電氣化鐵路銅錫合金接觸線的應(yīng)用

陳紹華，王作祥

0 引言

國(guó)內(nèi)已經(jīng)進(jìn)入建設(shè)高速電氣化鐵路的新時(shí)期。按照中長(zhǎng)期鐵路發(fā)展規(guī)劃，到2020年國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)營(yíng)里程達(dá)到12萬(wàn)公里，電氣化率達(dá)到60%，其中包括新建客運(yùn)專(zhuān)線9 000 km。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)和人民生活水平的提高，電氣化鐵路還將進(jìn)一步發(fā)展。接觸線是電氣化鐵路接觸網(wǎng)中最重要的材料之一，并且需求量大。因此，接觸線的選材問(wèn)題應(yīng)該引起業(yè)界人士的關(guān)注。

目前，電氣化鐵路接觸線用的銅合金材料有銅銀合金、銅錫合金、銅鎂合金以及處于研發(fā)階段的銅鉻鋯合金等。接觸線用銅合金材料的選擇應(yīng)該考慮：材料的使用性能（物理性能、安全性、可靠性、耐腐蝕性等）；工藝性能（合金成分的均勻性、工藝過(guò)程的復(fù)雜程度、產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性、生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響等）；經(jīng)濟(jì)合理性。本文將敘述銅錫接觸線的使用性能、工藝性能以及制造成本，認(rèn)為銅錫接觸線性能范圍寬適應(yīng)性好、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、制造成本低。推廣應(yīng)用銅錫接觸線符合建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的國(guó)家政策。

1 國(guó)內(nèi)外銅合金接觸線的應(yīng)用情況

電氣化鐵路遍布世界各地，時(shí)速在200 km以上的高速電氣化鐵路幾乎都集中在歐洲（德國(guó)、法國(guó)、西班牙）和亞洲（日本、中國(guó)、韓國(guó)）。不同的接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)對(duì)接觸線的性能提出了不同的要求。德國(guó)對(duì)接觸線的選材是：時(shí)速在250 km以下的采用銅銀接觸線，時(shí)速300 km以上的采用銅鎂接觸線。在法國(guó)，時(shí)速300 km以上電氣化鐵路有銅鎂接觸線也有銅錫接觸線。在日本，各種不同時(shí)速的電氣化鐵路采用不同性能等級(jí)的銅錫合金接觸線。

法國(guó)“大西洋線”，設(shè)計(jì)時(shí)速為300 km，采用的銅錫接觸線和銅鎂接觸線各占50%。法國(guó)還曾經(jīng)試驗(yàn)了世界上最快速度的電氣化列車(chē)，運(yùn)行時(shí)速達(dá)500 km，其試驗(yàn)段上的接觸線是銅錫接觸線（截面為120 mm2，抗拉強(qiáng)度為534 MPa）。

日本的電氣化鐵路總長(zhǎng)為1.2萬(wàn)公里，包括新干線，采用銅錫接觸線。中國(guó)臺(tái)灣的臺(tái)北—高雄線設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，采用的是日本廠商提供的銅錫接觸線。

在國(guó)內(nèi)，時(shí)速120，160 km的電氣化鐵路和城市地鐵、軌道交通大量采用銅銀接觸線，2005年以后建設(shè)的客運(yùn)專(zhuān)線，開(kāi)始采用銅錫接觸線和銅鎂接觸線。

2004年開(kāi)始建設(shè)的秦皇島—沈陽(yáng)線是國(guó)內(nèi)第一條時(shí)速250 km的電氣化鐵路，按照歐洲的經(jīng)驗(yàn)，采用銅銀接觸線，由德國(guó)進(jìn)口。2006年以后建設(shè)的時(shí)速為200～250 km的客運(yùn)專(zhuān)線：青島—濟(jì)南，合肥—南京，合肥—武漢，溫州—臺(tái)州—寧波，溫州—福州，福州—廈門(mén)鐵路都采用了符合EN50149（CuSn0.4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的銅錫接觸線。以上情況表明，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)時(shí)速在200～250 km的客運(yùn)專(zhuān)線已經(jīng)廣泛采用了銅錫合金接觸線，效果良好，已經(jīng)取得了共識(shí)。

時(shí)速為350 km的客運(yùn)專(zhuān)線：北京—天津城際鐵路，武漢—廣州客運(yùn)專(zhuān)線，鄭州—西安客運(yùn)專(zhuān)線采用高鎂銅鎂合金接觸線（CTMH），而廣州—深圳—香港客運(yùn)專(zhuān)線則采用高強(qiáng)銅錫合金接觸線（CTSH）。由此看來(lái)，設(shè)計(jì)時(shí)速為350 km的線路接觸線在選材上是不相同的。

2 銅錫合金接觸線

2.1 低錫接觸線

目前，國(guó)內(nèi)時(shí)速200 km以下的電氣化鐵路，普遍采用銅銀接觸線。按照中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，到2020年鐵路運(yùn)營(yíng)里程要達(dá)到12萬(wàn)公里，電氣化率達(dá)到60%。這意味著在2010—2020年的十年內(nèi)要新建、改建5.5萬(wàn)公里的電氣化鐵路，其中除了客運(yùn)專(zhuān)線外，還有4萬(wàn)多公里電氣化鐵路要新建或大修換線，銅銀接觸線的需求量非常大。

此外，城市地鐵、軌道交通也大量采用銅銀接觸線。據(jù)資料介紹，國(guó)內(nèi)城市規(guī)劃建設(shè)的軌道交通網(wǎng)絡(luò)總里程已達(dá)5 000 km。隨著城市化的快速推進(jìn)，作為中國(guó)城市公共交通網(wǎng)絡(luò)重要組成部分的城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也在快速發(fā)展。目前北京、上海、廣州、深圳等10個(gè)城市已建成了地鐵和軌道交通，全國(guó)規(guī)劃建設(shè)軌道交通網(wǎng)絡(luò)的城市已有 25個(gè)。到2012年北京地鐵和軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到561 km，2020年將達(dá)到1 800 km。上海將計(jì)劃修建18條地鐵和軌道交通。與電氣化鐵路不同，地鐵和軌道交通的接觸網(wǎng)電壓低，電流大，車(chē)密度大，弓架次多，大修換線周期短，銅銀接觸線的需求量也將是很大的。

銅銀接觸線中含銀量為 0.08%～0.12%，每生產(chǎn)1 t銅銀合金接觸線需要消耗白銀1.5 kg（生產(chǎn)過(guò)程中有一定的成品率及金屬損耗）。白銀是貴重金屬資源，若以市場(chǎng)容量1萬(wàn)t/年計(jì)算，每年將消耗白銀15 000 kg，這是巨大的貴重金屬資源的消耗。隨著國(guó)內(nèi)鐵路電氣化率的不斷提高，運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加，城市地鐵和軌道交通的建設(shè)，銅銀接觸線需求量也將不斷增加，貴重金屬白銀的消耗量還將繼續(xù)擴(kuò)大。

為了改變這種狀況，一些企業(yè)經(jīng)過(guò)試制，成功開(kāi)發(fā)了低錫接觸線（CTSL），其綜合性能指標(biāo)達(dá)到銅銀合金接觸線（CTAH）的水平（見(jiàn)表1）。

表1 低錫合金接觸線（CTSL）與銅銀合金接觸線（CTAH）性能比較一覽表

從表1可以看出低錫接觸線（CTSL120）的抗拉強(qiáng)度明顯高于銅銀接觸線（CTAH120），導(dǎo)電率與載流量接近于銅銀接觸線（CTAH120），磨耗比低于銅銀接觸線（CTAH120）。低錫接觸線和銅銀接觸線都可以采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)，但低錫接觸線的成品率高，加工成本約為銅銀接觸線的80%。

用低錫接觸線（CTSL）代替銅銀接觸線，不僅每年可以節(jié)約大量貴重金屬白銀，降低接觸線的造價(jià)。而且，銅錫接觸線（CTSL）磨耗比小，強(qiáng)度高，使用壽命長(zhǎng)，運(yùn)行更安全可靠。目前，低錫接觸線已開(kāi)始批量用于電氣化鐵路和城市地鐵，效果良好。2006年以來(lái)，時(shí)速200～250 km的合武客運(yùn)專(zhuān)線、溫?？瓦\(yùn)專(zhuān)線、福廈客運(yùn)專(zhuān)線、海南東環(huán)線、廈深客運(yùn)專(zhuān)線等，采用銅錫接觸線（CTS150）3 000多t，均取得良好的效果。

2.2 高強(qiáng)、超高強(qiáng)銅錫接觸線

為了滿足高速鐵路用銅合金接觸線，一些企業(yè)開(kāi)發(fā)研制了高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSN）與超高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSH）。高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSN）主要性能優(yōu)于鐵標(biāo) TB/T2809-2005規(guī)定的銅錫接觸線（CTS）和銅鎂接觸線（CTM）的指標(biāo)，達(dá)到EN50149（CuSn0.4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以 CuSn0.4150 mm2為例，抗拉強(qiáng)度可達(dá)430 MPa，導(dǎo)電率80%。滿足OCS-2銅合金接觸線的指標(biāo)，并且導(dǎo)電率和抗拉強(qiáng)度均高于OCS-2的要求，2006年以來(lái)，時(shí)速200～250 km的合武客運(yùn)專(zhuān)線、溫?？瓦\(yùn)專(zhuān)線、福廈客運(yùn)專(zhuān)線、海南東環(huán)線、廈深客運(yùn)專(zhuān)線等，采用高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSN150），效果良好。

為了建設(shè)時(shí)速350 km的電氣化鐵路，鐵道部科技司和鐵道部運(yùn)輸局制定了“300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件”（OCS-3），其中，以標(biāo)稱(chēng)截面150 mm2為例，導(dǎo)電率≥62%，抗拉強(qiáng)度（MPa）≥500。銅錫接觸線可達(dá)到510 MPa，導(dǎo)電率可達(dá)到63%，完全滿足暫行技術(shù)條件。廣深段設(shè)計(jì)時(shí)速 350 km，采用超高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSH150）已經(jīng)通過(guò)單弓時(shí)速386 km試運(yùn)行和雙弓時(shí)速350 km的試運(yùn)行。從測(cè)量車(chē)上得到的數(shù)據(jù)顯示：銅錫接觸線上的硬彎少，滑板與接觸線的燃弧少，運(yùn)行平穩(wěn)。

據(jù)資料查證，含錫的銅合金具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐腐蝕性。表2是不同種類(lèi)的氣體中含錫的銅合金的耐腐蝕性能。

可以看出含錫的銅合金在工業(yè)大氣、大陸大氣、海洋大氣中的耐蝕性能是良好的。國(guó)內(nèi)地域廣闊，地形地貌復(fù)雜，大氣環(huán)境各不相同。有干燥的大陸性氣候，有潮濕的海洋性氣候，還有山區(qū)森林氣候。鐵路沿線的涵洞、隧道多，涵洞、隧道中一般是潮濕的氣候，而城市地鐵、輕軌交通沿線的氣候更復(fù)雜。所以說(shuō)接觸線要接受各種不同氣候環(huán)境耐腐蝕的考驗(yàn)，選擇銅錫合金作為接觸線材料是合理的。日本普遍采用銅錫合金接觸線是經(jīng)濟(jì)的，合理的。日本地理位置、大氣環(huán)境和我國(guó)東部地區(qū)極為相似，日本的經(jīng)驗(yàn)是值得借鑒的。

表2 含錫和銅合金耐腐蝕性能一覽表

3 幾種接觸線生產(chǎn)工藝與制造成本的比較

3.1 銅錫接觸線的生產(chǎn)工藝

該接觸線的生產(chǎn)工藝：連鑄連軋→連續(xù)拉伸→收線上盤(pán)。

銅錫接觸線的坯料桿由連鑄連軋工藝生產(chǎn)。銅錫合金的熔煉、鑄造、熱軋?jiān)谝粋€(gè)機(jī)列上完成，合金元素錫以錫絲自動(dòng)喂入，保證了成份的均勻性。坯料桿經(jīng)連續(xù)多模拉伸后，收線上盤(pán)。工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、成熟。整個(gè)過(guò)程實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量控制，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。這種工藝的特點(diǎn)是工序短，自動(dòng)化程度高，批量大，效率高，成品率高，成本低。各種性能的銅錫接觸線（CTSL、CTS、CTSH、）都采用統(tǒng)一的生產(chǎn)工藝，只是錫含量、坯料桿的規(guī)格和拉伸工藝的差異。生產(chǎn)過(guò)程便于控制，質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。

3.2 銅鎂接觸線生產(chǎn)工藝

由于銅鎂合金熔體的流動(dòng)性差、鑄坯的熱加工性能差，不能采用連鑄連軋方法生產(chǎn)銅鎂接觸線的坯料桿。通常采用上引連鑄（或水平連鑄）方法生產(chǎn)銅鎂接觸線的坯料桿。

銅鎂接觸線的生產(chǎn)工藝如圖1所示。

金屬鎂是一種活潑的堿金屬，易氧化、燃燒。作為合金元素的金屬鎂不能直接加入到熔融狀態(tài)的銅水中，必須預(yù)先制作成“銅-鎂中間合金”，然后再加入到上引連鑄機(jī)的熔爐中。一般采用非真空感應(yīng)電爐制造銅鎂中間合金，制造過(guò)程中鎂的燒損嚴(yán)重，并且造成一定程度的金屬氧化物粉塵污染。在上引連鑄機(jī)（或水平連鑄機(jī)）上生產(chǎn)銅鎂合金的坯料桿，在熔煉過(guò)程中，由于金屬鎂的燒損，需要適時(shí)進(jìn)行鎂含量的分析，以便控制坯料桿的合金成分。上引連鑄的坯料桿經(jīng)連續(xù)拉伸后收線上盤(pán)，為了細(xì)化銅鎂合金桿的晶粒還增加連續(xù)擠壓的過(guò)程。

圖1 銅鎂接觸線的生產(chǎn)工藝框圖

3.3 銅錫和銅鎂接觸線生產(chǎn)工藝的主要差別

銅錫接觸線和銅鎂接觸線生產(chǎn)工藝的主要差別在于坯料桿的不同生產(chǎn)方式，冷加工過(guò)程（連鑄拉伸、收線上盤(pán)）基本相同。兩種不同的合金和生產(chǎn)工藝形成以下鮮明的差別：

（1）連鑄連軋方法生產(chǎn)銅錫合金坯料，合金元素錫用“喂絲法”自動(dòng)加入，幾乎沒(méi)有燒損，合金成份均勻，易于控制；而銅鎂合金的合金元素鎂需要制成“中間合金”加入，增加生產(chǎn)工序，造成環(huán)境污染，在熔煉過(guò)程中金屬鎂的損耗大，合金成份的均勻性差、人工加料，人為的影響大。

（2）銅錫合金坯料用連鑄連軋方法產(chǎn)量大，效率高，生產(chǎn)能力為10 t/h，每生產(chǎn)一個(gè)錨段坯料只需10 min，保證了合金成分的均勻性；而銅鎂合金的坯料用上引法生產(chǎn)，生產(chǎn)能力只有0.8 t/h（同時(shí)上引10根坯料），也就是說(shuō)生產(chǎn)一個(gè)錨段坯料需要20 h，因此造成合金成分不均的可能性大。

（3）銅錫合金接觸線采用連鑄連軋工藝生產(chǎn)，批量大，質(zhì)量穩(wěn)定，加工成本（不含原料成本）約為銅鎂合金接觸線的60%～70%。

（4）銅錫合金坯料采用連鑄連軋生產(chǎn)，是熱軋開(kāi)坯，晶粒度細(xì)小（≤0.025 mm）；銅鎂合金坯料用上引法生產(chǎn)，沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱加工過(guò)程，晶粒粗大（≥1.0 mm）。

（5）晶粒度粗大是銅鎂合金接觸線的一個(gè)弱點(diǎn)。在重要的應(yīng)用領(lǐng)域里，晶粒組織粗大的合金材料是很忌諱的。因此，最近國(guó)內(nèi)外一些生產(chǎn)單位開(kāi)始研究銅鎂合金接觸線的晶粒度細(xì)化，并獲得成功。但是，需要增加細(xì)化晶粒的加工工序（如連續(xù)擠壓等），這使銅鎂接觸線的生產(chǎn)工藝更加復(fù)雜，制造成本更高。

總之，從生產(chǎn)工藝、質(zhì)量控制、制造成本、保護(hù)環(huán)境等方面比較，銅錫接觸線明顯優(yōu)于銅鎂接觸線。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，低錫合金接觸線（CTSL）替代銅銀合金接觸線（CTAH）可為國(guó)家節(jié)約貴金屬資源、降低接觸線的制造成本、延長(zhǎng)接觸線的使用壽命、使鐵路運(yùn)行更加安全可靠。銅錫接觸線（CTS）各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足 OCS-2的要求，可以用于時(shí)速250 km的客運(yùn)專(zhuān)線上。高強(qiáng)銅錫接觸線（CTSH）各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足 OCS-3的要求，可以用于時(shí)速350 km的客運(yùn)專(zhuān)線上。

為了合理的選擇銅錫接觸線，促進(jìn)國(guó)內(nèi)電氣化鐵路事業(yè)的發(fā)展。建議將“鐵道部行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)”TB/T2809中的銅錫接觸線分為2個(gè)性能等級(jí)，即200/250、300/350用于不同速度等級(jí)的電氣化鐵路。推廣應(yīng)用銅錫接觸線，使接觸線的選材更加合理，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，符合科學(xué)發(fā)展觀的精神，將進(jìn)一步促進(jìn)建設(shè)節(jié)約型的社會(huì)。

[1]鐵道部運(yùn)輸局“200～250 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件”（OCS-2）.

[2]鐵道部運(yùn)輸局“300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件”（OCS-3）.

[3]TB/T 2809-2005 電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線[S].