何劍輝， 郭大為， 吳楠霖

(云南銅業(yè)(集團)有限公司， 云南 昆明 650051)

銅銀合金接觸線用線坯的合金化均勻性及穩(wěn)定控制

何劍輝， 郭大為， 吳楠霖

(云南銅業(yè)(集團)有限公司， 云南 昆明 650051)

本文介紹了以大型工頻感應電爐作為熔化爐，采用SCR連鑄連軋工藝生產(chǎn)銅合金接觸線用坯料時，在產(chǎn)業(yè)化條件下，利用大型工頻感應電爐的原理，結合銅銀合金接觸性對銀含量的要求和連鑄連軋工藝對加料速度的要求，摸索出產(chǎn)業(yè)化條件下銅銀合金接觸線用坯料的合金化均勻性及穩(wěn)定控制的規(guī)律。

產(chǎn)業(yè)化； SCR； 銅銀合金； 均勻化； 穩(wěn)定控制

0 概述

近年來中國高速電氣化鐵路得到快速發(fā)展，中國一舉成為世界高速電氣化鐵路建設大國。高速電氣化鐵路用銅銀合金接觸線成為我國較為成熟的高速鐵路用銅合金接觸線，在國內(nèi)多條高速鐵路的新建和改造工程中廣泛使用。隨著銅銀合金接觸線用量的不斷增加，對銅銀合金接觸線用線坯的合金配置的均勻性和穩(wěn)定性控制要求不斷提高。

本文以大型工頻感應電爐作為熔化爐，采用SCR連鑄連軋工藝生產(chǎn)銅銀合金接觸線用線坯時，利用大型工頻感應電爐的原理，結合銅銀合金接觸線中銀含量的要求以及連鑄連軋工藝對加料速度的要求，摸索出產(chǎn)業(yè)化條件下銅合金的合金化均勻性及穩(wěn)定性控制的規(guī)律，實現(xiàn)了銅銀合金接觸線用線坯的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。

1 大型工頻感應電爐工作原理

工頻感應電爐是利用感應器中交變磁場作用，使感應電爐爐膛內(nèi)的液態(tài)金屬，在感應器溶溝內(nèi)產(chǎn)生渦流而發(fā)熱的金屬流作用下，爐膛內(nèi)的液態(tài)金屬內(nèi)部產(chǎn)生對流，在這種磁場熱的作用下，爐膛內(nèi)的液態(tài)金屬被加熱，同時隨著液態(tài)金屬的流動，爐膛內(nèi)部的溫度和合金成分分布趨于均勻化，圖1說明了感應器的結構及溶溝內(nèi)部金屬流動情況。

云銅股份使用的感應電爐是從英國Ajax公司引進的，爐子由兩個感應器構成，功率為2×900 kW，爐膛銅液容量為42 t，小時融化速度為6 t/h。

圖1 工頻感應器結構示意圖

2 產(chǎn)業(yè)化條件下感應電爐配置合金研究

工頻感應電爐的作用是實現(xiàn)電解銅的融化和合金的配置。云南股份在銅銀合金接觸線批量化開發(fā)的早期，合金配置的方式為：按照鐵道部對銅銀合金接觸線銀含量在800～1200×10-6的要求，在爐膛中42 t的銅液內(nèi)一次性加入銀錠，配制成銀含量在800～1200×10-6的銅銀合金金屬液，開機運行時，根據(jù)爐膛內(nèi)銅液取樣分析的結果，進行電解銅或者銀錠的補充。當時由于鑄造條件、軋制條件控制不穩(wěn)，生產(chǎn)的連續(xù)性很差，一般連續(xù)生產(chǎn)時間在1個小時左右，成材率很低，單班成材率一般在50%左右，大量的廢銅銀合金線坯需要回爐，這些廢線坯雖外觀及力學性能不合格，但是合金成分一般在700～1500×10-6之間，加入感應電爐作為原料，使銅銀合金成分基本能滿足鐵標要求。但在產(chǎn)業(yè)化條件下，一方面是生產(chǎn)的連續(xù)性提高，基本要達到正常純銅生產(chǎn)的節(jié)奏，連續(xù)12 h作業(yè)不停機；另一面隨著成材率的提高，一般按照連鑄連軋生產(chǎn)要求要達到90%以上，廢銅銀合金坯料數(shù)量將大大減少。以上兩個因素對生產(chǎn)過程中銅銀合金實現(xiàn)在線配置提出新的要求。

2.1 初步試驗方案的設計及實施

根據(jù)批量化生產(chǎn)銅銀合金接觸線的實踐，結合工頻感應電爐的操作實踐，工頻感應電爐特有的強磁力攪拌作用是爐膛內(nèi)部合金化均勻的關鍵。本實驗擬從研究感應電爐攪拌力、實際輸送功率、合金成分分布三個要素之間的影響關系入手，在設備配置及加料的方式上進行優(yōu)化，達到產(chǎn)業(yè)化條件下實現(xiàn)合金均勻配置的目的。

2.1.1 感應電爐攪拌力與合金成分均勻性研究

感應電爐爐膛銅液內(nèi)部攪拌力與功率之間的關系可表述為[1]：

(1)

式中P—攪拌力，kg·cm2W—感應電爐功率，kW；d—爐內(nèi)直徑，mm；l—爐內(nèi)銅液高度，mm；p—被加熱體的固有電阻，Ω·cm；f—頻率，Hz。

從公式(1)可知，當感應電爐爐內(nèi)直徑、爐膛銅液高度、工作頻率一定時，攪拌力與工作功率成正比。

2.1.2 感應電爐攪拌力與合金成分均性的試驗

根據(jù)公式(1)，固定電爐爐內(nèi)直徑、爐膛銅液高度、工作頻率的參數(shù)設置，同時根據(jù)產(chǎn)業(yè)化的需求，固定合金成分及正常工作穩(wěn)定，形成如下試驗初始條件：

(1)將爐內(nèi)的銅液配置成為銀含量為1000×10-6的銅銀合金金屬液；

(2)將爐內(nèi)銅合金液控制在42 t，即銅合金液高度為900 mm；

(3)感應器功率調(diào)到2×900 kW，使爐內(nèi)銅合金液的溫度加熱到正常的工作溫度1130 ℃±5 ℃。

2.1.3 試驗步驟

按照往常的操作實踐，由于感應器水冷系統(tǒng)和加料口散熱將帶走部分熱量，這部分熱量通常是爐內(nèi)熱量的20%，此時感應電爐的感應器送電功率維持在2×400 kW時，可實現(xiàn)爐內(nèi)銅液的保溫。在試驗進行時，先將兩個感應器的工作功率同時調(diào)至400 kW以保證保溫，其中，感應器A保持400 kW的工作功率，感應器B從400 kW開始升功率，考慮到爐內(nèi)合金的充分攪拌均勻，每間隔20 min升一個檔次的功率，當調(diào)高功率前1 min，對爐內(nèi)在該功率下的合金液體進行取樣對比。表1中說明了操作時的功率、取樣點。

考慮到感應器與爐膛接口處攪拌力大，取樣點設置在爐膛液面遠離感應器溶溝的四個點，同時在與這四個對應的銅液深度為400 mm的位置取樣。取樣點的分布如圖2所示。

表1 升功率操作及取樣方法

注：取樣坩堝用特制鉗子固定，鉗子上包裹高溫耐火材料。

圖2 取樣分布點

2.2 試驗數(shù)據(jù)分析

對爐內(nèi)銅液的8個點進行了取樣分析，表2統(tǒng)計了8個點的銀含量，表3對銀含量的極差進行了統(tǒng)計。

表2 取樣分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計

表3 取樣分析的極差統(tǒng)計

結果分析：根據(jù)上述試驗結果可知，在使用大型工頻感應電爐實現(xiàn)微含量的銀合金配置時，當爐內(nèi)銅液溫度恒定時，隨著感應器功率的增加，爐內(nèi)銅液的攪拌作用逐漸增強，合金成分的均勻性與攪拌力呈現(xiàn)較強的正相關性。

2.3 改進措施

由于銀金屬是稀貴金屬，每公斤銀的價格在3000～4000元/kg，考慮到生產(chǎn)成本的控制以及合金成分波動的均勻性，進一步提高感應器功率是提高合金化均勻性的設備基礎[2]。根據(jù)上述試驗的數(shù)據(jù)作為參考，咨詢英國Ajax公司相關工程技術人員后，在不改變爐子現(xiàn)有尺寸及結構的條件下，將感應器的功率由2×900 kW上升為2×1200 kW。感應器升級感應電爐投入后使用后，對爐內(nèi)銅液的銀含量進行了取樣分析，見表4。

表4 感應電爐升級后的銅液取樣分析統(tǒng)計

試驗條件:爐內(nèi)銅液溫度1130 ℃，銅液重量42 t，感應器工作功率2×1200 kW

結果分析：感應器功率升高后，爐內(nèi)銅液中銀含量的分布逐漸趨于均勻化，銀含量的極差基本在78～86×10-6之間，證明提高感應器的功率，對工頻感應電爐實現(xiàn)微量元素的合金均勻化控制是可行的。

2.4 產(chǎn)業(yè)化條件下適時在線的合金配置控制試驗實施

在產(chǎn)業(yè)化條件下，由于生產(chǎn)過程的連續(xù)性，需在保證感應電爐爐內(nèi)銅液重量不低于42 t的前提下，實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)過程中的合金在線配置，并保證合金成分控制的均勻性。按照上述條件，在產(chǎn)業(yè)化過程中，從加料操作入手，對在線合金配置進行了研究。

2.4.1 試驗的初始條件

(1)小時產(chǎn)量9 t/h(由于云銅股份公司將工頻感應電爐感應器的功率升級后，同時根據(jù)后續(xù)質(zhì)量控制的要求，相應的小時產(chǎn)量從69 t/h提高到99 t/h)。

(2)爐內(nèi)銅液始終保持42 t重量，爐內(nèi)銅液溫度1130 ℃±5 ℃。

(3)爐內(nèi)銅銀合金初始含量為1000×10-6。

(4)忽略加入電解銅、銀到感應電爐內(nèi)的融化時間，同時忽略加入銀后，銀需要的溶解及擴散時間。

(5)忽略感應電爐內(nèi)由于攪拌力分布不勻帶來的爐內(nèi)合金成分分布不均勻問題，因在2.1節(jié)試驗中，由攪拌力生產(chǎn)的合金不均勻極差僅為80×10-6左右。

由于從英國Ajax公司咨詢后了解到，重量為100 kg的電解銅在進入溫度為1130 ℃銅液內(nèi)，只需要0.3 s的時間便可融化；銀熔點為960.8 ℃,熔點低于銅熔點1083.4 ℃，銀的融化時間也可忽略；銀溶化后向低含量的銅銀合金液體中擴散，濃度差達到99%以上，擴散驅動力很強，此外銀在銅合金液中的擴散時間現(xiàn)有條件無法試驗，所以忽略銀擴散時間[2]。

2.4.2 從理論分析連續(xù)加料對銀含量的影響

按照上述試驗的初始條件，根據(jù)合金配置原則，在連續(xù)化生產(chǎn)過程中，當期初生產(chǎn)的感應電爐內(nèi)銅液完成配置后，在生產(chǎn)過程中，不進行銀的補充，對合金成分的影響見圖3。

圖3 不補充銀對銅銀合金銀含量的影響圖

從圖3分析可知，當感應電爐內(nèi)銀含量為1000×10-6、重量為42 t的銅銀合金液進入生產(chǎn)后，按照9 t/h的產(chǎn)量不斷的加入電解銅，維持42 t的合金液重的生產(chǎn)過程中，第一個10 min后，爐內(nèi)合金含量由1000×10-6下降到965.52×10-6，濃度降低34×10-6；第二個10 min后，濃度較1000×10-6降低66.67×10-6;第八個10 min后，濃度低于800×10-6。

2.4.3 采取的方案

根據(jù)實驗的初始條件，以及理論分析的結果，按照盡可能提高銅銀合金含量控制均勻性的原則，并根據(jù)電解銅的重量是100 kg±5 kg,小時產(chǎn)量是9 t/h的固定條件，制定出每加入9塊電解銅，加入1 kg銀錠，銀錠直接從加料口加入的適時在線合金配置方案。

2.4.4 試驗結果

圖4為確定控制條件下，60個樣的銀含量波動

圖4 銀含量波動圖

圖。從圖4可以看出，通過升級感應電爐，合金配置方式的優(yōu)化，在產(chǎn)業(yè)條件下，云銅股份銅銀合金接觸線生產(chǎn)的銀含量控制實現(xiàn)了穩(wěn)定控制，通過4000 t的產(chǎn)量統(tǒng)計：銅銀合金銀含量控制在900～1100×10-6，銀含量波動范圍可控制在±100×10-6，降低了由于銀元素波動范圍大造成的浪費，取得了較好的經(jīng)濟效益。

3 小結

通過產(chǎn)業(yè)化條件下銅銀合金化均勻性及穩(wěn)定性控制試驗研究，獲得以下結果：

(1)摸索出銅銀合金接觸線在產(chǎn)業(yè)化條件下生產(chǎn)時的微量合金元素成分均勻控制的技術。

(2)摸索出大型工頻感應電爐功率與實現(xiàn)微合金化元素成分控制的關系，確定出銀元素在融化過程中擴散速度對合金成分含量影響有限的初步結論。

[1] 金仲信.感應電爐的原理、構造和筑爐、修爐方法[J].現(xiàn)代鑄鐵，2005，(2)：57-58.

[2] 余風倫.提高感應熔煉爐電效率的途徑[J].汽車科技，1994，(1):2-3.

[3] 吳予才.高速電氣化鐵路接觸網(wǎng)導線[J].稀有金屬，2004，28(1)：279-282.

Homogenization and Stability Control of the Line Billet for Copper Silver Alloy Contact Wire

HE Jian-hui， GUO Da-wei， WU Nan-lin

(Yunnan Copper(Group) Co., Ltd. Kunming 650051, China)

This paper introduces the large power frequency induction furnace for melting furnace and the SCR continuous casting and rolling process for producing copper alloy wire, uses the principle of large power frequency induction furnace, combines the requirement of copper silver alloy conductor on the silver content and continuous casting and rolling process of feeding speed, finds out producing the line billet for copper silver alloy contact wire industry under the condition of alloying homogeneity and stability control law.

industrialization； SCR； copper silver alloy； homogenization； stability control

2013-10-25

何劍輝(1979-)，男，云南維西人，高級工程師，材料工程碩士，主要從事新材料開發(fā)、科研項目管理等工作，現(xiàn)任云南銅業(yè)(集團)有限公司規(guī)劃發(fā)展部科長。

郭大為(1979-)，男，云南昆明人，工程師，碩士研究生，主要從事材料等工程力學測試與分析、科研項目管理工作，現(xiàn)任云南銅業(yè)(集團)有限公司科技部科長。

TG146

B

1003-8884(2014)01-0012-04

吳楠霖(1991-)，男，云南昆明人，大學本科在讀，主要從事粉體材料研究，現(xiàn)就讀于中南工業(yè)大學。