連續(xù)擠壓接觸線制造技術(shù)探究

武鴻亮

（中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司，江蘇 無(wú)錫 214000）

在人民生活和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中，高鐵有著不可取代的地位。銅合金接觸線和承導(dǎo)線是電氣化鐵路接觸網(wǎng)建設(shè)不可或缺的一部分，列車運(yùn)行的電能通過(guò)受電弓、接觸線及承力索不斷傳輸獲得。無(wú)氧銅因高純度、防腐蝕、低電氣阻抗的優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于高速鐵路接觸線及承力索的生產(chǎn)，并在同軸射頻電纜、干式變壓器繞組等高端產(chǎn)品組件方面起到了十分重要的作用。銅合金接觸線常見(jiàn)的生產(chǎn)方法有上引連鑄法、連鑄連軋法及連續(xù)擠壓法[1，2]。其中連續(xù)擠壓法在生產(chǎn)無(wú)氧銅桿時(shí)有耗能低、生產(chǎn)效率高、線材成品率高等特點(diǎn)，因此該工藝在接觸線的生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[5，6]。中鐵建電氣化局集團(tuán)康遠(yuǎn)新材料有限公司是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的專業(yè)生產(chǎn)電氣化鐵路用銅及銅合金接觸線、承力索的高新技術(shù)型企業(yè)之一。公司擁有2條進(jìn)口生產(chǎn)線，4條國(guó)產(chǎn)生產(chǎn)線，具有國(guó)際先進(jìn)水平的熔煉爐、連續(xù)擠壓機(jī)、多模拉制機(jī)、HMP軋機(jī)、二輥軋機(jī)、630型絞線機(jī)等大型生產(chǎn)設(shè)備。該公司在銅合金連鑄上引、連續(xù)擠壓、多模拉拔、多模拉絲等無(wú)氧銅深加工等技術(shù)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)銅合金線材生產(chǎn)及高鐵事業(yè)發(fā)展方面有重大推動(dòng)作用。文章現(xiàn)就該公司的連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿制造技術(shù)應(yīng)用問(wèn)題進(jìn)行探究。

1 連續(xù)擠壓無(wú)氧銅熔煉技術(shù)

連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿新技術(shù)生產(chǎn)中，必須對(duì)技術(shù)參數(shù)詳細(xì)整理掌握，這樣才能夠?yàn)闊o(wú)氧銅桿生產(chǎn)做好準(zhǔn)備，并且保證連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿生產(chǎn)質(zhì)量。上引連鑄銅桿生產(chǎn)期間，鑄造爐與牽引系統(tǒng)等均是重要組成，同時(shí)還需要收線裝置的輔助。連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿生產(chǎn)制作中，必須對(duì)材料精細(xì)化處理，選擇高純極陰銅為主要材料，所有選擇標(biāo)準(zhǔn)必須按照GB/T 467極陰銅為準(zhǔn)，及時(shí)檢查銅材料的雜質(zhì)，雜質(zhì)元素要求標(biāo)準(zhǔn)以＜0.0065%為標(biāo)準(zhǔn)。待高純陰極銅材料選定，進(jìn)入到熱烘干環(huán)節(jié)，烘干溫度要求為1150℃，誤差要求上下不能超過(guò)30℃，熱烘干熔化后，隨即調(diào)整結(jié)晶器水壓，標(biāo)準(zhǔn)為0.1MPa～0.3MPa，此外還需調(diào)整結(jié)晶器出水溫度控制范圍，適當(dāng)溫度范圍為30℃～50℃，水溫差的控制上下不能超過(guò)10℃。連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿生產(chǎn)中，上牽引速度按照生產(chǎn)進(jìn)度情況將參數(shù)設(shè)置為500mm/min～1500mm/min，無(wú)氧銅桿原料在因?yàn)楹娓稍?，銅液表面有木炭、石墨鱗片等覆蓋。

上引連鑄生產(chǎn)工序，因無(wú)氧銅桿生產(chǎn)需要，在熔化爐、保溫爐需增設(shè)隔倉(cāng)部分，借助流溝有效連接熔化爐與保溫爐。流溝設(shè)置期間，其上限參數(shù)對(duì)照爐底數(shù)值，高出20mm～100mm，此高度差的調(diào)整主要作用在于保證銅液均勻流動(dòng)，為后續(xù)生產(chǎn)制作流程的順利開(kāi)展做好準(zhǔn)備工作。其中隔倉(cāng)2號(hào)設(shè)置期間，涉及到連續(xù)除氣熔煉技術(shù)，主要作用是通過(guò)表面覆蓋木炭等進(jìn)行氧化還原反應(yīng)取得理想的除氣與脫氧效果。為無(wú)氧銅桿生產(chǎn)高質(zhì)量提供了保證，真正做到了無(wú)氧銅桿Cu+Ag含量≥99.99%，含氧量＞0.0005%的標(biāo)準(zhǔn)，并且導(dǎo)電率＞99%IACS，提高生產(chǎn)品質(zhì)。

連續(xù)擠壓無(wú)氧銅熔煉期間，還涉及到熱處理內(nèi)容，主要涉及兩方面，其一是中間退火；其二是退火。選擇電加熱強(qiáng)對(duì)流罩式光亮退火設(shè)備，待銅桿擠壓成型，以分層處理的方式，歸置到耐熱不銹鋼架，并按照處理要求扣蓋鐘罩式爐殼。隨后根據(jù)密封標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)抽真空，并同步填充混合氣，具體包括氫氣、氨氣、氮?dú)狻Ｍ嘶饑?yán)格按照加熱處理、保溫處理與冷卻處理流程完成。中間退火處理中溫度要求必須控制到250℃～400℃，成品退火溫度控制則調(diào)整到180℃～250℃。隨著溫度控制的變化，保溫時(shí)間均以4h～6h為主，借此有效提高連續(xù)擠壓無(wú)氧銅熔煉質(zhì)量。

2 連續(xù)擠壓無(wú)氧銅生產(chǎn)工藝原理

連續(xù)擠壓法原理如圖1所示。銅料進(jìn)入擠壓腔后，通過(guò)擠壓模具，材料原有的鑄態(tài)組織破碎，產(chǎn)生的大量變形熱使材料再結(jié)晶，在擠壓腔出口處形成超細(xì)晶銅合金桿坯。

圖1 連續(xù)擠壓法原理圖

在連續(xù)擠壓過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生組織演變中有明顯的鑄態(tài)組織，晶粒尺寸約為3mm，晶粒粗大，并存在粗大的樹(shù)枝晶。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后的連續(xù)擠壓組織結(jié)構(gòu)上亞晶、位錯(cuò)等亞組織結(jié)構(gòu)消失，晶粒進(jìn)一步細(xì)化，大小僅為8μm。相對(duì)于上引連鑄組織，連續(xù)擠壓法可以有效的破壞鑄態(tài)組織，接觸線晶粒縮小100萬(wàn)倍以上。該工藝能用銅、銅銀、銅錫、銅鎂合金線坯料生產(chǎn)出細(xì)晶尺寸的電力機(jī)車接觸材料。連續(xù)擠壓工藝生產(chǎn)出的細(xì)晶銅桿坯料再經(jīng)過(guò)軋制、拉拔等冷加工后，晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，通過(guò)冷加工進(jìn)一步提升接觸線強(qiáng)度。

3 連續(xù)擠壓無(wú)氧銅生產(chǎn)工藝技術(shù)參數(shù)分析

3.1 上引連擠生產(chǎn)工藝說(shuō)明

利用工頻感應(yīng)電爐熔化電解銅,按照合金成分配比添加合金元素，通過(guò)上引連鑄裝置引出銅桿后進(jìn)入連續(xù)擠壓機(jī)進(jìn)行擠壓，生產(chǎn)出規(guī)定要求直徑的銅、銅銀、銅錫、銅鎂合金桿坯，后經(jīng)過(guò)軋機(jī)和拉拔機(jī)冷加工成型生成所需規(guī)格的接觸線成品。其主要工藝流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)工藝流程

3.2 連續(xù)擠壓銅桿坯

連續(xù)擠壓銅桿坯以20mm的上引銅桿為原材料，通過(guò)連續(xù)擠壓技術(shù)制造的銅桿坯直徑達(dá)到了32mm。銅桿在經(jīng)過(guò)矯直處理后被送入到壓實(shí)輪和擠壓輪之間。銅桿在摩擦力量的作用下經(jīng)過(guò)直角擠壓區(qū)、擴(kuò)展擠壓區(qū)等變形區(qū)域，連續(xù)擠壓機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度為每分鐘3轉(zhuǎn)到10轉(zhuǎn)。銅桿坯擠出模具之后會(huì)經(jīng)過(guò)真空防氧化罐管、水槽，同步完成材料的冷卻和降溫工作，在其溫度達(dá)到規(guī)范的范圍時(shí)可以使用無(wú)芯收卷的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)卷取。使用連續(xù)擠壓方法生產(chǎn)無(wú)氧銅桿的重要特點(diǎn)是拓展性擠壓，能夠?qū)?0mm到30mm的銅桿擠壓形成較大的銅桿，拓展比優(yōu)越。

3.3 軋制工藝

軋制處理使用了高精準(zhǔn)度的冷軋機(jī)，關(guān)聯(lián)設(shè)備包含液壓系統(tǒng)、液壓彎輥、分段冷卻系統(tǒng)、自動(dòng)化控制裝置。軋制道次加工率會(huì)被控制在25%到50%，在具體實(shí)施操作的時(shí)根據(jù)不同的產(chǎn)品要求合理安排加工的道次。

3.4 多模拉制接觸線成品工藝

為了更好地提高銅合金接觸線的質(zhì)量，我公司在原有的一級(jí)五模拉拔機(jī)的基礎(chǔ)上引進(jìn)德國(guó)接觸線專用拉拔機(jī)。

首先，通過(guò)有高精度的線切割、電火花加工機(jī)床和20倍投影儀，對(duì)模具進(jìn)行制做、維修和分析，保證模具設(shè)計(jì)和尺寸制造精度，滿足接觸線成型過(guò)程的要求，接觸線實(shí)物圖及橫截面如圖3所示。

圖3 接觸線實(shí)物圖及橫截面

其次，將銅合金桿坯通過(guò)多模拉制成接觸線規(guī)定的形狀、尺寸，并使其物理性能達(dá)到規(guī)定要求。銅合金接觸線通過(guò)四個(gè)異型模變形設(shè)計(jì)并冷拉成型，生產(chǎn)的銅合金桿金相組織、晶粒大小更趨均勻，保證接觸線在全長(zhǎng)度上各種性能數(shù)據(jù)的分散性少。

然后，采用平直校正技術(shù)矯正大長(zhǎng)度合金桿的平直度，使產(chǎn)品的平直度達(dá)到了德國(guó)同類產(chǎn)品的質(zhì)量水平。

最后，對(duì)接觸線產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)分析。公司采用了高質(zhì)量的檢測(cè)分析手段，如在線探傷、原子吸收檢測(cè)、機(jī)械性能測(cè)試等，保證了產(chǎn)品化學(xué)成分、物理性能及機(jī)械性能檢測(cè)結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性。

3.5 排線上盤(pán)

銅合金接觸線采用收排線裝置進(jìn)行排線上盤(pán)。接觸線排線上盤(pán)前，還要經(jīng)過(guò)校直、精整，進(jìn)一步抵消和平衡接觸線的殘余應(yīng)力，以保證產(chǎn)品的平直度，使接觸線在使用過(guò)程中提高接觸網(wǎng)的受流質(zhì)量。通過(guò)計(jì)米器在線計(jì)長(zhǎng)，渦流探傷儀在線探傷，收盤(pán)后取樣檢測(cè)等，確保產(chǎn)品使用的安全可靠性。

4 連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿制造技術(shù)發(fā)展展望

4.1 改進(jìn)銅桿直徑

上引連續(xù)擠壓銅桿生產(chǎn)的直徑為32mm。為了能夠提高生產(chǎn)效率，節(jié)省成本的消耗，需要思考如何進(jìn)一步改進(jìn)銅桿的直徑。在實(shí)際操作中，擠出銅桿坯的直徑越大，拉拔工序越困難。在實(shí)際的生產(chǎn)加工中可以通過(guò)優(yōu)化銅桿直徑，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，完善拓展區(qū)結(jié)構(gòu)的方式來(lái)提高擠壓桿性能。

4.2 銅桿合金化

現(xiàn)階段，市場(chǎng)上使用的上引連續(xù)擠壓銅板技術(shù)生產(chǎn)的產(chǎn)品多聚焦于紫銅系列，為了能夠更好的順應(yīng)電氣化鐵路接觸網(wǎng)用銅的發(fā)展需要，可加大對(duì)銅合金接觸線產(chǎn)品的研發(fā)。純銅接觸線和銅銀合金接觸線的導(dǎo)電性能出色，但抗拉強(qiáng)度性能較低，耐磨性差；銅鎂合金接觸線、銅錫合金接觸線等較多以降低導(dǎo)電性來(lái)提高接觸線抗拉強(qiáng)度等機(jī)械性能，可進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化銅合金配比，配合優(yōu)化生產(chǎn)工序來(lái)提升銅合金接觸線的各項(xiàng)性能。

尤其是銅鎂合金接觸線在使用中，機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)勢(shì)非常突出，既可以滿足機(jī)械制造需求，又能夠保持超高導(dǎo)電率?；谖覈?guó)高速電氣化鐵路發(fā)展現(xiàn)狀，銅鎂合金接觸線制造中應(yīng)用上引連續(xù)擠壓方法，不僅實(shí)現(xiàn)了銅鎂合金接觸線的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，更是提升了產(chǎn)品性能。參考鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2809-2005《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》可以發(fā)現(xiàn)，“上引連擠法”應(yīng)用下，銅鎂合金接觸線性能明顯高出標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并且超出國(guó)外同類產(chǎn)品質(zhì)量，為鐵道行業(yè)技術(shù)指標(biāo)修改提供了可靠的支持。由此可以看出，銅鎂合金接觸線研究非常必要。

4.3 高效率低能耗工裝模具

在連續(xù)擠壓技術(shù)銅桿直徑增加、銅桿合金化發(fā)展背景下，人們對(duì)工裝模具結(jié)構(gòu)和材料加工提出了更高的要求，工裝模具的開(kāi)發(fā)和研究能夠有效提升連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿的使用壽命，降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

4.4 連擠連軋技術(shù)

連擠連扎技術(shù)是連續(xù)擠壓和軋制在線連接在一起的技術(shù)形式，該技術(shù)需要對(duì)設(shè)備實(shí)施必要的養(yǎng)護(hù)處理，整個(gè)操作過(guò)程工藝流程短暫、節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)。連擠連扎技術(shù)先對(duì)無(wú)氧銅桿進(jìn)行連續(xù)擠壓，利用擠壓銅桿坯的熱量實(shí)現(xiàn)連續(xù)軋制處理。連擠連扎技術(shù)融合了上引連鑄技術(shù)、連續(xù)擠壓技術(shù)、軋制技術(shù)等優(yōu)勢(shì)，在具體實(shí)施操作的時(shí)候具有含氧量低、高效節(jié)能的特點(diǎn)，同時(shí)銅桿坯內(nèi)部組織會(huì)更加緊密，由此會(huì)改善連續(xù)擠壓銅桿坯橫向組織不均勻的問(wèn)題。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，文章探究了連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿制造技術(shù)，其融合了無(wú)氧銅深度精煉技術(shù)、連續(xù)擠壓銅帶坯技術(shù)，該技術(shù)生產(chǎn)的銅桿坯質(zhì)量穩(wěn)定。公司使用結(jié)合熔煉工藝、連續(xù)擠壓無(wú)氧銅制造技術(shù)、軋制工藝及多模拉拔拉制工藝，在生產(chǎn)電氣化鐵路用接觸線方面取得了階段性的成果。

目前，傳統(tǒng)接觸線以純銅及銅銀合金接觸線為主，產(chǎn)品導(dǎo)電率較高但抗拉強(qiáng)度性能不足，較多應(yīng)用于低速鐵路；銅鎂合金接觸線和銅錫合金接觸線等犧牲了導(dǎo)電率提高了抗拉強(qiáng)度。

在未來(lái)，企業(yè)可通過(guò)優(yōu)化銅合金接觸線配比，結(jié)合優(yōu)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，進(jìn)一步提高電氣化鐵路用接觸線的性能，積極推廣連續(xù)擠壓無(wú)氧銅桿技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，旨在能夠?yàn)槲覈?guó)有色金屬工業(yè)，特別是電氣化鐵路用銅加工的持續(xù)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。