CC BY
65
УДК 669.3.017
ПРОИЗВОДСТВО КОНТАКТНОГО ПРОВОДА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСНОЛЕГИРОВАННОЙ МЕДИ Моргунов Вадим Владимирович, начальник технологического бюро ОАО «РОССКАТ», г.Нефтегорск, Россия (e-mail: [email protected]) Якубович Ефим Абрамович, к.т.н., профессор (e-mail: [email protected]) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия
Рассматриваются проблемы, связанные с применением комплексноле-гированных медных сплавов для производства контактных проводов, используемых при строительстве железнодорожных магистралей. Показана перспективность производства на базе совмещенной технологии непрерывного литья, прокатки и волочения с целью обеспечения нормативного уровня качества контактного провода
Ключевые слова: контактный провод, медь, легирование, непрерывное литье, прокатка, волочение
Контактные провода служат для передачи электрической энергии подвижному составу через непосредственный контакт с его токоприемником. Исходя из характеристики условий эксплуатации провод должен иметь высокие механические и электрические свойства: прочность, износоустойчивость, термоустойчивость, электропроводность, стойкость к воздействию электрической дуги и длительный срок эксплуатации, а также обладал минимальной стоимостью. стоимость. Указанным комплексом свойств не обладает ни один металл и ни один сплав, поэтому при выборе материала провода приходится неизбежно принимать различные компромиссные решения. Согласно ГОСТ Р 55647 -2013 [1] контактные провода изготавливаются из меди, из низколегированной меди или бронзы и имеют фасонное и фасонно-овальное сечение.
Повышающиеся требования к качеству, эксплуатационным и служебным характеристикам контактных проводов требуют постоянного совершенствования их состава и технологии производства.
Наиболее распространенным материалом для контактного провода в России остается твердотянутая электролитическая медь, содержащая не более 0,1 % примесей [2]. Полуфабрикатом является катанка круглого сечения. Ее до недавнего времени получали путем горячей прокатки медных слитков (примерно 90 кг). На ряде предприятий освоено производство медной катанки непосредственно из расплава. В настоящее время контактный провод изготавливается методом холодной прокатки из катанки, полученной методом непрерывного литья и прокатки.
В условиях России с ее довольно развитой структурой электрифицированных железнодорожных магистралей спрос на контактные провода может резко возрасти при следующих условиях:
- необходимость замены большого количества контактных сетей вследствие накопившегося за последний период износа подвески;
- прокладка новых магистралей, например, для освоения малонаселенных районов Сибири и Дальнего Востока или строительство высокоскоростной железнодорожной магистрали Москва - Казань;
- перевод железнодорожного состава на повышенные скорости движения.
Последний фактор предполагает использование более прочных марок проводных материалов (по сравнению с медью) из-за усиления колебательных волновых процессов, происходящих в контактной подвеске, а также увеличение теплостойкости проводных систем, т.е. повышение температуры полигонизации и рекристаллизации используемых материалов в условиях эксплуатации. Важно подчеркнуть, что ГОСТ Р 55647-2013 не регламентирует виды легирующих элементов и их количество в материале провода, главное, чтобы контактный провод соответствовал техническим требованиям (геометрические размеры, конструктивное исполнение, механические и электрические параметры, полный ресурс). Это дает большую возможность в отработке технологии изготовления контактных проводов на основе комплекснолегированной меди.
Традиционно медные контактные провода для железнодорожного транспорта изготавливали волочением из медной катанки послитковой прокатки. Технология производства заключалась в нагреве медных слитков массой около 100 кг в печах до температуры 850 - 900 °С. Затем проводили прокатку на проволочно - петлевых станах, в результате за несколько проходов получали катанку диаметром 18 мм. Отдельные куски катанки соединяли пайкой и поэтому на строительных длинах проводов (1500 - 1600 метров) насчитывалось до 15 стыков. Существенным недостатком такой технологии было частое разрушение контактного провода в месте стыка, что приводило к нарушению графика движения поездов.
В связи с отмеченным, а также из-за сложности и экономической неэффективности данной технологии было предложено организовать производство медной катанки для проводов не из отдельных слитков, а из литой заготовки, получаемой непрерывным литьем, совмещенной с горячей прокаткой.
В области промышленного производства контактного провода передовые позиции в России занимает ОАО «РОССКАТ». Здесь освоена современная технология производства контактного провода на основе полного производственного цикла от переработки меди в катанку до изготовления конечного продукта на базе установки непрерывного литья и прокатки (НЛП) фирмы БоиШ-шге.
Расплавление шихты происходит в газовой шахтной печи, после чего расплав из миксера поступает в литейную ванну, где происходит ввод легирующих компонентов. Из нее металл по графитовой трубке попадает в роторный кристаллизатор, формирующий литую заготовку, имеющую поперечное сечение трапецеидальной формы. В результате вращения кристаллизатора и интенсивного охлаждения металла водой с кристаллизатора с него снимается горячая литая заготовка. После этого литая заготовка подается в прокатный стан Morgan, где происходит обжатие валками и уменьшения сечения до нужного размера.
Катанка, выпущенная прокатным станом, проходит систему осветления поверхности от окиси меди и поступает в агрегат для формирования бухт весом 3-5 тонн. Сформированная бухта упаковывается и отправляется на изготовление контактного провода.
Основной технологией производства контактных проводов является волочение. Оно широко применяется на кабельных заводах России и за рубежом.
Преимущества технологии волочения определяются простотой процесса и оборудования. Волочильные станы обладают необходимой производительностью. Точность и стабильность размеров поперечного сечения контактного провода определяется точностью изготовления фильер и частотой их замены при износе. Прямолинейность контактного провода обеспечивается высоким растягивающим напряжением в процессе протяжки провода через фильеры.
Контактный провод на ОАО «РОССКАТ» изготавливается волочением на машине Tm-120/4 Technocable, которая обеспечивает хороший теплоот-вод с полным погружением в эмульсию, что повышает прочность провода за счет релаксации напряжений, способных вызвать трещины при дальнейшей эксплуатации провода.
На ОАО «РОССКАТ» успешно решаются задачи создания контактных проводов на основе комплекснолегированной меди.
Контактный провод в процессе эксплуатации подвергается износу, воздействию электрических разрядов, значительному нагреву, действию растягивающих напряжений, в результате чего происходит значительное снижение прочности проводов [3]. При одновременном воздействии температуры и растягивающих напряжений, вызывающих упругие деформации, скорость процесса разупрочнения медных проводов значительно увеличивается. Соответственно целесообразно вводить в медь небольшие количества тех легирующих элементов, которые бы незначительно влияли на электропроводность, но существенно повышали сопротивляемость разупрочнению проводов при нагреве, их износостойкость и прочность. Подобный подход подтверждается практикой зарубежных железных дорог, использующих (особенно для скоростных магистралей) исключительно контактные провода из легированной меди [4].
Подбор материала для контактного провода, его разработка связаны с трудностями, обусловленными рядом противоречивых, подчас несовместимых требований, предъявляемых к нему. К материалу контактного провода предъявляются следующие эксплуатационные требования:
- высокая электропроводность, что исключает значительные потери электроэнергии при прохождении больших токов;
- высокая прочность (352 - 367 МПа для меди, 362 - 377 МПа для низколегированной меди, 410 - 432 МПа для бронзы), при этом хорошие прочностные характеристики не должны препятствовать прохождению приработки в виде пластической деформации поверхностный слоев контактного провода, т.е. при повышении прочности не должны снижаться показатели пластичности.
- высокая температура разупрочнения (рекристаллизации) - 400 °С для предотвращения последствий термического воздействия, а также действия импульсных электромагнитных полей на механические свойства контактных проводов, особенно их поверхностных слоев;
- высокая износостойкость, связанная со степенью деформационного упрочнения материала;
- легирующие компоненты кроме обеспечения перечисленных свойств были поверхностно активными по отношению к меди и сами по себе обладали высокой температурой разупрочнения и износостойкостью, способствуя созданию стойких вторичных структур.
Исходя из способа и масштаба производства контактных проводов, к ним предъявляются следующие экономические и технологические требования:
- недефицитность легирующих компонентов;
- невысокая стоимость легирующих компонентов (желательно ниже стоимости меди);
- пониженная горячеломкость выбранных для контактных проводов материалов, в условиях непрерывной разливки с использованием роторного кристаллизатора;
- легирующие компоненты не должны способствовать шлакообразованию, т.к. это может привести к зашлакованию литейных систем и остановке технологического процесса.
В мировой практике для контактных проводов, как правило, используют биметаллы и медные сплавы. Учитывая требования, предъявляемые к материалу контактных проводов, прежде всего необходимо повысить температуру его разупрочнения при нагреве и износостойкость, сохранив электрические характеристики достаточно высокими.
Реализованная на ОАО «РОССКАТ» технология получения бесстыковых медных контактных проводов с использованием установки НЛП позволяет в перспективе коренным обратом усовершенствовать технологию изготовлении легированных медных проводов с повышенными эксплуатационными характеристиками. В этом случае введением в медь необходи-
мых количеств легирующих элементов и достижением равномерного распределении их по длине контактного провода удается исключить из технологического процесса отливку небольших по весу слитков легированной мели, их резку на части (массой 200 -250 кг), прессование на заготовки под прокатку на катанку, а также операции нагрева под обработку давлением. Кроме того отпадают операции травления и пайки катанки перед волочением, транспортные перевозки с заводов обработки цветных металлов на заводы кабельной промышленности. Все это позволяет снизить затраты на производство легированных бесстыковых контактных проводов, создать условия экономически оправданного широкого их применения, так как наряду с такими достоинствами, как высокая износостойкость, прочность, жаропрочность, они будут отличаться от медных проводов только затратами, связанными с добавками легирующих элементов.
Поскольку легирование меди ведет одновременно к повышению прочностных свойств и снижению электропроводности [5], то наиболее рациональным решением задачи выбора материала для контактных проводов является создание сплава, у которого максимальное улучшение одного из свойств влечет за собой минимальное ухудшение другого. Лучший эффект достигается, как правило, при применении комплекснолегированных составов сплавов, способных увеличивать температуру рекристаллизации и прочность меди без существенного снижения ее электропроводности [6].
На основе результатов комплекса экспериментов по выбору легирующих элементов и отработке способов их введения на линии непрерывного литья и прокатки была получена катанка на основе комплекснолегирован-ной меди следующих составов: Си - Бп, Си - Бп - N1, Си - Сг - 7г. При изготовлении легированной Сг и 7г медной катанки на литой заготовке появляются горячие трещины , возникает опасность образования на контактном проводе несплошностей в виде закатов, волосин и поверхностных трещин. Опыт с использованием в качестве легирующих элементов М^ и Р показал, что катанка на основе Си - Mg - Р не технологична на данном оборудовании, т.к. в процессе введения легирующих добавок происходит сильное зашлакование литейной ванны, приводящее к вынужденной остановке процесса литья.
Волочение катанки из комплекснолегированной меди, полученной на установке НЛП, осуществлялось также как и обычного медного контактного провода.
В таблице1 приведены технические характеристики контактных проводов, изготовленных из комплекснолегированных медных сплавов с различным содержанием Бп и N1, полученные по результатам приемосдаточных испытаний.
СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №3 (6), 2016 101 Таблица 1 - Механические и электрические свойства контактных проводов
Химический состав катанки Легирующие элементы Временное сопротивление при растяжении, МПа Относительное удлинение, % Удельное электрическое сопротивление провода, мкОМ-м
Sn, % Ni, %
Cu - Sn - Ni 0,0330 0,0770 432,07 - 432,87 4,25 - 4,60 0,0189 -0,0195
Си - Sn 0,0387 - 394,39 - 401,79 4,36 - 4,76 0,01745 -0,01759
По полученным результатам можно сделать вывод, что свойства контактных проводов, полученных из комплекснолегированной меди, соответствуют требованиям ГОСТ Р 55647 - 2013. Это подтверждает перспективность промышленного освоения их массового производства и сбыта.
Список использованных источников
1. ГОСТ Р 55647 - 2013. Провода контактные из меди и ее сплавов для электрифицированных железных дорог. Технические условия. - Введен впервые. - Москва: Стан-дартинформ, 2014. - 12 с.
2. Мочинага,И.Н. Тенденции в развитии тягового электроснабжения / И.Н. Мочинога // Железные дороги мира. - 2002. - № 6. - C.20-25.
3. Осинцев,О.Е. Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник. /О.Е.Осинцев, В.Н.Федоров - М.: Машиностроение, 2004. - 336 с.
4. Берент, В.Я. Совершенствование проводов контактной сети / В.Я. Берент //Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. -2012. - № 3. - C.40-45.
5.Лифшиц, Б. Г. Физические свойства металлов и сплавов / Б. Г. Лифшиц, В.С. Крапошин, Я. Л. Линецкий. - М. : Металлургия, 1980. - 320с.
6. Берент,В.Я. Медные легированные контактные провода / В.Я. Берент // Железные дороги мира. - 2002. - №4. - С.46-52.
Morgunov Vadim Vladimirovich, Head of Prod.Technol.Bureau Joint Stock Company "ROSSKAT", Neftegorsk, Russia (e-mail: [email protected]) Yakubovich Efim Abramovich, Cand.Tech.Sci.,professor Samara State Technical University, Samara, Russia (e-mail: [email protected]) PRODUCTION OF CONTACT WIRE BASED ON COMPLEX ALLOYED COPPER
Abstract: The paper deals with the problems of using of complex alloyed copper for the production of contact wires that are used in the construction of railway lines. The prospects of the use of the combined technologies including continuous casting, rolling and drawing in order to improve the required quality of the contact wire are shown.
Keywords: contact wire, copper, alloying, continuous casting, rolling, drawing
