基于鋁合金鑄造過程控制的液壓系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)設(shè)計

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，為了能長期穩(wěn)定地生產(chǎn)出高質(zhì)量鑄錠，并且保證鑄造過程的安全，我國投入大量的人力、物力和財力開展了自動鑄造控制裝備的研發(fā)與建設(shè)，逐步消化吸收進口鑄造機的設(shè)計理念，完善鋁加工裝備。

1 鑄造機設(shè)備組成及鑄造過程

液壓傳動式鑄造機是近幾年設(shè)備發(fā)展的主流，主要由主油缸、鑄造平臺、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)均是鑄造機系統(tǒng)的子系統(tǒng)，三者通過相互匹配和聯(lián)動來完成鑄造過程控制。

鑄造過程可以劃分為三個階段：鑄造開始階段、穩(wěn)態(tài)鑄造階段和鑄造收尾階段。三個階段的工藝控制有不同的要求。在鑄造開始階段，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)定值進行精確控制并逐步上升到給定的鑄造速度和水流量，實現(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)閉時間，防止誤操作導(dǎo)致設(shè)備損壞?？梢姡T造速度控制和冷卻強度控制始終是鑄造過程控制的關(guān)鍵點。

2 液壓系統(tǒng)的設(shè)計

鑄造機液壓系統(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舉升油缸在切換工作中產(chǎn)生的流量變化大的特點。鑄造平臺空載快速上升動力由低壓大流量定量泵滿足工作。其余工作的油泵配置采用一用一備形式，雙泵可同時工作。

圖1 鑄造液壓控制原理圖

鑄造時，升降平臺的負(fù)載特性為勢能特性且是漸進增加的。因此速度控制回路前端配置具有溫度、壓力補償和位置反饋功能的原裝進口單向電磁比例調(diào)速閥與齒輪流量計組成閉環(huán)速度控制。該類閥件配套比例放大板，將系統(tǒng)發(fā)出的信號通過放大處理后，實現(xiàn)對比例電磁鐵的調(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)油通過比例閥回油箱，平臺慢速下降。而下降速度由鑄造液面檢測情況反饋給比例閥的開度決定。流量計根據(jù)測定的流量通過傳感器轉(zhuǎn)換為脈沖信號，PLC根據(jù)計算機內(nèi)的時鐘計和油缸的直徑算出鑄造速度，其與設(shè)定值比較，誤差信號反饋到PLC，PLC發(fā)出調(diào)節(jié)信號到比例閥調(diào)節(jié)閥芯位置，達(dá)到速度的恒定。通過檢測油缸排油的流量與設(shè)定速度比較來控制電動比例調(diào)速閥開度的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的快、慢速升降，故該回路的流量較大，板式閥不能滿足大流量的要求，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)計有一條專供緊急事故使用的回路。在應(yīng)急回路上配備有手動球閥和手動調(diào)速閥，除此沒有其他任何閥件，且回路直接接回油箱以防止其他可能的影響，無論液壓系統(tǒng)或電控系統(tǒng)出現(xiàn)任何問題導(dǎo)致油缸不能夠正常下降，操作人員都可以通過操作緊急回路保證油缸下降。

3 水冷系統(tǒng)的設(shè)計

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

以某合金鑄造過程為例，水量隨時間的變化過程見圖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。

圖2 鑄造過程供水變化典型曲線

冷卻水首先經(jīng)過過濾器（過濾精度1mm）過濾后進入冷卻水控制管線。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，通過球閥與管線后端的電磁流量計及西門子PLC組成的閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)實現(xiàn)冷卻水流量的精確控制，保證冷卻水流量的控制精度≤1%。在鑄造開頭、結(jié)尾階段通過程序控制水量增、減速率，以適應(yīng)不同規(guī)格、牌號合金鑄造開頭、結(jié)尾階段的工藝要求。為了減少合金鑄造開頭階段產(chǎn)生的錠尾翹曲進而產(chǎn)生漏鋁，需設(shè)計特殊供水系統(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可以實現(xiàn)高頻換向(可實現(xiàn)無擾動切換)的閥件，通過高頻實現(xiàn)供水的脈沖特性，以其達(dá)到減小冷卻強度的目的。

為了保證設(shè)備在冷卻水無法正常投入使用時，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緊急用水是否能夠正常投入，其上還布置有氣動開關(guān)型蝶閥，能夠保證在冷卻水不能正常投入時迅速打開。

4 結(jié)語

目前，國內(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，部分先進國外裝備制造商(如美國Wagstaff公司等)陸續(xù)展示了部分合金的超大規(guī)格鑄錠。這說明國外鑄造工藝和鑄造裝備都提升到了更高的水平。國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商也應(yīng)努力開發(fā)有自主產(chǎn)權(quán)的專利技術(shù)，提高液壓系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)的自動化控制和生產(chǎn)水平，以早日擺脫靠模仿制造或依賴引進核心生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)狀。

[1]孫靜.超高強鋁合金鑄造技術(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)實用手冊[M].冶金工業(yè)出版社，2005.

[2]唐劍，王德滿，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.