具、第二整理模具均为大小头整理模具，整理模具腔口从最前端到最后端，逐渐收缩1-2%。
进一步地，所述第一模具的冷却段设有第一循环冷却系统，所述第三模具的冷却段设有第二循环冷却系统，第一循环冷却系统和第二循环冷却系统为伺服冷却系统。
一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，该方法使用上述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，包括以下内容：
a. 采用钢水通过钢杆生产装置产出钢杆；
b. 采用铜水、铜镁合金炉水通过耐磨铜杆生产装置产出耐磨铜杆；
c.将上述产出铜杆和钢杆与铜钢混合炉水通过第二模具、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具产出接触线；
c1.铜杆和钢杆在进入模具之前，先经过清洁除垢干燥装置；
c2. 铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成；
c3.经过连续冷锻装置的连续冷锻工艺，可使铜钢复合层与铜、钢的结合部更加紧密；
C4.最后经过整理模具拉拔形成接触线。
进一步地，步骤b还包括，铜水与铜镁合金炉水分别注入第一模具的铜腔和铜镁复合腔内，经循环冷却系统将铜水和铜镁合金炉水的混合液态冷却形成固态，再经费第一整理模具拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆。
进一步地，步骤c中铜钢混合炉水的温度控制在1600℃~2500℃；钢的熔点为1535℃ ，铜的熔点为1083℃ ，当2000℃的铜钢混合的炉水接触铜杆的表面和钢杆的表面时候，由于炉水温度高达2000℃，所以铜杆和钢杆的接触面开始熔化，经过循环冷却系统的持续作用，炉水中的铜和铜杆中的铜凝固在一起，同理炉水中的钢和钢杆中的钢凝固在一起，由此铜杆、炉水、钢杆形成不可脱落的整体。
进一步地，步骤c中铜钢混合炉水是加压推进的，由于在冷却系统的作用，炉水前进行会有延滞的现象，加压推进避免造成复合的空心和疏松不致密的现象。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）本发明的接触线强度的提高，将为我国高速铁路接触网设计提供了更安全更广阔的空间，导电性能的提升也会节省大量电能；同时在生产、试验、施工、运行等方面将会产生相应的自主创新科研成果，极大地促进了我国高速接触网技术的发展；本发明不仅能满足电气化铁路接触线等产品单件重量大于1吨的要求，解决了困扰国内同行业的重大技术难题，有重大的工业推广价值，填补国内该新型复合材料生产工艺的一项空白，对于推动铜加工行业的技术进步和自主创新能力的建设有不可估量的现实意义。
（2）本发明的接触线的底部采用0.4%铜镁合金连铸造，形成一层铜镁合金耐磨层，增加与受电弓的耐磨性，减少接触线的接触部分的磨损，从而增加接触线的使用寿命。
（3）本发明的铜钢复合层的铜钢通过铜铁按照1:1的原子比复合，比直接复合的方式更牢固，更能形成一个不可脱落的整体，提高了铜钢复合接触线的强度，强化复合线材的牢固度、结合度和一体性。
附图说明
图1为本发明的耐磨铜杆的生产设备的结构示意图。
图2为本发明的耐磨铜杆的截面示意图。
图3为本发明的接触线的生产设备的结构示意图。
图4为本发明的接触线成品的结构示意图。
图5为本发明的接触线的接线示意图。
图6为本发明的复合层微观结构对比示意图。
图中：
铜水1、铜镁合金炉水2、第一模具3、第一循环冷却系统4、第一整理模具5、钢杆6、铜杆7、铜钢混合炉8、第一清洁除垢干燥装置9、第二清洁除垢干燥装置10、第二模具11、第二循环冷却系统12、第三模具13、连续冷锻装置14、第二整理模具15、接触线16、钢层16.1、铜层16.2、铜钢复合层16.3、铜镁合金耐磨层16.4、沟槽16.5。
具体实施方式
为更好地理解本发明的技术方案，以下将结合相关图示作详细说明。应理解，以下具体实施例并非用以限制本发明的技术方案的具体实施态样，其仅为本发明技术方案可采用的实施态样。需先说明，本文关于各组件位置关系的表述，如A部件位于B部件上方，其系基于图示中各组件相对位置的表述，并非用以限制各组件的实际位置关系。
实施例1：
参见图1-3，图3绘制了一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备的结构示意图。如图所示，本发明涉及的上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，包括耐磨铜杆生产装置、钢杆生产装置和铜钢复合接触线生产装置。
参见图1，图1绘制了耐磨铜杆的生产设备的结构示意图。如图所示，所述耐磨铜杆生产装置包括依次设置的第一模具3、第一循环冷却系统4和第一整理模具5；所述第一模具3包括注入段和冷却段，第一模具3内设有上下分布的铜腔和铜镁复合腔，铜水熔炉与铜腔连通，在注入段注入铜水1，铜镁合金炉与铜镁复合腔连通，在注入段注入铜镁合金炉水2；第一模具3的冷却段设有第一循环冷却系统4，用于将铜水1和铜镁合金炉水2的混合液态冷却形成固态；第一模具3的冷却段与第一整理模具5连接，冷却后的物料经第一整理模具5拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆7。
参见图2，图2绘制了本发明的耐磨铜杆的截面示意图。如图所示，耐磨铜杆7的底部为约0.4%左右的铜镁合金，其余部分为纯铜。
所述钢杆生产装置包括与钢水熔炉连通的钢杆模具和整理模具，钢水注入钢杆模具经冷却后形成固态，再经整理模具拉拔形成钢杆6。
参见图3，图3绘制了本发明的接触线的生产设备的结构示意图。如图所示，所述铜钢复合接触线生产装置包括依次设置的铜钢混合炉8、第二模具11、第二循环冷却系统12、第三模具13、连续冷锻装置14和第二整理模具15，所述第二模具11内设有钢杆通道、铜杆通道和铜钢混合炉水通道，第三模具13内由上至下依次设有钢腔、铜钢复合腔和铜腔，钢腔与钢杆通道连通，铜腔与铜杆通道连通，铜钢复合腔和铜钢混合炉水通道连通；
所述铜钢混合炉8与第二模具11的铜钢混合炉水通道连通，注入铜钢混合炉水，经过铜钢混合炉水通道进入第三模具13内的铜钢复合腔，所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成；钢杆生产装置产出的钢杆6经过第一清洁除垢干燥装置9后进入第二模具11的钢杆通道，接着进入第三模具13内的钢腔；耐磨铜杆生产装置产出的铜杆7经过第二清洁除垢干燥装置10后进入第二模具11的铜杆通道，接着进入第三模具13内的铜腔；
所述第三模具13的前段为冷却段，设有第二循环冷却系统12，后段为轧制段；
钢杆6、铜杆7在第三模具13内与铜钢混合炉水混合后经第二循环冷却系统12冷却形成固态的铜钢复合层，经过轧制后进入连续冷锻装置14，最后经过第二整理模具15拉拔形成接触线16。
所述第一整理模具5、第二整理模具15均为大小头整理模具，整理模具腔口从最前端到最后端，逐渐收缩1-2%左右，防止整个接触线热胀冷缩之后，接触线与模具之产生空隙，影响接触线的成型；同时，模具腔口逐渐收缩，使得接触线本向受到一定程度的挤压，使得内部晶粒更加紧密，强度会进一步增强。
参见图1-3，本发明涉及的上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，包括以下内容：
a. 采用钢水通过钢杆生产装置产出钢杆；钢水进钢水熔炉之前，由于接触空气，并带有氧气，钢水熔炉中加入氮气保护气，并通过压力调节阀，保持钢水熔炉内的一定压强，压强为1.02个标准大气压，加入氮气保护气的目的，是隔绝空气，隔绝氧气。
b. 采用铜水、铜镁合金炉水通过耐磨铜杆生产装置产出耐磨铜杆；
b1. 铜水与铜镁合金炉水分别注入第一模具的铜腔和铜镁复合腔内，经循环冷却系统将铜水和铜镁合金炉水的混合液态冷却形成固态，再经费第一整理模具拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆；
c.将上述产出铜杆和钢杆与铜钢混合炉水通过第二模具、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具产出接触线；
c1.铜杆和钢杆在进入模具之前，先经过清洁除垢干燥装置，一方面是为去金属表面的杂质，二是去除表面的水气，以免影响复合成型；
c2. 铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成，温度控制在2000℃左右；钢的熔点为1535℃ ，铜的熔点为1083℃ ，当2000℃的铜钢混合的炉水接触铜杆的表面和钢杆的表面时候，由于炉水温度高达2000℃，所以铜杆和钢杆的接触面开始熔化，经过循环冷却系统的持续作用，炉水中的铜和铜杆中的铜凝固在一起，同理炉水中的钢和钢杆中的钢凝固在一起，这样铜杆、炉水、钢杆就形成了一个牢固的、不可脱落的整体；
c3.铜钢混合炉水是加压推进的，加压1.02-1.05个标准大气压，由于在冷却系统的作用，炉水前进行会有延滞的现象，会造成复合的空心和疏松不致密的现象；
c4.循环冷却系统均采用伺服冷却系统，使得冷却系统均匀冷却，避免因冷却系不稳定造成接触线内部晶体产生较大的差异；
c5.经过连续冷锻装置的连续冷锻工艺，可使铜钢复合层与铜、钢的结合部更加紧密；
C6.最后经过整理模具拉拔形成接触线，因复合层与铜、钢的结合部晶粒较为粗大，结构不致密，经过大小头整理模具的拉拔使得复合层与铜、钢结合更加紧密，更加牢固，形成一个铜钢复合的不可脱落的整体。
参见图4，图4绘制了本发明的接触线的结构示意图。如图所示，所述接触线16包括线材本体，所述线材本体包括钢层16.1、铜层16.2、铜钢复合层16.3和铜镁合金耐磨层16.4，所述钢层16.1和铜层16.2上下设置，两者连接处设有铜钢复合层16.3，所述钢层16.1和铜层16.2通过熔融互相表面渗透结合为一体，熔融渗透的表面形成一层长条的铜钢复合层16.3；
所述铜层16.2的底部设有一层铜镁合金耐磨层16.4，所述铜镁合金耐磨层16.4为0.4%铜镁合金连铸造，设置在线材本体的底部以增加与受电弓的耐磨性，减少接触线的接触部分的磨损，从而增加接触线的使用寿命。
所述钢层16.1和铜层16.2之间对应铜钢复合层16.3的两侧分别设有一个沟槽16.5。
参见图5，图5绘制了本发明的接线示意图。如图所示，本发明涉及的一种上下型铜钢复合接触线的电压对称接线法，包括以下内容：
悬挂铜钢接触线，连接铜层的两端C和D通电，钢层的两端A和B、铜钢复合层的两端E和F均不通电，此时电流只在CD间流动，达到良好导电效果，此种方法可大大提高抗拉强度，提高机车运行的安全系数，同时充分发挥了铜的良导体作用。
利用钢良好的抗拉强度和铜的良好导电性，使两者发挥各自优势，取长补短，形成强化耐磨大长度高强高导上下型铜钢复合接触线，采用铜钢复合接触线替代铜合金接触线，具有极大的优势，铜是电良导体，不同于铜合金，导电率可达100%IACS，极大的减少了线损，节约资源。
参见图6，图6绘制了复合层微观结构对比示意图。如图所示，黑色双箭头表示铁原子之间的金属键，连接强，灰色双箭头表示铜原子之间的金属键，连接较强，空心双箭头表示铁原子和铜原子之间的金属键，连接较弱；因此，铜钢复合层通过铜铁原子比为1:1的复合方式，远比铜钢直接复合的方式更牢固，更能形成一个不可脱落的整体。铜钢复合层按照铜铁原子比为1:1复合，铜原子的相对原子质量为64，钢是对含碳量质量百分比介于0.02%至2.11%之间的铁碳合金的统称，铁原子的相对原子质量为56，加上0.02%~2.11%的碳原子，碳原子的相对原子质量为12，即铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于：它包括耐磨铜杆生产装置、钢杆生产装置和铜钢复合接触线生产装置；所述耐磨铜杆生产装置包括依次设置的第一模具、第一循环冷却系统和第一整理模具；所述第一模具包括注入段和冷却段，第一模具内设有上下分布的铜腔和铜镁复合腔，所述铜腔与铜水熔炉连通，在注入段注入铜水，铜镁合金炉与铜镁复合腔连通，在注入段注入铜镁合金炉水；第一模具的冷却段与第一整理模具连接，冷却后的物料经第一整理模具拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆；所述钢杆生产装置包括与钢水熔炉连通的钢杆模具和整理模具，钢水注入钢杆模具经冷却后形成固态，再经整理模具拉拔形成钢杆；
所述铜钢复合接触线生产装置包括依次设置的铜钢混合炉、第二模具、第二循环冷却系统、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具，所述第二模具内设有钢杆通道、铜杆通道和铜钢混合炉水通道，第三模具内由上至下依次设有钢腔、铜钢复合腔和铜腔，钢腔与钢杆通道连通，铜腔与铜杆通道连通，铜钢复合腔和铜钢混合炉水通道连通；
所述铜钢混合炉与第二模具的铜钢混合炉水通道连通，注入铜钢混合炉水，经过铜钢混合炉水通道进入第三模具内的铜钢复合腔，钢杆生产装置产出的钢杆通过第二模具的钢杆通道进入第三模具内的钢腔；耐磨铜杆生产装置产出的铜杆通过第二模具的铜杆通道进入第三模具内的铜腔；
所述第三模具的前段为冷却段，后段为轧制段；钢杆、铜杆在第三模具内与铜钢混合炉水混合后经第二循环冷却系统冷却形成固态的铜钢复合层，经过轧制后进入连续冷锻装置，最后经过第二整理模具拉拔形成接触线。
2.根据权利要求1所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于：所述铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成。
3.根据权利要求1所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于：钢杆生产装置产出的钢杆进入第二模具的钢杆通道前先经过第一清洁除垢干燥装置，耐磨铜杆生产装置产出的铜杆进入第二模具的铜杆通道前先经过第二清洁除垢干燥装置。
4.根据权利要求1所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于：所述第一整理模具、第二整理模具均为大小头整理模具，整理模具腔口从最前端到最后端，逐渐收缩1-2%。
5.根据权利要求1所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于：所述第一模具的冷却段设有第一循环冷却系统，所述第三模具的冷却段设有第二循环冷却系统，第一循环冷却系统和第二循环冷却系统为伺服冷却系统。
6.一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，该方法使用权利要求1所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产设备，其特征在于，包括以下内容：
a. 采用钢水通过钢杆生产装置产出钢杆；
b. 采用铜水、铜镁合金炉水通过耐磨铜杆生产装置产出耐磨铜杆；
c.将上述产出耐磨铜杆和钢杆与铜钢混合炉水通过第二模具、第三模具、连续冷锻装置和第二整理模具产出接触线；
c1.铜杆和钢杆在进入第二模具之前，先经过清洁除垢干燥装置；
c2. 铜钢混合炉水由铜钢按质量比0.8~1.5均匀混合形成；
c3.经过连续冷锻装置的连续冷锻工艺，可使铜钢复合层与铜、钢的结合部更加紧密；
C4.最后经过第二整理模具拉拔形成接触线。
7.根据权利要求6所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，其特征在于：步骤b还包括，铜水与铜镁合金炉水分别注入第一模具的铜腔和铜镁复合腔内，经循环冷却系统将铜水和铜镁合金炉水的混合液态冷却形成固态，再经第一整理模具拉拔形成底部设有铜镁合金层的铜杆。
8.根据权利要求6所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，其特征在于：步骤c中铜钢混合炉水的温度控制在1600℃~2500℃。
9.根据权利要求6所述的一种上下型高强高导耐磨铜钢复合接触线的生产方法，其特征在于：步骤c中铜钢混合炉水是加压推进的，加压1.02-1.05个标准大气压，由于在冷却系统的作用，炉水前进会有延滞的现象，加压推进避免造成复合的空心和疏松不致密的现象。
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