Непрерывные методы литья и прокатки в производстве контактного провода для железнодорожного транспорта

Формулировка проблемы

Контактный провод служит для передачи электрической энергии подвижному составу железных дорог и электрифицированному муниципальному транспорту. Для уменьшения потерь энергии он изготавливается из материалов с высокой электропроводностью, к ним относятся медь и алюминий. Алюминий широко применяется в производстве проводов для передачи электроэнергии, но как материал скользящего контакта слишком быстро изнашивается, поэтому большей частью для изготовления контактного провода используют медь и ее сплавы. Некоторым исключением из правила являются железные дороги Китая, где для удешевления контактной подвески при строительстве электрифицированных железных дорог применяется именно алюминий, но при этом огромное количество железнодорожных рабочих заняты заменой изношенных проводных систем на новые. Китай может позволить себе такой технологический подход при относительной дешевизне рабочей силы, что категорически не могут принять на вооружение страны Европы, включая Россию.

Стандартами [1, 2] на контактные провода из меди и ее сплавов разрешен выпуск контактных проводов различного исполнения по форме и площади поперечных сечений, в простейшем случае круглых. Основной технологической трудностью производства таких проводов явля-

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 двадцатилетний период износа подвески;

• •    прокладка новых магистралей, например, для освоения малонаселенных районов Сибири и Дальнего Востока;

• •    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. Специфика новых требований изложена в статьях [3, 4].

Общие проблемы совмещения процессов литья и прокатки цветных металлов обсуждались в опубликованных обзорах, например в [5]. Далее приведен анализ ситуации в изготовлении заготовок для производства контактного провода.

Вертикальное литье крупных слитков с последующей резкой и горячей обработкой

Установки вертикального полунепрерывного литья на отечественных заводах по обработке цветных металлов ориентированы на производство слитков массой около 3…4 т при диаметре отливки 100…300 мм. Поэтому на первый взгляд производство бухты развесом 1,5 т непредставляет трудностей.

Однако для уменьшения сечения слитка диаметром 100 мм до сечения провода 10 мм требуются процессы обработки давлением, способные осуществить редуцирование заготовки с коэффициентом вытяжки 100. Сегодня задача решается путем применения процессов горячей сортовой прокатки или прессования, которые способны обеспечить такую деформацию либо за множество проходов прокатки, либо за один ход пресса. Однако длина слитка при этом ограничена и масса редко превышает 100 кг.

Для переработки прессованием более крупного слитка необходимо перевести процесс деформации на качественно иную основу: применить процессы непрерывного прессования, которые до настоящего времени разработаны недостаточно. Преимуществом такой схемы является глубокая проработка структуры металла и достижение высоких механических свойств.

Для производства заготовок контактного провода из легированных сплавов возможно применение методов введения лигатуры непосредственно в кристаллизатор литейной машины [6, 7].

Вариантом технологии является организация сортовой непрерывной прокатки, совмещенной с непрерывным литьем. Эти процессы в последнее время получили достаточно широкое распространение, особенно на зарубежных предприятиях [8, 9].

Совмещенные процессы литья крупной заготовки и горячей сортовой прокатки

Пример реализации процесса литья крупной заготовки и сортовой прокатки - технология предприятия ЗАО СП «Катур-Инвест», которое производит катанку по лицензии компании METALLURGIE HOBOKEN-OVERPELT (MHO) методом непрерывного литья и прокатки «Contirod». Она предусматривает непрерывное плавление медных катодов в шахтной печи «ASARCO» (США), литьё непрерывной заготовки на двухленточной литейной машине «HAZELETT» (США) и прокатку полученной заготовки в медную катанку на 14-клетьевом прокатном стане «MANNESMANN DEMAG SACK» (Германия). Такая технология ориентирована на производство катанки площадью сечения около 50 мм2, ее особенности описаны в статьях [10-13].

Вместе с тем наиболее востребованными в нашей стране являются контактные провода марок МФ85 и МФ100, т.е. полуфабрикаты с площадью поперечного сечения соответственно 85 и 100 мм2. Такое сечение готового провода может быть достигнуто при наличии исходной литой заготовки площадью не менее 200 мм2, поэтому по упомянутой технологии производство такой продукции невозможно.

ЗАО «Транскат» создано в 1995 г. по инициативе НИИ железнодорожного транспорта и Министерства путей сообщения Российской Федерации. Учредителями общества являются ГП «Октябрьская железная дорога», ООО фирма «Трансрейл-Центр», АО «Ижорские заводы». Предприятие производит медную и легированную катанку методом непрерывного литья и прокатки на оборудовании фирмы «SOUTHWIRE» (США), а также медного и легированного контактного провода для электрифицированных железных дорог и муниципального электротранспорта. Контактный провод, выпускаемый ЗАО «Транскат», изготавливается по технологии литья и холодной прокатки.

По технологии фирмы «SOUTHWIRE» выпускает медную катанку ООО «Элкат» с 1991 г., когда было организовано совместное предприятие завода «Москабель» c фирмой «NOKIA» (Финляндия). Следует отметить, что эти предприятия не обладают проектными решениями, позволяющими производить операции термического упрочнения контактного провода.

Вытягивание вверх тонкомерных заготовок из расплава с последующей холодной деформацией

Заготовку диаметром 8 мм получают методом вертикального вытягивания на линии US36K-10 финской фирмы «OUTOKUMPU CASTFORM» производительностью 10 000 т в год. Автоматически загружаемые медные катоды расплавляются в индукционной печи канального типа. Расплав подаётся в раздаточную печь, над которой расположено вытягивающее устройство с охлаждающими формами. Затвердевшая катанка вытягивается через протяжные ролики и наматывается в бухты.

Установка рассчитана на производство «литой катанки» площадью сечения около 50 мм2, что также недостаточно для производства контактного провода.

Получение тонкомерной литой заготовки, с одной стороны, создает возможность отказаться от операций горячей сортовой прокатки и сразу перейти к последующему холодному волочению. С другой стороны, отсутствие горячей деформации приводит к получению металла с характерной текстурой литья, что создает трудности при получении конечного продукта [14, 15].

Горизонтальное литье заготовок среднего сечения с последующей холодной деформацией

Примером реализации этого способа является деятельность ЗАО «КАТЭЛ», основанного в 1997 г. в Твери. Установки представляют собой индукционные печи с закрытыми каналами и стальными сердечниками, снабженные разливочными модулями. Достигнут большой развес литой заготовки за счет применения методов непрерывного горизонтального литья, при этом небольшая площадь поперечного сечения заготовки (около 200 мм2) позволяет применить методы волочения без промежуточной горячей деформации. При волочении же достигается необходимое формоизменение заготовки. Опыты по разливке заготовок для контактного провода проводили также на установках горизонтального литья ОАО «Каменск-Уральский завод ОЦМ» [16].

Вопросы деформации в производстве контактного провода

Форма поперечного сечения контактного провода разработана конструкторами и стандартизована, при этом расширенная верхняя часть сечения служит для закрепления в элементах подвески, а нижняя часть является элементом скользящего контакта. Существуют два основных технологических варианта изготовления. Первый из них заключается в формировании профиля провода на стадии горячей прокатки [17]. Второй характерен тем, что получают литую или катаную заготовку круглого сечения, а фасонный профиль получают многократным холодным волочением или холодной прокаткой [18-21]. К вопросам деформации контактного провода относятся также способы оценки износа [22] и восстановления изношенного провода, например, методом выдавливания с увеличением поперечного сечения [23, 24] или разделки продольной резкой [25, 26]. Следует отметить, что восстановление размеров изношенного провода могло бы быть достигнуто на полунепрерывных установках прокатки прессования [27, 28].

Вопросы сплавообразования в производстве контактного провода

В настоящее время в России большая часть контактного провода выполнена из чистой меди. Несколько десятилетий назад наилучшим вариантом изготовления проводов для железных дорог был признан вариант биметаллического провода. Внутри такого провода имеется сердечник из прочного материала, например стали, он выполняет функции материала, воспринимающего напряжения от тяжести провода, налипшего снега, а также ветровые нагрузки.

Снаружи провод выполнен из материала с высокой электропроводностью, а именно из меди или алюминия. Алюминий предпочтителен из-за меньшей тяжести провода, но он имеет худшие характеристики электропроводности, износо- и теплостойкости. Медь имеет лучшие характеристики, но является более дорогим материалом. Довольно большое количество технологий производства такого типа проводов было разработано и до сих пор разрабатывается в мире. Но после определенного срока эксплуатации магистралей, снабженных биметаллическими проводами, выяснилось, что не существует дешевых технологий переработки изношенных проводов, и эта тенденция решения проблемы зашла в тупик.

В связи с этим наметилась другая тенденция: улучшать характеристики материала провода настолько, чтобы не применять в их конструкции слоистые композиционные металлы. Для этого новые материалы должны иметь характеристики прочности, соизмеримые со сталью или чуть ниже, а характеристики электропроводности, соизмеримые с медью или чуть ниже. Поскольку такой материал однороден по химическому составу, то после износа провода его легко переработать с получением первоначального сплава. В крайнем случае можно пойти на создание композиционной структуры провода из меди, но с различным содержанием лигатуры по сечению [29].

Еще в 1984 г. ВНИИПКиТ кабельной промышленности совместно с ВНИИЖТ было выдано свидетельство на изобретение способа изготовления контактного провода [30]. Способ предполагал литье заготовки на установке Проперци, последующую прокатку и волочение. При литье в рабочую (утолщенную) зону контактного провода вводят пруток-холодильник, обеспечивая мелкое зерно и лучшую пластичность.

Отечественная номенклатура сплавов для проводов железных дорог описана ГОСТ 2584 и включает деление на медь, бронзы: БрМг0,25, БрКд1,0, БрМгЦр0,15-0,15, БрЦр0,5 и низколегированные сплавы меди: НлМг0,05, НлЦр0,05, НлОл0,04. Недостатком этих сплавов является отсутствие возможности термоупрочнения до существенных значений твердости и прочности и недостаточная теплостойкость [31-33].

В патенте [34] фирмой BICC PLC описана технология производства контактного провода на основе кадмиевой бронзы с небольшими добавками магния, серебра, фосфора, олова. Технология основана на применении непрерывного литья и процесса Конформ. При степени деформации 94,94 % достигнута электропроводность на уровне 75 % IACS (International Annealed Copper Standard – электропроводность меди в отожженном состоянии).

Фирмой PHELPS DODGE INDUSTRIES INC [35] заявлена технология изготовления троллейного медного провода со многими дополнительными компонентами: Ag, Cd, Te, Ti, Mg, Mn, Cr, Sn. Эти компоненты включены в состав сплава в крайне незначительном количестве: до 0,1 % по сумме. Тем самым достигается очень незначительная потеря электропроводности сплавом. Технология включает литье круглого прутка диаметром 22-32 мм, горячий Конформ-процесс с уменьшением диаметра до 19-32 мм при сохранении пластических свойств металла на уровне δ=40 %, холодную деформацию. Особенностью является возможность достижения величины IACS после горячей деформации на уровне 100 %, а после холодной деформации на уровне 99 %. Позже эта же фирма расширила список легирующих элементов, включив в него цирконий [36]. В этом случае специальными методами измельчения зерна до 0,035 мм фирме удалось обеспечить уровень IACS 97 %.

Японская фирма MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION совместно с исследовательской организацией RAILWAY TECHNICAL RESEARCH INSTITUTE [37] разработала технологию получения провода на медной основе с добавками хрома, циркония и одного из элементов из числа кремния и магния с использованием методов непрерывного литья, закалки и старения. Плавка ведется при подаче в расплав восстановительного газа с содержанием кислорода не более 10 ppm. Тем самым расплав освобождается от кислорода, что позволяет ввести на следующей стадии металлы с большим сродством к кислороду: магний, цирконий, кремний, хром. Полунепрерывным литьем получены слитки диаметром 250 мм и длиной 3 м, которые методом горячей прокатки с последующей термической обработкой превращались в проволоку. Фирма MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION [38] разработала также технологию производства троллейного провода для высокоскоростных магистралей. Применяется термоупрочняемый сплав на основе меди, легированной хромом, цирконием, кремнием, фосфором. Результаты подробного исследования такого сплава приведены в статье [39].

Американской фирмой OLIN CORPORATION разработаны приемы упрочнения хромсодержащих медных сплавов, позволяющие достигать высокой прочности без нагартовочных операций [40]. В приведенном примере выплавляли в вакуумной печи сплав, содержащий 0,6 % хрома, 0,16 % циркония, 0,18 % ниобия, и разливали в слитки в среде защитного газа. Российская фирма «ФИНАО» [41] предложила изготавливать контактный провод из медного сплава с добавками магния методом выплавки сплава непрерывной разливки и прокатки. Раскисление расплава осуществляется введением нефтяного кокса или графита, по рекомендации авторов легирование с помощью прутка следует производить после раскисления. Подобные методы производства дисперсно-упрочненных медных сплавов предложены также в патентах c закалкой на стадии литья [42].

В.Я. Берентом [43] описан способ совмещенного непрерывного литья и прокатки меди и ее сплавов. Установка для получения длинномерного полуфабриката состоит из миксера, промежуточной емкости, кристаллизатора роторного типа с диаметром бандажа 1,55 м, прокатного стана. Расплав модифицируют спеченной порошковой медью. Этим же изобретателем разработан способ получения контактных проводов из сплавов на основе меди [44]. Способ заключается в получении сплава меди с магнием или меди с оловом, железом или фосфором. Достигнуто значение IACS 85-95 %. После литья следует горячая прокатка с захолаживанием до получения нерекристаллизованной и закаленной структуры.

Фирмой FURUKAWA ELECTRIC COMPANY LTD разработана технология [45, 46] производства медного сплава для троллейного провода, включающего добавки циркония, магния, цинка, серебра, кадмия. При этом резко ограничено содержание в сплаве олова, кремния, фосфора, висмута и серы. Для высокоскоростных магистралей этой же фирмой разработана технология производства медного сплава с высоким содержанием хрома (до 30 %). Такое большое содержание хрома находится далеко за пределами растворимости и при значительном падении электропроводности, поэтому речь идет, по-видимому, об изделиях специального назначения.

Японской фирмой SUMITOMO ELECTRIC INDUSTRIES LTD [47, 48] разработана технология производства провода на основе медного сплава с добавками олова и хрома. Способ состоит в плавлении шихты при 1250 оС, деоксидирования, введения чистого олова и медно-– 321 – хромовой лигатуры. Дальнейший передел включает получение крупного слитка диаметром 120 мм, горячую и холодную деформацию. Ставку на олово как основной легирующий элемент в медном троллее делает также японская фирма HITACHI CABLE [49], однако электропроводность продукта оказывается не очень высокой – на уровне 60 % IACS.

Японская фирма FUJIKURA LTD [50] изложила технологию производства высокопрочного троллейного провода из меди с добавками 0,4…0,7 % олова. Китайским патентом № 1250816 [51] предложено выпускать медный сплав для изготовления прочного провода состава Cu – основа; Cr – 0,02…0,08 %; Zr – 0,06…0,28 %; B – 0,02…0,15 %; Nb – 0,02…0,08 %; РЗМ (Ce) – 0,02^0,08 %. Судя по публикации, провод, изготовленный из сплава, разупрочняется при температуре 620 оС, что является очень высоким показателем.

В статье [52] и патенте [53] предложено использовать легированные медные провода вместо нелегированных. Разупрочнение провода зависит не только от температуры, но и растягивающих напряжений. Предложен сплав Сu-0,08Mg, его теплостойкость составляет 250 оС, это выше, чем у меди, но недостаточно по сравнению с достигнутыми сегодня значениями до 620 оС. Легирование осуществляют введением магниевого прутка под поверхность расплава. Для уменьшения содержания водорода в расплаве и увеличения плотности отливки применяют пруток, легированный 5-10 % кальция. Новые методы легирования в совмещенном процессе литья прокатки заявлены в описании к патенту [54]. В статье [55] приведены результаты исследований термостойкости низколегированных проводов с воздействием растягивающих напряжений и нагрева транзитным током, а также определения степени разупрочнения проводов методами металлографического и рентгеноструктурного анализа, оценка ползучести проводов по длительной твердости.

Наиболее современные технологии и проекты, воплощенные в производство

Наиболее перспективными направлениями создания современных технологий обработки контактного провода являются следующие:

• 1.    Производство провода из низколегированных сплавов меди, включая сплавы с кадмием, что приводит к наименьшей потере электропроводности и обеспечению пониженного коэффициента трения. Это направление характерно сейчас для заводов России. Недостаток - экологическая вредность производства и эксплуатации провода, содержащего токсичный элемент. Легирование оловом, освоенное на предприятии ЗАО «ТРАНСКАТ» (сплавы НлОл 0,04 и БрОл 0,15), позволяет решить эту проблему, но сами сплавы по характеристикам уступают зарубежным аналогам.

• 2.    Производство провода из низколегированных сплавов меди с серебром и другими микролегирующими добавками. Это направление характерно сейчас для заводов стран Европы. Экологических проблем здесь гораздо меньше, чем при применении кадмия, но в условиях России существуют проблемы сохранности подвески, содержащей благородный металл. Кроме того, сплавы меди с серебром не являются термически упрочняемыми, что не позволяет выйти на максимально высокие значения прочности и температуры отжига при эксплуатации. Примером европейского подхода служит продукция бельгийской фирмы LAMIFIL, производящей троллейные провода из сплавов систем Cu-Ag, Cu-Mg и в последнюю очередь Cu-Cd.

• 3.    Производство провода из термически упрочняемых сплавов меди с цирконием и хромом, что характерно для современной промышленности Японии. Этот путь наиболее сложен для проектирования, поскольку требует создания непрерывных линий разливки и термомеханической обработки, включая обработку давлением, закалку и старение.

Судя по рекламным сообщениям, японское предприятие THE SAKAI PLANT корпорации MITSUBISHI MATERIALS CORPORATION ориентировано на производство контактных проводов из медных сплавов Cu – 0,3Cr – 0,02Zr и Сu – 0,3Cr – 0,1Zr – 0,03Si. Относительно недавно в технической литературе появились сообщения об усиленном внимании китайских исследователей к проблемам работы контактного провода в условиях высокоскоростного движения подвижного состава железных дорог, что говорит о готовящемся техническом прорыве.

Подводя итог изложенному, можно сделать следующие выводы:

• •    В мировой практике производства контактного провода из меди и ее сплавов наметились крупные успехи: увеличен развес заготовок, потребительские свойства изделия выросли до уровня предела прочности около 600 МПа против прежних 400 МПа, теплостойкости до 600 ^оС против прежних значений 200 ^оС при поддержании высоких значений электропроводности.

• •    Эти успехи достигнуты за счет применения проектных решений, использующих методы непрерывной обработки заготовок с заданным видом структуры, текстуры и фазового состава при использовании сплавов из группы термически упрочняемых материалов на основе меди.