□ 文/謝水生

北京有色金屬研究總院

高速列車用接觸導線的加工與制備

Processing and Preparation of Contact Wire for High-speed Train

□ 文/謝水生

北京有色金屬研究總院

高速列車用接觸導線是眾多銅加工行業(yè)關注的新產品，隨著我國高鐵建設的日益加快，如何切入高鐵接觸用電磁線的生產是大家關注的一個領域。為此，在前不久舉辦第三屆中國再生銅產業(yè)鏈發(fā)展論壇上，我們邀請了北京有色金屬研究總院的博士生導師、有色金屬新材料國家重點實驗室總工程師謝水生先生講述國外高速鐵路和近年來我國電氣化高速鐵路的高速發(fā)展情況。他向大家講述了高速列車用接觸導線的需求、技術要求和加工制備的關鍵技術。他還分析了目前國內外生產接觸性的加工制備技術；根據產品性能和連續(xù)化生產的要求，提出了連鑄連軋法和上引連鑄、連續(xù)擠壓、連軋法是生產高強高導接觸線的最有潛力的方法。為大家開闊了眼界。本刊在此發(fā)表他的這篇文章。

——編者

近年來，我國高速鐵路的發(fā)展，帶來了傳統(tǒng)鐵路產業(yè)和其他產業(yè)的復興，對我國綜合國力的提升產生重大影響。為此，國家擬進一步發(fā)展我國的鐵路網，制定了《“十一五”鐵路網規(guī)劃》。

我國在成功實施了六次大規(guī)模提速之后，主要列車速度達200 km/h以上。而以時速300km/h的京滬高速鐵路為標志的“五縱四橫”高速鐵路網建設已經開始實施。據相關資料報道，2020年我國將建成長達12000公里的高速鐵路客運專線，完成既有線電氣化改造15000公里，既有線增建復線8000公里，客運專線9800公里，形成平均運行時速將高于250km/h的高速鐵路客運專線網，屆時我國也將成為世界上擁有高速鐵路線最多的國家。根據鐵道部高速電氣化鐵路新建和改造規(guī)劃，以及在用銅合金導線到期更換的量，未來幾年內各類高速鐵路專用銅合金導線材料的需求量為5萬噸以上。

隨著我國鐵路列車的不斷提速和電氣化鐵路建設步伐的加快，對接觸網導線系列產品的質量要求越來越高。但我國高速鐵路專用銅合金導線材料基本依賴進口，嚴重制約了我國高速電氣化鐵路的快速發(fā)展。

銅的電阻率很低，抗腐蝕性能好，是理想的高鐵導線材料。高鐵導線用合金材料的發(fā)展從高導電型的純銅導線到大規(guī)模應用的Cu-Ag 、Cu-Sn合金導線都已經實現了產業(yè)化的生產。但隨著應用的不斷深入，這兩種材料的抗拉強度和軟化后強度指標還達不到要求，需要通過添加Zr、M g等元素在犧牲較小電導率的前提下進一步提高合金線材的抗拉強度、軟化后強度和耐磨性，即需要高強高導的Cu-Sn-Zr、Cu-M g、Cu-Cr-Zr合金導線與之匹配。因此，需要開發(fā)新一代的高強高導銅合金材料及產業(yè)化生產技術，提高產品技術水平來滿足需求。

一、國內外高速鐵路發(fā)展概況

世界上高速鐵路發(fā)展的第一次高潮是在1964年～1990年。1959年4月，世界上第一條真正意義上的高速鐵路東海道新干線在日本破土動工，經過5年建設，于1964年3月全線完成鋪軌，同年7月竣工，1964年10月正式通車。東海道新干線從東京起始，途經名古屋，京都等地終至(新)大阪，全長515.4公里，運營速度高達210公里/小時，它的建成通車標志著世界高速鐵路新紀元的到來。隨后法國、意大利、德國紛紛修建高速鐵路。1972年繼東海道新干線之后，日本又修建了山陽、東北和上越新干線；法國修建了東南TGV線、大西洋TGV線；意大利修建了羅馬至佛羅倫薩。以日本為首的第一代高速鐵路的建成，大力推動了沿線地區(qū)經濟的均衡發(fā)展，促進了房地產、工業(yè)機械、鋼鐵等相關產業(yè)的發(fā)展，降低了交通運輸對環(huán)境的影響程度，鐵路市場份額大幅度回升，企業(yè)經濟效益明顯好轉。

第二次高潮是在1990年至90年代中期法國、德國、意大利、西班牙、比利時、荷蘭、瑞典、英國等歐洲大部分國家，大規(guī)模修建本國或跨國界高速鐵路，逐步形成了歐洲高速鐵路網絡。這次高速鐵路的建設高潮，不僅僅是鐵路提高內部企業(yè)效益的需要，更多的是國家能源、環(huán)境、交通政策的需要。

第三次高潮從90年代中期至今。在亞洲（韓國、中國臺北、中國）、北美洲（美國）、澳洲（澳大利亞）世界范圍內掀起了建設高速鐵路的熱潮。主要體現在：一是修建高鐵得到了各國政府的支持，一般都有了全國性的整體修建規(guī)劃，并按照規(guī)劃逐步實施；二是修建高鐵的企業(yè)經濟效益和社會效益得到了更廣層面的共識，特別是建高鐵能夠節(jié)約能源、減少土地使用面積、減少環(huán)境污染、交通安全，能促進沿線地區(qū)經濟發(fā)展、加快產業(yè)結構的調整等等。

自從2003年10月12日，中央電視臺“焦點訪談”報導了運力不足問題，鐵路建設眾所矚目。從2005年起，鐵路建設高速發(fā)展，先后建設和建成了一大批高速鐵路，目前，已經建設和運營的高鐵居于世界前列。

表1 高速鐵路的建設和運營上居于世界前列的國家

二、接觸網及接觸導線的基本要求的主要技術指標

接觸網包括接觸線、承力索（絞線）、吊弦以及連接零件等，參見圖3和圖4所示。接觸導線是接觸網的最重要的組成部分，也是要求最高、制備難度最大的導線。在電力機車運行中，其受電弓滑板直接與接觸線摩擦并獲得電能；承力索的作用是懸掛接觸線，同時承載一定電流來減小牽引網阻抗，降低電壓損耗和能耗；吊弦是連接接觸線和承力索的連接線。

1. 接觸導線的基本要求

（1）能夠滿足高速列車速度(一般為300km/h或更高)和電流的要求（3000V直流或者25KV 50～60Hz交流電流；牽引功率為6000～9000KW）。

（2）高架線必須是在軌道上統(tǒng)一高度上，從而保證集電弓架的采電。因此，高架線和其他設備必須具有一樣的彈性系數和撓度系數，并具有高強和高導電性。

（3）具有足夠的強度來承受振動、腐蝕、發(fā)熱等，同時在可靠性與使用壽命之間保持平衡；并具有良好的耐磨性。

（4）滿足影響接觸網技術狀態(tài)的氣象因素，主要有：風吹、日曬（氣溫）、雨淋和覆冰等因素的影響。

（5）要求接觸線平直度好，無扭面現象；抗反復彎曲能力高；抗扭轉能力高。

（6）有較高的抗軟化溫度。

2. 接觸導線的主要技術指標

（1）震波速度與安全系數

a.震波速度（V波動）是橫波沿導線傳播的速度，它是接觸導線張力與接觸導線材料密度比的平方根函數，有關系式如下。

根據上式，張力越大（高強度）導線震波速度越高，即震波速度可以通過加大張力或采用更輕的導線來增加。加大張力就需要導線具有更高的強度。目前，沒有比銅合金更好、更合適的導線材料。對于銅合金接觸導線，考慮安全因素后，最大可達到震波速度（忽略磨損）500km/h。

震波速度是設計高架線時最重要的參數。導線震波速度越大可適應的列車速度就越高。通常將列車速度與震波速度的比值用β來表示，一般要求β=0.6～0.7。列車運行要求 β=V列車/ V波動≤0.7。

圖2 電氣化鐵路的三根線

b.安全系數

安全系數=拉斷力×80%/架線張力，國外≥1.5，部分超過2.0。增加線材抗拉強度，可提高安全系數。提高抗拉強度滿足列車高速運行要求。

（2）主要技術指標

a.震波速度，一般要求β=0.6～0.7。

b.力學性能及導電率（不同時速要求不一樣，如應用于時速為300km～350km的接觸網中，抗拉強度和導電率分別為560MPa和78%IACS）。

c.接觸導線的截面形狀及長度要求，接觸導線截面積在110-170mm2，目前我國主要采用150mm2（京滬高鐵主要采用CTMH150接觸線和JTM 120承力索）；每根接觸導線長度要求1500米以上（重量2噸以上）。

d.抗軟化溫度，在300℃下，2小時軟化處理，強度保持在90%以上。

3. 國內外接觸導線網的主要參數及相關材料的性能

(1)國內外接觸導線網的主要參數

高架線最重要的性能參數之一是每單位長度的重量和張力?？偟膹埩εc集電弓架的推力有關，也與高架線的垂直運動有關。對于日本的新干線，總張力是54N，法國的是28N，德國的是34N，意大利的可達33×2N，不過是因為它采用的是雙導線，具有更大的導線尺寸。集電弓架的推力日本采用70到 80 N，法國和德國的是130～250N，意大利的是200～300N。由此可見法國和德國的高架線的振幅比日本的大四倍。一般來說，振幅越小，穩(wěn)定性越好。振幅小，也能減少錯誤的頻率以及由此帶來的損失。表 2 列出了國外高速列車速度與震波速度的比值β。模擬和實驗驗證了當列車速度接近震波速度時，高架線的振幅和局部彎曲增加，由此帶來高架線和集電弓架之間的接觸難度。實踐表明，當列車速度達到震波速度的70%或80%時，接觸難度增大的表現將非常明顯。在這種速度時，導線與集電弓架之間的接觸減少的概率會大幅度增加，極端情況時，高架導線將被損壞。因此，高架導線的常數必須確定為能夠使導線的震波速度遠遠大于列車速度。震波速度可以通過在提高張力或使用更輕的導線來增加。其他的增大導線波速的方式只能通過采用單位長度上抗拉強度與重量比值更高的材料。在日本，正在使用和正在開發(fā)的導線材料有新型銅合金、其他合金和復合導線，如鋁包鋼、銅包鋼導線等。在表2可見，所有β值均為0.7或者更低，表明所有國家都采用以上提到的穩(wěn)定速度范圍來確定火車車速。

(2)有關接觸網線的力學性能及導電率

根據高速列車的時速對接觸導線的震波速度提出了嚴格的要求，即根據高速列車的時速不同對接觸導線的力學性能及導電率要求也不同。表3是國內外接觸導線的主要技術指標。

銅的電阻率很低，抗腐蝕性能好，是非常理想的接觸線材料。為了提高銅線的強度，軟銅通過冷拔成銅導線。另外，在日本銅接觸線加入了0.3% 錫來提高銅導線的抗磨損性能。隧道用接觸導線采用的是抗熱的銀銅合金導線，主要是防止列車發(fā)生火患時導線會因熱斷裂。最近，這種銅銀合金開始被銅錫合金導線替換。圖5所示為常見銅合金能達到的性能范圍。圖中的表列出了銅錫、銅錫鋯合金、銅鎂、銅鉻鋯幾種常用銅合金的抗拉強度和導電率。合金材料的主要性能及技術指標應符合GB/T 12971.1-2008標準的要求。

(3)接觸導線的截面形狀及長度要求

接觸線的截面是一個在2點（鐘）和10點（鐘）位置上帶有凹槽的圓形，凹槽是用來將接觸線懸掛在固定裝置上。常規(guī)的接觸線是用冷拔銅合金做成的。日本新干線另外一個新的設計是采用銅包鋼線來增高高速運營時導線的張力。圖6是常用銅接觸導線和兩種類型復合材料導線的截面形狀。

高速列車的時速很高，要求接觸導線的焊接接縫越少越好。因此，根據列車的時速，要求每根接觸導線（無焊接接縫）的長度在1500米以上。按照目前各國使用的接觸導線截面積在110～170mm2，每米接觸導線的重量在1～1.5kg/m，即1500米的單根銅合金接觸導線重量在1.5～2.25噸。

三、接觸導線材料及生產技術

1. 接觸導線的合金材料

長期以來，在銅接觸導線研究方面，一直存在高強度和高導電率之間的矛盾。一般來說，要保持銅的高導電率，則強度往往不足；而要提高強度，則需加入合金元素，那樣又會顯著降低銅材的導電率。在Cu中加入一些高熔點、高強度金屬與銅形成固溶體，導致材料原子點陣畸變，使電子運動阻力增加，因而電阻增大；加入量越多，晶格畸變程度越大，因而電阻率上升，導電率下降。綜觀多年來銅導線研究狀況可以看出，人們在解決高強度和高導電率這一對矛盾時，大多是在盡可能少地降低銅導線導電率的前提下，采用固溶強化、變形強化或沉淀強化來提高銅材的強度。幾種銅合金接觸線的特點如下。

（1）銅銀合金接觸線

國內一些企業(yè)已成功在連鑄連軋生產線上能生產出質量優(yōu)良的Cu-Ag接觸線坯，再經冷拉或冷軋成形為致密加工態(tài)的高強度、耐磨接觸銅合金導線，克服了傳統(tǒng)技術(上引法)生產的鑄態(tài)組織的缺點，可滿足機車200km/h以上的運行速度。其性能已和德國產銀銅接觸線相當，目前已經批量生產，并大量使用。

（2）銅錫合金接觸線

已列入我國行業(yè)標準的錫銅接觸線，抗拉強度接近銀銅接觸線，但導電率稍低(70%IACS)?，F在法國在時速為300km～350km的接觸網中研制和試用的錫銅120接觸線，其抗拉強度和導電率分別為360.8M Pa和70%IACS。我國已經能批量生產和應用于高速鐵路（時速為200km～250km）。

（3）銅鎂合金材料

隨著高速鐵路“客運高速、貨運重載”的特點，采用高強度、高載流量、抗腐蝕性強的銅鎂合金也進入人們的視野。德國在開發(fā)時速達330km的Re 330型接觸網中研制的鎂銅120接觸線已進入試運行階段，并取得了預期的效果。目前的抗拉強度和導電率可分別達到503MPa和70%IACS。要進一步提高強度，保持或提高導電率，還需添加第二甚至第三元素。另外，鎂在制作鎂銅合金的大規(guī)模生產中是難于連續(xù)穩(wěn)定控制的元素，這些都需要進一步研究。

另外，銅鎂合金作為高速鐵路用承力纜成為高速電氣化鐵路建設的又一重要專用材料，具有很好的產業(yè)發(fā)展前景。我國目前生產承力纜的材料可分為兩種：一種是銅基合金材料，另外一種是復合材料。復合材料一般是使用鋼芯鋁絞線、鋼芯銅絞線材料，此兩種材料雖然強度高，但載流量小、抗腐蝕能力差，不能滿足承力纜大載流、強抗蝕的發(fā)展需要。一些國家中，除日本部分采用銅包鋼材料做承力纜外，其他國家均采用高強度、載流量大和抗腐蝕性強的銅鎂合金承力纜。利用連鑄連軋工藝生產新型高強、高導銅鎂合金承力纜已是高速電氣化鐵路專用材料和制造技術進步的國際發(fā)展主流趨勢。

（4）銅鉻鋯合金接觸線

日本開發(fā)的PHC110接觸線，抗拉強度和導電率分別達555.5M Pa和78.8%IACS。這是一種熱處理強化的銅合金，也是比較理想的接觸性材料，但是生產難度比較大。由此類合金制作的小型試驗樣品在國內已有生產和應用，但此類合金的問題是熔煉鑄造時易氧化，在我國電線電纜廠中要實現連續(xù)大長度無接頭的連續(xù)生產尚需摸索，即目前難以實現大卷重、大批量接觸性的產業(yè)化生產。

（5）銅錫鋯合金接觸線

由于目前銅鉻鋯合金接觸線實現大規(guī)模生產較困難，所以通過摸索，在銅錫合金中加入鋯元素的方法已經取得了初步的突破。此種材料的研發(fā)，可以在銅錫合金的基礎上進一步提高強度及其綜合性能，并且較易實現規(guī)?；a。目前，針對此種材料的研究，國外只有日本古河電器公司，國內也只有北京有色金屬研究總院進行研究。

表4 各種合金接觸線能滿足的列車運行速度范圍

綜上所述，發(fā)展多種銅合金導線材料是因我國電氣化鐵路現狀和今后建設規(guī)劃的需要所決定。表4為各種合金接觸線能滿足的列車運行速度范圍。

2. 接觸網線的主要生產工藝及流程

在高速鐵路接觸網線生產方面，先進國家中除日本部分采用銅包鋼技術外，其他國家全部采用連鑄連軋法生產電氣化鐵路專用純銅及銅合金接觸線。我國在高速列車建設及相關關鍵材料研制生產方面起步較晚，電力機車接觸導線制造技術相對落后，但是發(fā)展很快。目前，我國有不少銅加工企業(yè)在研究開發(fā)高速鐵路接觸網線方面投入了一定的人力和物力，有的已開始小批量生產部分合金的接觸導線。目前，主要的生產工藝有：

采用進口合金坯料——冷拉/冷軋；

上引連鑄——（冷軋）——拉拔法（簡稱上引連鑄法）；

連鑄連軋——拉拔（簡稱連鑄連軋法）；

上引連鑄——連續(xù)擠壓——拉拔法（簡稱上引連鑄/擠壓法）；

上引連鑄——連續(xù)擠壓——連軋——拉拔法（簡稱上引連鑄/連續(xù)擠壓/連軋）

真空立式半連鑄——擠壓開坯——軋制——拉拔（簡稱擠壓拉拔法）；

上引連鑄——連續(xù)擠壓復合法——拉拔法（簡稱復合法）。

3. 各種工藝的特點

根據不同的要求，以上列出的生產工藝都能在一定范圍內能獲得應用，但是有的方法還僅僅在研究開發(fā)中，下面分別分析各種工藝的特點和應用范圍。

（1）采用進口合金坯料——冷拉/冷軋；

該工藝以XX電車線廠為代表的工藝，也是我國最早生產接觸性所采用的方法。其特點是：采用進口原料進行生產，原料價格高，市場競爭能力不強，由于沒有自主核心技術，發(fā)展受制于國外企業(yè)。

（2）上引連鑄——（冷軋）——拉拔法；

該工藝裝備較簡單，投資小， 易于實現，適合于小批量、單品種生產。采用這種（上引法＋冷拉）工藝生產合金坯料后加工成接觸線，接觸線力學性能一般，只能應用于時速較低的網線中。實踐表明，采用這種方法生產的接觸線，隨著接觸線使用年限延長，上引坯料桿的缺陷逐步暴露出來，即上引鑄桿坯內部存的鑄造組織、成分偏析、晶粒粗大和組織疏松等缺陷不能在后續(xù)加工中徹底消除，造成導線使用過程中斷線事故屢屢發(fā)生。

（3）連鑄連軋——拉拔；

連鑄連軋工藝生產的鑄坯截面尺寸較大、軋制加工變形量也大，軋制后的線坯內部組織致密，能克服上引工藝帶來的弊病，同時能連續(xù)生產大長度的接觸導線。因此連鑄連軋＋冷拉工藝生產的銅合金接觸導線，成為發(fā)展的趨勢。但是，目前連鑄連軋的加工方法僅適用于生產Cu-Ag、Cu-Sn合金接觸導線。如進一步提高材料的力學性能，需要添加更多的其他合金元素，不僅連鑄的困難將大大增加，而且材料的缺陷也增多。因此，采用連鑄連軋工藝生產高性能銅合金還需要進一步研究開發(fā)。該工藝是以XX銅業(yè)集團為代表研究開發(fā)的生產工藝，也是目前國內生產軌道交通用接觸導線的主流工藝。如果采用該工藝進行Cu-Cr-Zr合金導線材料的生產，就需要進一步改進現有連鑄工藝或開發(fā)新的連鑄工藝，即解決如何將Cr、Zr合金元素加入，并獲得合金成分均勻、加入合金元素收得率高的合金導線坯料。

（4）上引連鑄——連續(xù)擠壓——拉拔法；

上引連鑄/擠壓法的優(yōu)點是坯料無需加熱，實現無間斷的連續(xù)生產，變形金屬受力狀態(tài)好，組織致密。同種直徑的桿坯既可以生產小截面的產品，也可生產比桿坯截面還大的產品，從而滿足不同線徑產品的需要；其缺點是生產率低，不適合供貨量大、大規(guī)模連續(xù)生產，增加了連續(xù)擠壓生產工序，提高了接觸的生產成本。目前，國內采用該工藝已經成功生產出了Cu-Ag、Cu-Sn、Cu-M g系列合格的接觸導線，產品性能也非常優(yōu)異，并且部分通過了掛線試驗，是一種比較有前途的工藝方法。

（5）上引連鑄——連續(xù)擠壓——連續(xù)軋制——拉拔法；

這種方法是將上引連鑄Φ20m m鑄坯，連續(xù)擠壓成Φ35mm的線桿，再連續(xù)軋制成Φ20mm的線桿，再拉拔成接觸導線。該方法將上引連鑄、連續(xù)擠壓、連續(xù)軋制的優(yōu)點集為一體，是一種合理、有效的加工方法，能保證接觸導線的高性能。

如果采用該工藝生產Cu-Cr-Zr合金導線，還是存在上引制坯的問題，即如何將Cr、Zr合金元素加入，并獲得合金成分均勻、加入合金元素收得率高的合金導線坯。

（6）真空立式半連鑄——擠壓開坯——軋制——拉拔；

真空鑄造/擠壓開坯是生產高質量Cu-Cr-Zr合金導線的最佳方法。但是，需要大型真空熔煉爐和大型擠壓機，這是該工藝的瓶頸。研究開發(fā)Cu-Cr-Zr合金的非真空熔煉鑄造技術就成為了解決該問題的關鍵技術之一；將擠壓開坯改為軋制開坯（孔型軋制和/或Y軋），再進行拉拔是解決該方法的另一關鍵技術。

（7）上引連鑄——連續(xù)擠壓復合法——拉拔法；

通常采用連續(xù)擠壓方法生產銅包鋼接觸導線，目前只有少量的企業(yè)與研究單位在進行試驗。該方法的問題還是很難生產長度超過1500M以上的接觸導線，同時復合接觸導線的焊接問題很難解決。

表5 部分企業(yè)生產接觸線的特點一覽表

總之，根據以上分析，考慮產品性能和連續(xù)化生產的要求，目前連鑄連軋法和上引連鑄/連續(xù)擠壓/連軋法是主要的發(fā)展及研發(fā)方向。表5列出了目前我國企業(yè)生產接觸線的一覽表。

四、結束語

(1)國內外高速鐵路的發(fā)展非常迅速，預計到2020年，中國200公里及以上時速的高速鐵路建設里程將超過1.8萬公里，將占世界高速鐵路總里程的一半以上。

(2)隨著列車時速的提高，對接觸導線材料的性能要求越來越高，接觸線要求向更高強、高導、高可靠性的方向發(fā)展。

(3)根據產品性能和連續(xù)化生產的要求，連鑄連軋法和上引連鑄/連續(xù)擠壓/連軋法是主要的發(fā)展及研發(fā)方向。

（略）