我国电气化铁路向高速 (200~400km/h) 发展是必然趋势, 高速电车线要求在保持较高电导率的前提下, 要大幅度提高电车线的抗拉强度。国内外在高速电气化铁路主要采用铜镁、铜 (或铜合金) 包钢[1]和铜铬锆等电车线, 目前, 国内铜铬锆接触线的研究已非常先进, 但由于受生产条件及工艺的限制, 铜铬锆接触线尚处于试制品阶段, 开通运行的高速铁路上普遍采用铜镁合金接触线。镁的结构及特性决定具有强氧化性, 极易烧损, 在制作铜镁合金的大规模生产中是难于连续稳定控制的元素, 所以在生产中控制镁的烧损、偏析、夹杂, 保证成分和组织均匀是关键所在。本文研究分析了上引连铸生产铜镁合金过程中的缺陷及镁含量控制方法, 确保了铜镁合金的稳定性, 对生产出高稳定性、高质量的铜镁合金接触线具有重要意义。
在上引炉中, 铜液的熔炼和铸杆, 都是在隔绝空气的条件下完成的, 因而得到的杆坯属于无氧杆 (含氧量小于0.0010%) 。无氧铜杆坯品质纯净, 具有高导电、高塑性的优点。由此种杆坯制造成的接触线耐反复弯曲性能好, 不会发生脆性断裂, 适合各种铜及铜合金接触线坯杆的冶炼、铸造, 国内多家高铁接触线生产厂家均采用上引连铸机生产铜镁合金杆。铸杆品质的优劣直接决定成品接触线的优劣, 因此, 接触线的杆坯的制造工艺对接触线的性能、品质有决定性的作用。目前, 我国采用上引连铸生产铜镁合金接触线制造工艺有三种 (见图1) , 目前, 上引法和上引连挤法[2]在国内大多数厂家已基本成熟, 同时普遍采用的亦是这两种方法, 上引铸造后热处理尚处在试验阶段。
镁对铜镁合金力学性能的影响主要是延长持久断裂时间及提高持久塑性[3], 但在强化过程中, 存在一个最佳镁含量区域, 低于或高于此区域都得不到最佳的强化效果, 所以此种镁合金的熔炼、加工和成型要求高装备技术水平, 在生产合金时要优化镁的含量[4]。这关系到一方面铜镁合金的固溶强化;另一方面也关系到后期的冷作硬化, 镁含量过高将降低铸造杆坯的质量, 如铸杆镁偏析严重易产生裂纹等, 镁含量过低, 铸造杆坯的强度将达不到要求, 造成铸杆的报废, 研究及生产实践发现镁含量约为0.6%最为理想。
在上引连铸生产铜镁合金杆坯过程中, 突出的技术难题主要是镁含量控制、裂纹及其他铸造缺陷的控制。
目前上引铸造生产铜镁合金杆坯生产线普遍采用熔化炉和保温炉连体式结构的连铸机, 此种设备炉子液位相对稳定, 铜液保护好、操作简单, 但保温炉的温度受加料影响大, 精炼作用差, 原料品质波动对产品质量影响明显、生产合金时成分波动大, 同时, 工人操作不当时, 极易造成镁的烧损及波动 (见图2) 。
上引连铸生产铜镁合金杆的过程中保温炉和熔化炉的炉口经常产生小块状的炉渣, 在长时间生产过程中, 发现随着加料阴极铜板的加入, 熔化炉炉口的炉渣结块特别严重, 经常性的导致加料系统的难以工作, 而不得已采取人工手动加料, 这样进一步造成了加料过程中, 加料过程的时间太长, 熔液接触空气的时间长, 熔液吸氧的几率增大, 造成了镁的烧损及镁含量的波动。在镁含量烧损的同时结块更加严重, 最终由于铜板难以加入造成保温炉液面下降过快, 致使浮块失效机架保护程序运行机架自动抬起导致停炉, 严重影响上引连铸的正常生产。
通过对炉渣的化学分析, 我们发现炉渣的主要成分中镁含量偏高, 同时观察工人加镁过程发现, 在加镁过程中镁的烧损比较严重, 在炉口表面经常可以看到白色光亮的镁燃烧;石墨覆盖层厚度不适中, 以及石墨覆盖层的组成及质量不合理也进一步加剧了炉渣的结块。基于炉渣结块的情况, 我们采取: (1) 加铜板后及时小清渣; (2) 规定时间内及时对熔化炉大清渣, 对保温炉更换石墨粉; (3) 熔化炉石墨覆盖层采取石墨鳞片与石墨粉按一定配比添加, 厚度保持60mm~80mm; (4) 适时调整加镁配比补偿镁的烧损。采取以上工艺后, 上引连铸合金杆的镁含量相对波动较小, 基本控制了镁含量的波动 (见图3) 。
上引连铸生产铜镁合金铸杆过程中会出现某个结晶器引出的铸杆突然断裂, 一方面该结晶器引杆的中断造成生产效率的降低, 同时对控制镁含量的稳定带来影响;另一方面所断铸杆由于达不到生产一个锚段接触线生产的量, 这将造成所断铸杆的报废, 同时, 其中一个结晶器铸杆的断裂将造成同时引杆的其他杆子质量的存在潜在隐患, 这将增加对铸杆的多道检测程序, 降低了生产效率, 增加了生产成本。所以, 避免连铸杆的断裂是工艺控制的关键。
对铸杆断裂处的分析发现, 杂质和夹杂是造成铸杆断裂的主要原因。比如: (1) 原料本身杂质元素含量比较高; (2) 上引连铸生产过程中结晶器的位置偏高, 熔池表层的杂质被吸入结晶器, 主要是保温炉内的熔渣 (见图4) ; (3) 特别是熔液取样时, 操作不当将杂质搅入铜液造成铸杆断裂。
针对铸杆断裂的主要原因, 采取: (1) 阴极铜板质量的控制及表面杂质的清除; (2) 合理确定结晶器的位置, 保持浮块的正常; (3) 完善取样操作规程, 避免操作不当引起杂质的搅入。改善工艺后连续生产100t铸杆无断杆现象发生, 取得了很好的经济效益。
裂纹是上引连铸生产铜镁合金最易产生的铸造缺陷, 金属中的裂纹多半是由变形的不均匀和变形受到阻碍, 产生了很大的应力集中, 当应力集中达到了理论强度将萌生裂纹, 同时, 固态合金冷却效果不均匀, 极易造成热应力集中, 达到一定程度导致裂纹的出现。铜镁合金铸杆裂纹的产生的因素更多, 比如: (1) 杂质元素偏高或者铸造过程中吸氧严重氧含量偏高, 结晶组织中出现低熔点物[5]; (2) 结晶器冷却效果差造成温度波动大, 上引速度过慢及节距偏长等不合理工艺; (3) 结晶器内石墨导管使用时间过长及质量差, 造成表面不光滑 (见图5) 。
裂纹的产生将造成整盘铸杆的报废, 通过观察图5中产生裂纹杆的石墨导管, 我们发现因石墨导管使用时间过长及致密度较差造成了石墨导管的局部损伤, 进而造成在上引连铸过程中金属流动受阻应力集中, 及散热效果变差温度波动较大热应力集中造成裂纹的萌生。基于此采取严格把关石墨导管的质量及安装操作规范, 工艺改善后, 多次上引连铸引杆生产无裂纹杆出现, 取得很好的效果。
表面裂纹、空心、疏松、夹杂以及表面擦伤、划伤等是上引铸坯的主要缺陷, 这些缺陷可以造成加工制品接触线的断裂、起刺或者电导率、抗拉强度、伸长率等物理或力学性能差等, 极大的危害高铁机车的行车安全, 应严格控制上引速度、上引节距、铜水温度、冷却强度、加料控制等工艺参数, 同时, 应采取有效的工艺措施保证镁含量的稳定, 为加工制成品高铁接触线的性能稳定提供有力的保障。
摘要：上引连铸生产铜镁合金接触线的工艺中, 镁含量波动、断杆及裂纹等铸造缺陷制约着接触线产品质量的提高。通过对上引连铸过程中镁含量变化规律及断杆、裂纹的特征和产生原因的分析, 提出了相关的工艺措施, 有效的解决了镁含量波动问题, 减少了断杆和裂纹杆的发生几率, 提高了产品合格率。
关键词：上引连铸,铜镁合金,接触线
[1] 铜包钢电车线资料[R].日本藤仓株式会社, 2001.
[2] 卢利平, 运新兵, 杨俊英, 等.铜镁合金线材连续挤压扩展变形行为研究[J], 热加工工艺, 2010, 39 (15) :92～95.
[3] 有色金属及其热处理编写组.有色金属及其热处理[M].北京:国防工业出版社, 1981:269～277.
[4] 吴成三.铜镁合金的高强接触线[J].铁道工程学报, 1996: (4) :102.
[5] 肖恩奎, 李耀群.铜及铜合金熔炼与铸造技术[M].北京:冶金工业出版社, 2007:284～290.
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