王文兵

（廣西柳州銀海鋁業(yè)股份有限公司，廣西 柳州 545006）

熔煉與鑄造是變形鋁合金材料制備與加工的第一道工序，也是控制冶金質(zhì)量的關(guān)鍵工序。近幾年來(lái)，為了能長(zhǎng)期穩(wěn)定地生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄錠，并且保證鑄造過(guò)程的安全，我國(guó)投入大量的人力、物力和財(cái)力開(kāi)展了自動(dòng)鑄造控制裝備的研發(fā)與建設(shè)，逐步消化吸收進(jìn)口鑄造機(jī)的設(shè)計(jì)理念，完善鋁加工裝備。

1 鑄造機(jī)設(shè)備組成及鑄造過(guò)程

液壓傳動(dòng)式鑄造機(jī)是近幾年設(shè)備發(fā)展的主流，主要由主油缸、鑄造平臺(tái)、翻轉(zhuǎn)裝置、水冷系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成。液壓系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、電控系統(tǒng)均是鑄造機(jī)系統(tǒng)的子系統(tǒng)，三者通過(guò)相互匹配和聯(lián)動(dòng)來(lái)完成鑄造過(guò)程控制。

鑄造過(guò)程可以劃分為三個(gè)階段：鑄造開(kāi)始階段、穩(wěn)態(tài)鑄造階段和鑄造收尾階段。三個(gè)階段的工藝控制有不同的要求。在鑄造開(kāi)始階段，合金容易發(fā)生錠尾翹曲而漏鋁，裂紋傾向性也更大，因此，不同合金不同規(guī)格有不同的鑄造速度和冷卻強(qiáng)度要求；在穩(wěn)態(tài)鑄造階段，鑄造速度、冷卻水流量及液位高度等工藝參數(shù)按設(shè)定值進(jìn)行精確控制并逐步上升到給定的鑄造速度和水流量，實(shí)現(xiàn)恒速和恒流量鑄造；在鑄造收尾階段，系統(tǒng)需根據(jù)設(shè)定值延遲冷卻水關(guān)閉時(shí)間，防止誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞?？梢?jiàn)，鑄造速度控制和冷卻強(qiáng)度控制始終是鑄造過(guò)程控制的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)由鑄造回路、快速升降回路、應(yīng)急回路等組成。鑄造液壓控制原理圖見(jiàn)圖1。

液壓泵采用變量柱塞泵，可以根據(jù)外負(fù)載的變化自動(dòng)調(diào)整泵自身的輸出流量，用于適應(yīng)內(nèi)導(dǎo)液壓缸、分配流槽舉升油缸以及鑄造平臺(tái)舉升油缸在切換工作中產(chǎn)生的流量變化大的特點(diǎn)。鑄造平臺(tái)空載快速上升動(dòng)力由低壓大流量定量泵滿(mǎn)足工作。其余工作的油泵配置采用一用一備形式，雙泵可同時(shí)工作。

圖1 鑄造液壓控制原理圖

鑄造時(shí)，升降平臺(tái)的負(fù)載特性為勢(shì)能特性且是漸進(jìn)增加的。因此速度控制回路前端配置具有溫度、壓力補(bǔ)償和位置反饋功能的原裝進(jìn)口單向電磁比例調(diào)速閥與齒輪流量計(jì)組成閉環(huán)速度控制。該類(lèi)閥件配套比例放大板，將系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)通過(guò)放大處理后，實(shí)現(xiàn)對(duì)比例電磁鐵的調(diào)節(jié)，完成流量增大、減小及穩(wěn)定的控制。比例閥換向至鑄造位，缸內(nèi)油通過(guò)比例閥回油箱，平臺(tái)慢速下降。而下降速度由鑄造液面檢測(cè)情況反饋給比例閥的開(kāi)度決定。流量計(jì)根據(jù)測(cè)定的流量通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，PLC根據(jù)計(jì)算機(jī)內(nèi)的時(shí)鐘計(jì)和油缸的直徑算出鑄造速度，其與設(shè)定值比較，誤差信號(hào)反饋到PLC，PLC發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)到比例閥調(diào)節(jié)閥芯位置，達(dá)到速度的恒定。通過(guò)檢測(cè)油缸排油的流量與設(shè)定速度比較來(lái)控制電動(dòng)比例調(diào)速閥開(kāi)度的PID閉環(huán)控制，以保證速度的平穩(wěn)、恒定。

快速升降回路主要用于鑄造平臺(tái)的快、慢速升降，故該回路的流量較大，板式閥不能滿(mǎn)足大流量的要求，所以該回路使用插裝閥。節(jié)流插裝閥組和先導(dǎo)電磁閥組成快升、慢升、快降回路，其速度為手動(dòng)調(diào)定。

為了保證油缸在任何情況下都能夠順利的下降，液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一條專(zhuān)供緊急事故使用的回路。在應(yīng)急回路上配備有手動(dòng)球閥和手動(dòng)調(diào)速閥，除此沒(méi)有其他任何閥件，且回路直接接回油箱以防止其他可能的影響，無(wú)論液壓系統(tǒng)或電控系統(tǒng)出現(xiàn)任何問(wèn)題導(dǎo)致油缸不能夠正常下降，操作人員都可以通過(guò)操作緊急回路保證油缸下降。

3 水冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冷卻水由車(chē)間總管，經(jīng)手動(dòng)蝶閥、自清洗過(guò)濾器，氣動(dòng)蝶閥，氣動(dòng)V型調(diào)節(jié)球閥，壓力傳感器，電磁流量計(jì)，溫度傳感器、旋轉(zhuǎn)接頭和傾翻架進(jìn)入結(jié)晶器平臺(tái)為鑄造過(guò)程提供冷卻水。在冷卻水的主管路安裝有壓力傳感器和溫度傳感器，用以檢測(cè)冷卻水的來(lái)水壓力、溫度并起到報(bào)警監(jiān)測(cè)作用。鑄井內(nèi)的冷卻水通過(guò)深井泵排除，鑄井內(nèi)水位由浮球液位傳感器確定。

以某合金鑄造過(guò)程為例，水量隨時(shí)間的變化過(guò)程見(jiàn)圖2。曲線I、Ⅱ分別為2塊鑄錠和3塊鑄錠的水流量曲線?？梢钥闯?在開(kāi)始鑄造的前15 min左右為水量上升階段，此后為水量穩(wěn)定階段。上升階段時(shí)間短，水量變化大。水量受鑄錠數(shù)目、鑄造速度等影響，穩(wěn)定階段的水量變化幅度很大。鑒于此，供水控制方式按以下原則設(shè)計(jì)。

圖2 鑄造過(guò)程供水變化典型曲線

冷卻水首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器（過(guò)濾精度1mm）過(guò)濾后進(jìn)入冷卻水控制管線。冷卻水控制管線上布置具有線性調(diào)節(jié)性能的V型比例調(diào)節(jié)球閥，通過(guò)球閥與管線后端的電磁流量計(jì)及西門(mén)子PLC組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)冷卻水流量的精確控制，保證冷卻水流量的控制精度≤1%。在鑄造開(kāi)頭、結(jié)尾階段通過(guò)程序控制水量增、減速率，以適應(yīng)不同規(guī)格、牌號(hào)合金鑄造開(kāi)頭、結(jié)尾階段的工藝要求。為了減少合金鑄造開(kāi)頭階段產(chǎn)生的錠尾翹曲進(jìn)而產(chǎn)生漏鋁，需設(shè)計(jì)特殊供水系統(tǒng)?？梢钥紤]脈沖供水系統(tǒng)，它是在正常冷卻水系統(tǒng)控制閥件的后端增加一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)高頻換向(可實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換)的閥件，通過(guò)高頻實(shí)現(xiàn)供水的脈沖特性，以其達(dá)到減小冷卻強(qiáng)度的目的。

為了保證設(shè)備在冷卻水無(wú)法正常投入使用時(shí)，能夠不發(fā)生事故和損傷鑄造工具，在工廠內(nèi)要布置有緊急用水管路（可采用高位水塔形式），在其管線上也裝有壓力傳感器用以檢測(cè)緊急用水是否能夠正常投入，其上還布置有氣動(dòng)開(kāi)關(guān)型蝶閥，能夠保證在冷卻水不能正常投入時(shí)迅速打開(kāi)。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)外鋁合金鑄錠的生產(chǎn)正朝著大規(guī)模、多品種、大重量、大規(guī)格的方向發(fā)展，部分先進(jìn)國(guó)外裝備制造商(如美國(guó)Wagstaff公司等)陸續(xù)展示了部分合金的超大規(guī)格鑄錠。這說(shuō)明國(guó)外鑄造工藝和鑄造裝備都提升到了更高的水平。國(guó)內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商也應(yīng)努力開(kāi)發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的專(zhuān)利技術(shù)，提高液壓系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的自動(dòng)化控制和生產(chǎn)水平，以早日擺脫靠模仿制造或依賴(lài)引進(jìn)核心生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀。

[1]孫靜.超高強(qiáng)鋁合金鑄造技術(shù)及裝備控制系統(tǒng)的發(fā)展[J].南方金屬，2010（2）.

[1]肖亞慶等.鋁加工技術(shù)實(shí)用手冊(cè)[M].冶金工業(yè)出版社，2005.

[2]唐劍，王德滿(mǎn)，劉靜安等.鋁合金熔煉與鑄造技術(shù)[M]，冶金工業(yè)出版社，2010.