鑄造工藝循環(huán)冷卻水對(duì)工藝溫度的影響和恒壓變頻控制

羅軍（新疆眾和股份有限3司　烏魯木齊 830013）

鑄造工藝循環(huán)冷卻水對(duì)工藝溫度的影響和恒壓變頻控制

羅軍
（新疆眾和股份有限3司烏魯木齊 830013）

鑄造生產(chǎn)屬于熱加工工藝，是金屬材料加工的第一道生產(chǎn)工序，也是企業(yè)生產(chǎn)中的重要生產(chǎn)工序。它的主要生產(chǎn)功能是把金屬材料加工成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格大小的特定形狀。鑄造的主要控制參數(shù)有：液態(tài)金屬溫度、澆鑄液體溫度、鑄造溫度、冷卻水溫度、冷卻水壓力等主要參數(shù)。鑄造溫度是連鑄生產(chǎn)中的一項(xiàng)重要參數(shù)，本文通過對(duì)生產(chǎn)實(shí)踐的總結(jié)，對(duì)影響連鑄溫度的因素進(jìn)行了分析，指出了控制要點(diǎn)，有利于穩(wěn)定工藝控制和產(chǎn)品質(zhì)量。

鑄造溫度變頻器恒壓供水

1　概述

金屬材料連鑄生產(chǎn)工藝，鑄造溫度的控制范圍及穩(wěn)定性對(duì)成品質(zhì)量起著決定性作用。在設(shè)備及工藝參數(shù)保持不變的情況下，從鑄坯溫度的波動(dòng)情況可以粗略地判斷出鑄坯進(jìn)入后續(xù)工藝前的內(nèi)部質(zhì)量狀態(tài)及鑄機(jī)區(qū)域設(shè)備工作狀態(tài)的變化。通過對(duì)鑄坯溫度波動(dòng)情況的觀察，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)因設(shè)備原因或操作人員失誤所帶來的缺陷，進(jìn)而避免工藝事故的發(fā)生，有效保障產(chǎn)品質(zhì)量。

金屬材料通過添加成分、凈化提純、控溫等步驟進(jìn)入鑄造機(jī)，通過冷卻水的冷卻后形成鑄坯，然后再對(duì)鑄坯進(jìn)行后續(xù)加工。鑄坯在整個(gè)傳送過程中的降溫較為固定，伴隨季節(jié)變化及室內(nèi)溫差變化有所差異，鑄坯進(jìn)軋溫度實(shí)際上是在鑄造機(jī)區(qū)域內(nèi)已經(jīng)確定，一般情況下，生產(chǎn)不同型號(hào)的產(chǎn)品，出坯溫度控制范圍有所差異。

2　決定鑄坯進(jìn)軋溫度的因素

下面通過設(shè)備的組成來分析決定鑄坯進(jìn)軋溫度的因素：

設(shè)備的組成：熔煉爐、過濾系統(tǒng)、連鑄機(jī)、校直裝置、加熱裝置、喂料裝置、潤滑油系統(tǒng)、乳液循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等組成。

2.1鑄造機(jī)冷卻水系統(tǒng)對(duì)出坯溫度的影響

一般生產(chǎn)線鑄造機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用分區(qū)冷卻法，冷卻區(qū)域?yàn)榻饘僖涸阼T造機(jī)內(nèi)的成形及降溫區(qū)域，即內(nèi)、外、兩側(cè)四個(gè)降溫區(qū)。各降溫區(qū)的噴嘴流量和壓力可通過軟水分配器進(jìn)行調(diào)節(jié)，且內(nèi)外水的冷卻水噴嘴開度可自行調(diào)節(jié)。

2.2冷卻水水質(zhì)的影響

鑄機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用軟水對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)進(jìn)行冷卻效果較好，由于軟水去除了水中的鈣、鎂離子，連鑄機(jī)結(jié)晶輪表面、噴嘴、管道不容易結(jié)垢。冷卻水水質(zhì)如果發(fā)生變化，極有可能堵塞分水器、冷卻水噴嘴等設(shè)備部件，造成水壓、水溫波動(dòng)或出水不均，進(jìn)而造成冷卻不均，引起出坯溫度波動(dòng)；軟水池中的軟水變質(zhì)主要原因?yàn)檐浰谢烊肓似渌s質(zhì)，如管道內(nèi)的鐵銹，建筑內(nèi)襯脫落及生產(chǎn)過程中帶來的其它水質(zhì)污染。因此，要定期對(duì)軟水池軟水進(jìn)行更換，對(duì)軟水池進(jìn)行打掃，對(duì)軟水噴嘴進(jìn)行徹底清理。

2.3循環(huán)冷卻水系統(tǒng)設(shè)備部件的影響

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)控溫控壓裝置如果出現(xiàn)工作異常，如熱交換器堵塞、溫度壓力傳感器偏差過大、控溫控壓自動(dòng)調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障等，這些原因會(huì)引起水溫水壓波動(dòng)過大，造成鑄坯冷卻不均，影響出坯溫度。

2.4冷卻帶的影響

循環(huán)冷卻水噴嘴內(nèi)外區(qū)及側(cè)水設(shè)定冷卻水噴嘴開度由小到大排列，相鄰噴嘴間冷卻水流量過渡的平滑性直接決定了鋁液凝固時(shí)液穴的位置及深度，軟水各分區(qū)整體流量的大小還會(huì)影響到液穴是否居中。液穴的位置、長度及居中狀態(tài)會(huì)對(duì)鑄坯質(zhì)量有著較大的影響。出坯區(qū)冷卻水噴嘴的開度從上到下是逐漸減小的，水流量是逐級(jí)增大的。出坯區(qū)冷卻水的過渡及整體流量大小主要用于調(diào)節(jié)鑄坯的出坯溫度。

2.5生產(chǎn)參數(shù)的影響

循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)鑄坯以傳熱和對(duì)導(dǎo)的方式進(jìn)行冷卻，將金屬液體及坯料內(nèi)的熱量通過包裹它的銅環(huán)及鋼帶進(jìn)行傳熱，通過冷卻水將傳出的熱量帶走，起到冷卻的作用。如果鑄坯在初始冷卻區(qū)域內(nèi)冷卻過度或冷卻不均，會(huì)引起鑄坯在鑄造輪內(nèi)收縮不均勻（與銅環(huán)槽及鋼帶間產(chǎn)生的間隙不固定），導(dǎo)致鑄坯在隨后的冷卻區(qū)冷卻受制，最終使出坯溫度超出要求范圍，出現(xiàn)鑄坯裂紋等缺陷。各冷卻區(qū)冷卻水壓力，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)不同會(huì)發(fā)生不同的變化，需定時(shí)進(jìn)行調(diào)整。水溫的變化同樣會(huì)引起冷卻效率的變化，而用于給冷卻水降溫的冷卻塔受外界環(huán)境溫度影響較大。

3　鑄造溫度及鑄造速度對(duì)出坯溫度的影響

鑄造溫度和鑄造速度對(duì)鑄坯出坯溫度有著直觀的影響，這兩個(gè)參數(shù)直接影響著鋁液的結(jié)晶及鑄坯內(nèi)部組織的形成。

⑴鑄造溫度過高，過冷度增大，會(huì)引起鑄坯裂紋、晶粒粗大、柱狀晶等鑄坯缺陷，出坯溫度有所增高。

⑵鑄造溫度過低，會(huì)引起鑄坯內(nèi)應(yīng)力大（易產(chǎn)生軋制缺陷）、縮孔（影響填充）、及工藝控制失敗。

⑶鑄造速度過快易引起鑄坯冷卻不足及冷卻不均現(xiàn)象的發(fā)生，易產(chǎn)生鑄坯斷裂、縮孔、柱狀晶等鑄坯缺陷，導(dǎo)致出坯溫度高，波動(dòng)大。

⑷鑄造速度過低，易產(chǎn)生軋制缺陷，出坯溫度有所下降。

4　鑄造輪及鋼帶對(duì)出坯溫度的影響

連續(xù)鑄造一般采用輪帶式鑄造工藝，即由U型銅環(huán)槽外包鑄機(jī)鋼帶形成密閉的腔體，金屬液體進(jìn)入該腔體后，通過腔體將熱量導(dǎo)出并由冷卻水系統(tǒng)帶出，進(jìn)而起到金屬液凝固及鑄坯成形的目的。當(dāng)U型銅環(huán)槽及鋼帶的導(dǎo)熱性能受到影響，則出坯溫度將受到較大影響。

生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，由于不同金屬液凝固點(diǎn)、熱導(dǎo)能力（晶粒影響）及收縮比例有所差異，影響出坯溫度的區(qū)間，鑄機(jī)冷卻水噴嘴需要重新調(diào)整匹配參數(shù)。金屬液的填充能力直接影響液穴的深度及鑄坯的內(nèi)部質(zhì)量，進(jìn)而影響到鑄坯的出坯溫度。

5　冷卻水對(duì)設(shè)備的影響

⑴澆鑄機(jī)冷卻。

⑵鑄坯冷卻。

⑶冷卻潤滑油冷卻。

⑷乳液冷卻。

⑸風(fēng)機(jī)軸承冷卻降溫等。

循環(huán)冷卻水對(duì)鑄機(jī)出坯溫度影響很大，如果鑄坯出坯后彎多彎大，那么進(jìn)軋溫度必然不穩(wěn)定，在鑄坯表面出現(xiàn)連續(xù)性裂紋（非拉裂），如果不能及時(shí)中止，則極有可能會(huì)出現(xiàn)鑄坯斷裂引起生產(chǎn)中斷。由此可見循環(huán)冷卻水的控制對(duì)鑄造工藝質(zhì)量重要意義。

6　PLC控制變頻器實(shí)現(xiàn)恒壓供水

由于電機(jī)控制技術(shù)和可編程程序控制器的應(yīng)用靈活方便，在恒壓供水系統(tǒng)中亦得到廣泛的應(yīng)用。采用PLC作為中心控制單元，利用變頻器與PID結(jié)合，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)可快速調(diào)整循環(huán)冷卻水供水系統(tǒng)的工作壓力，達(dá)到恒壓供水的目的，提高了系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性，得到了良好的控制效果以及明顯的節(jié)能效果。

⑴合理選取壓力控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低能耗恒壓供水。目的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵就在于壓力控制參數(shù)的選取，通常管網(wǎng)壓力控制點(diǎn)的選擇有兩個(gè)：①管網(wǎng)最不利點(diǎn)壓力恒壓控制；②泵出口壓力恒壓控制。選擇管網(wǎng)最不利點(diǎn)的最小水頭為壓力控制參數(shù)，形成閉環(huán)壓力自控系統(tǒng)，使得水泵的轉(zhuǎn)速與PID調(diào)節(jié)器設(shè)定壓力相匹配，可以達(dá)到最大節(jié)能效果，而且實(shí)現(xiàn)了恒壓供水的目的。

⑵變頻器在投入運(yùn)行后的調(diào)試是保證系統(tǒng)達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)的必要手段。變頻器根據(jù)負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的大小，在啟動(dòng)和停止電機(jī)時(shí)所需的時(shí)間不相同。設(shè)定時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致變頻器，在加速時(shí)過電流、在減速時(shí)過電壓保護(hù)；設(shè)定時(shí)間過長會(huì)導(dǎo)致變頻器在調(diào)速運(yùn)行時(shí)使系統(tǒng)變得調(diào)節(jié)緩慢，反應(yīng)遲滯，應(yīng)變能力差，系統(tǒng)易處在短期不穩(wěn)定狀態(tài)中。

⑶通過PLC實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)的水溫自動(dòng)投入控制、循環(huán)水池的液位自動(dòng)控制?？梢愿鶕?jù)工藝要求結(jié)合實(shí)際工作水溫控制冷卻泵、冷卻塔風(fēng)機(jī)根據(jù)溫度設(shè)定自動(dòng)開停。

⑷恒壓供水的節(jié)能。一般循環(huán)水泵的配置流量、揚(yáng)程、電機(jī)功率配置較大，經(jīng)常處于輕載狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)變頻恒壓供水，一方面可根據(jù)壓力變化自動(dòng)控制循環(huán)冷卻水流量，另一方面避免了水泵大馬拉小車現(xiàn)象，可以使水泵經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高水泵的工作效率，實(shí)現(xiàn)了水泵的電能節(jié)約。

①由離心泵的負(fù)載工作原理可知：

流量與轉(zhuǎn)速成正比：Q∝N。

轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比：T∝N2。

功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：P∝N3。

變頻調(diào)速自身的能量損耗極低，在各種轉(zhuǎn)速下變頻器輸入功率幾乎等于電機(jī)軸功率，在使用變頻恒壓供水時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：P變= N3P額=Q3P額。

②采用出口閥控制流量的方式，電機(jī)在工頻運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)中流量變化與功率的關(guān)系：

P閥=（0.4+0.6Q）P額

其中，P為功率；N為轉(zhuǎn)速；Q為流量。

如果當(dāng)前流量為水泵額定流量的60%，則采用變頻調(diào)速時(shí)P變=Q3P額=0.216P額，而采用閥門控制時(shí)P閥=（0.4+0.6Q）P額=0.76P額，節(jié)電=（P閥-P變）/P閥*100%= 71.6%。

由此可見，從理論計(jì)算結(jié)果可以看到節(jié)能效果非常顯著，而且在實(shí)際運(yùn)行中小區(qū)變頻恒壓供水技術(shù)比傳統(tǒng)的加壓供水系統(tǒng)還有自動(dòng)控制恒壓、無污染等明顯優(yōu)勢。

表1　

變頻恒壓供水控制器的最顯著優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)約電能，節(jié)能量通常在10%～40%。從單臺(tái)水泵的節(jié)能來看，流量越小，節(jié)能量越大。優(yōu)化的節(jié)能控制軟件，使水泵實(shí)現(xiàn)最大限度地節(jié)能運(yùn)行。

7　結(jié)束語

在工藝細(xì)化控制的過程中，往往受制于成本預(yù)算的影響，畢竟企業(yè)效益才是企業(yè)生存和發(fā)展的前提，如何在工藝、設(shè)備及產(chǎn)品質(zhì)量與效益之間找出最佳平衡點(diǎn)，是我們?cè)诰?xì)化工藝管理中需要突出的重點(diǎn)，這些工作開展的前提是我們要熟知工藝細(xì)節(jié)及工藝狀態(tài)發(fā)生變化所帶來的影響。不論是投資、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、還是系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、自動(dòng)化程度等方面都具有深遠(yuǎn)的意義。

［1］侯波，李建榮.鋁合金連續(xù)鑄軋和連鑄連軋技術(shù).冶金工業(yè)出版社，2008.1.

［2］肖亞慶.鋁加工技術(shù)使用手冊(cè).冶金工業(yè)出版社，2005.1.

［3］李方圓.變頻器行業(yè)應(yīng)用實(shí)踐.北京：中國電力出版社，2006.

收稿：2016-06-01

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.05.040