铜银合金接触线用线坯的合金化均匀性及稳定控制

何剑辉， 郭大为， 吴楠霖

(云南铜业(集团)有限公司， 云南 昆明 650051)

铜银合金接触线用线坯的合金化均匀性及稳定控制

何剑辉， 郭大为， 吴楠霖

(云南铜业(集团)有限公司， 云南 昆明 650051)

本文介绍了以大型工频感应电炉作为熔化炉，采用SCR连铸连轧工艺生产铜合金接触线用坯料时，在产业化条件下，利用大型工频感应电炉的原理，结合铜银合金接触性对银含量的要求和连铸连轧工艺对加料速度的要求，摸索出产业化条件下铜银合金接触线用坯料的合金化均匀性及稳定控制的规律。

产业化； SCR； 铜银合金； 均匀化； 稳定控制

0 概述

近年来中国高速电气化铁路得到快速发展，中国一举成为世界高速电气化铁路建设大国。高速电气化铁路用铜银合金接触线成为我国较为成熟的高速铁路用铜合金接触线，在国内多条高速铁路的新建和改造工程中广泛使用。随着铜银合金接触线用量的不断增加，对铜银合金接触线用线坯的合金配置的均匀性和稳定性控制要求不断提高。

本文以大型工频感应电炉作为熔化炉，采用SCR连铸连轧工艺生产铜银合金接触线用线坯时，利用大型工频感应电炉的原理，结合铜银合金接触线中银含量的要求以及连铸连轧工艺对加料速度的要求，摸索出产业化条件下铜合金的合金化均匀性及稳定性控制的规律，实现了铜银合金接触线用线坯的产业化开发。

1 大型工频感应电炉工作原理

工频感应电炉是利用感应器中交变磁场作用，使感应电炉炉膛内的液态金属，在感应器溶沟内产生涡流而发热的金属流作用下，炉膛内的液态金属内部产生对流，在这种磁场热的作用下，炉膛内的液态金属被加热，同时随着液态金属的流动，炉膛内部的温度和合金成分分布趋于均匀化，图1说明了感应器的结构及溶沟内部金属流动情况。

云铜股份使用的感应电炉是从英国Ajax公司引进的，炉子由两个感应器构成，功率为2×900 kW，炉膛铜液容量为42 t，小时融化速度为6 t/h。

图1 工频感应器结构示意图

2 产业化条件下感应电炉配置合金研究

工频感应电炉的作用是实现电解铜的融化和合金的配置。云南股份在铜银合金接触线批量化开发的早期，合金配置的方式为：按照铁道部对铜银合金接触线银含量在800～1200×10-6的要求，在炉膛中42 t的铜液内一次性加入银锭，配制成银含量在800～1200×10-6的铜银合金金属液，开机运行时，根据炉膛内铜液取样分析的结果，进行电解铜或者银锭的补充。当时由于铸造条件、轧制条件控制不稳，生产的连续性很差，一般连续生产时间在1个小时左右，成材率很低，单班成材率一般在50%左右，大量的废铜银合金线坯需要回炉，这些废线坯虽外观及力学性能不合格，但是合金成分一般在700～1500×10-6之间，加入感应电炉作为原料，使铜银合金成分基本能满足铁标要求。但在产业化条件下，一方面是生产的连续性提高，基本要达到正常纯铜生产的节奏，连续12 h作业不停机；另一面随着成材率的提高，一般按照连铸连轧生产要求要达到90%以上，废铜银合金坯料数量将大大减少。以上两个因素对生产过程中铜银合金实现在线配置提出新的要求。

2.1 初步试验方案的设计及实施

根据批量化生产铜银合金接触线的实践，结合工频感应电炉的操作实践，工频感应电炉特有的强磁力搅拌作用是炉膛内部合金化均匀的关键。本实验拟从研究感应电炉搅拌力、实际输送功率、合金成分分布三个要素之间的影响关系入手，在设备配置及加料的方式上进行优化，达到产业化条件下实现合金均匀配置的目的。

2.1.1 感应电炉搅拌力与合金成分均匀性研究

感应电炉炉膛铜液内部搅拌力与功率之间的关系可表述为[1]：

(1)

式中P—搅拌力，kg·cm2W—感应电炉功率，kW；d—炉内直径，mm；l—炉内铜液高度，mm；p—被加热体的固有电阻，Ω·cm；f—频率，Hz。

从公式(1)可知，当感应电炉炉内直径、炉膛铜液高度、工作频率一定时，搅拌力与工作功率成正比。

2.1.2 感应电炉搅拌力与合金成分均性的试验

根据公式(1)，固定电炉炉内直径、炉膛铜液高度、工作频率的参数设置，同时根据产业化的需求，固定合金成分及正常工作稳定，形成如下试验初始条件：

(1)将炉内的铜液配置成为银含量为1000×10-6的铜银合金金属液；

(2)将炉内铜合金液控制在42 t，即铜合金液高度为900 mm；

(3)感应器功率调到2×900 kW，使炉内铜合金液的温度加热到正常的工作温度1130 ℃±5 ℃。

2.1.3 试验步骤

按照往常的操作实践，由于感应器水冷系统和加料口散热将带走部分热量，这部分热量通常是炉内热量的20%，此时感应电炉的感应器送电功率维持在2×400 kW时，可实现炉内铜液的保温。在试验进行时，先将两个感应器的工作功率同时调至400 kW以保证保温，其中，感应器A保持400 kW的工作功率，感应器B从400 kW开始升功率，考虑到炉内合金的充分搅拌均匀，每间隔20 min升一个档次的功率，当调高功率前1 min，对炉内在该功率下的合金液体进行取样对比。表1中说明了操作时的功率、取样点。

考虑到感应器与炉膛接口处搅拌力大，取样点设置在炉膛液面远离感应器溶沟的四个点，同时在与这四个对应的铜液深度为400 mm的位置取样。取样点的分布如图2所示。

表1 升功率操作及取样方法

注：取样坩埚用特制钳子固定，钳子上包裹高温耐火材料。

图2 取样分布点

2.2 试验数据分析

对炉内铜液的8个点进行了取样分析，表2统计了8个点的银含量，表3对银含量的极差进行了统计。

表2 取样分析数据统计

表3 取样分析的极差统计

结果分析：根据上述试验结果可知，在使用大型工频感应电炉实现微含量的银合金配置时，当炉内铜液温度恒定时，随着感应器功率的增加，炉内铜液的搅拌作用逐渐增强，合金成分的均匀性与搅拌力呈现较强的正相关性。

2.3 改进措施

由于银金属是稀贵金属，每公斤银的价格在3000～4000元/kg，考虑到生产成本的控制以及合金成分波动的均匀性，进一步提高感应器功率是提高合金化均匀性的设备基础[2]。根据上述试验的数据作为参考，咨询英国Ajax公司相关工程技术人员后，在不改变炉子现有尺寸及结构的条件下，将感应器的功率由2×900 kW上升为2×1200 kW。感应器升级感应电炉投入后使用后，对炉内铜液的银含量进行了取样分析，见表4。

表4 感应电炉升级后的铜液取样分析统计

试验条件:炉内铜液温度1130 ℃，铜液重量42 t，感应器工作功率2×1200 kW

结果分析：感应器功率升高后，炉内铜液中银含量的分布逐渐趋于均匀化，银含量的极差基本在78～86×10-6之间，证明提高感应器的功率，对工频感应电炉实现微量元素的合金均匀化控制是可行的。

2.4 产业化条件下适时在线的合金配置控制试验实施

在产业化条件下，由于生产过程的连续性，需在保证感应电炉炉内铜液重量不低于42 t的前提下，实现连续生产过程中的合金在线配置，并保证合金成分控制的均匀性。按照上述条件，在产业化过程中，从加料操作入手，对在线合金配置进行了研究。

2.4.1 试验的初始条件

(1)小时产量9 t/h(由于云铜股份公司将工频感应电炉感应器的功率升级后，同时根据后续质量控制的要求，相应的小时产量从69 t/h提高到99 t/h)。

(2)炉内铜液始终保持42 t重量，炉内铜液温度1130 ℃±5 ℃。

(3)炉内铜银合金初始含量为1000×10-6。

(4)忽略加入电解铜、银到感应电炉内的融化时间，同时忽略加入银后，银需要的溶解及扩散时间。

(5)忽略感应电炉内由于搅拌力分布不匀带来的炉内合金成分分布不均匀问题，因在2.1节试验中，由搅拌力生产的合金不均匀极差仅为80×10-6左右。

由于从英国Ajax公司咨询后了解到，重量为100 kg的电解铜在进入温度为1130 ℃铜液内，只需要0.3 s的时间便可融化；银熔点为960.8 ℃,熔点低于铜熔点1083.4 ℃，银的融化时间也可忽略；银溶化后向低含量的铜银合金液体中扩散，浓度差达到99%以上，扩散驱动力很强，此外银在铜合金液中的扩散时间现有条件无法试验，所以忽略银扩散时间[2]。

2.4.2 从理论分析连续加料对银含量的影响

按照上述试验的初始条件，根据合金配置原则，在连续化生产过程中，当期初生产的感应电炉内铜液完成配置后，在生产过程中，不进行银的补充，对合金成分的影响见图3。

图3 不补充银对铜银合金银含量的影响图

从图3分析可知，当感应电炉内银含量为1000×10-6、重量为42 t的铜银合金液进入生产后，按照9 t/h的产量不断的加入电解铜，维持42 t的合金液重的生产过程中，第一个10 min后，炉内合金含量由1000×10-6下降到965.52×10-6，浓度降低34×10-6；第二个10 min后，浓度较1000×10-6降低66.67×10-6;第八个10 min后，浓度低于800×10-6。

2.4.3 采取的方案

根据实验的初始条件，以及理论分析的结果，按照尽可能提高铜银合金含量控制均匀性的原则，并根据电解铜的重量是100 kg±5 kg,小时产量是9 t/h的固定条件，制定出每加入9块电解铜，加入1 kg银锭，银锭直接从加料口加入的适时在线合金配置方案。

2.4.4 试验结果

图4为确定控制条件下，60个样的银含量波动

图4 银含量波动图

图。从图4可以看出，通过升级感应电炉，合金配置方式的优化，在产业条件下，云铜股份铜银合金接触线生产的银含量控制实现了稳定控制，通过4000 t的产量统计：铜银合金银含量控制在900～1100×10-6，银含量波动范围可控制在±100×10-6，降低了由于银元素波动范围大造成的浪费，取得了较好的经济效益。

3 小结

通过产业化条件下铜银合金化均匀性及稳定性控制试验研究，获得以下结果：

(1)摸索出铜银合金接触线在产业化条件下生产时的微量合金元素成分均匀控制的技术。

(2)摸索出大型工频感应电炉功率与实现微合金化元素成分控制的关系，确定出银元素在融化过程中扩散速度对合金成分含量影响有限的初步结论。

[1] 金仲信.感应电炉的原理、构造和筑炉、修炉方法[J].现代铸铁，2005，(2)：57-58.

[2] 余风伦.提高感应熔炼炉电效率的途径[J].汽车科技，1994，(1):2-3.

[3] 吴予才.高速电气化铁路接触网导线[J].稀有金属，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

何剑辉(1979-)，男，云南维西人，高级工程师，材料工程硕士，主要从事新材料开发、科研项目管理等工作，现任云南铜业(集团)有限公司规划发展部科长。

郭大为(1979-)，男，云南昆明人，工程师，硕士研究生，主要从事材料等工程力学测试与分析、科研项目管理工作，现任云南铜业(集团)有限公司科技部科长。

TG146

B

1003-8884(2014)01-0012-04

吴楠霖(1991-)，男，云南昆明人，大学本科在读，主要从事粉体材料研究，现就读于中南工业大学。