鋁合金熔鑄生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與方法淺析

趙 淵

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039)

自動(dòng)化是指機(jī)器設(shè)備、系統(tǒng)或過(guò)程(生產(chǎn)、管理過(guò)程)在沒(méi)有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經(jīng)過(guò)自動(dòng)檢測(cè)、信息處理、分析判斷、操縱控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)的過(guò)程。采用自動(dòng)化技術(shù)不僅可以把人從繁重的體力勞動(dòng)、部分腦力勞動(dòng)以及惡劣、危險(xiǎn)的工作環(huán)境中解放出來(lái)，而且能擴(kuò)展人的器官功能，極大地提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，增強(qiáng)人類認(rèn)識(shí)世界和改造世界的能力。因此，自動(dòng)化是工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化的重要條件和顯著標(biāo)志。自動(dòng)化本身也是一種自我發(fā)展的狀態(tài)，從代替某一項(xiàng)體力勞動(dòng)直到代替所有勞動(dòng)。美國(guó)在后工業(yè)時(shí)代最早提出自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備的設(shè)想。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始從勞動(dòng)密集型向生產(chǎn)機(jī)械化自動(dòng)化轉(zhuǎn)變，也正是因?yàn)閲?guó)內(nèi)企業(yè)感受到人工成本對(duì)于整個(gè)工廠經(jīng)濟(jì)運(yùn)營(yíng)的影響，自動(dòng)化逐漸變成了當(dāng)下急需發(fā)展的方向。

鋁合金熔鑄工藝的發(fā)展從建國(guó)初期到現(xiàn)在，歷經(jīng)多年設(shè)備的更新變化以及工藝技術(shù)的優(yōu)化提升，從簡(jiǎn)單的澆注成型模式發(fā)展到如今的大規(guī)模機(jī)械化鑄造生產(chǎn)，從產(chǎn)能較小、用工規(guī)模龐大、工作強(qiáng)度高、廠房占地較分散等特點(diǎn)，逐步發(fā)展為高產(chǎn)能、工人數(shù)量少，生產(chǎn)操作機(jī)械化、設(shè)備布局集約化的狀態(tài)。電子科技作為新興的技術(shù)產(chǎn)業(yè)，促進(jìn)著工業(yè)化向更高層次發(fā)展，電子技術(shù)與機(jī)械設(shè)備的融合，加速了熔鑄工藝設(shè)備步入自動(dòng)化生產(chǎn)的進(jìn)程。

鋁合金熔鑄生產(chǎn)工藝的自動(dòng)化發(fā)展一直依賴于設(shè)備的自動(dòng)化或機(jī)械化程度，如熔化設(shè)備的熔化系統(tǒng)自動(dòng)化控制燒嘴點(diǎn)火、爐溫控制、燃料調(diào)整、設(shè)備液壓傾動(dòng)、爐門(mén)機(jī)械提升等功能，加料設(shè)備的機(jī)械鋁液包傾倒功能、攪拌設(shè)備的電磁爐外攪拌功能、鑄造設(shè)備的自動(dòng)半連續(xù)鑄造系統(tǒng)、鋸切設(shè)備的自動(dòng)上料下料定尺鋸切與打包功能等。這些設(shè)備都在提升熔鑄工藝的自動(dòng)化水平，可以使整個(gè)熔鑄工藝生產(chǎn)過(guò)程需要更少的人員，降低工作強(qiáng)度(只需面對(duì)操作臺(tái)或者屏幕進(jìn)行觀察和相應(yīng)控制操作)。同時(shí)，擁有更多的配套功能和電子信息技術(shù)，工人對(duì)于信息的處理也更加精確與方便，如爐溫、爐壓、鑄造水溫、水量監(jiān)控、鑄造速度控制、動(dòng)力耗量(能源管理)等都能更加準(zhǔn)確無(wú)誤的統(tǒng)計(jì)。

由此可見(jiàn)，從熔煉設(shè)備上來(lái)說(shuō)，現(xiàn)階段已經(jīng)擁有很多自動(dòng)化的成果，并持續(xù)在優(yōu)化與更新。如普鋁錠或合金錠的連續(xù)鑄造工藝設(shè)備、鋁桿線材的連鑄連軋?jiān)O(shè)備、鋁卷材的連續(xù)鑄軋?jiān)O(shè)備生產(chǎn)等基本實(shí)現(xiàn)熔煉結(jié)束后工序的自動(dòng)化鑄造生產(chǎn)，鋁輪轂低壓鑄造和鍛造輪轂生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)鑄造結(jié)束后機(jī)加工段的流水線自動(dòng)化生產(chǎn)。但是，對(duì)鋁合金半連續(xù)鑄造的工藝生產(chǎn)而言，在自動(dòng)化生產(chǎn)線的模式上要稍遜其他，關(guān)鍵問(wèn)題在于加料過(guò)程和鑄錠起吊擺放過(guò)程。未來(lái)應(yīng)著眼于提高鋁合金熔鑄生產(chǎn)車(chē)間整體流程的自動(dòng)化程度，從而解決生產(chǎn)中仍沒(méi)有實(shí)現(xiàn)或沒(méi)有投入自動(dòng)化的關(guān)鍵點(diǎn)，以解決這些問(wèn)題使生產(chǎn)更加高效與智能。

1 鋁合金熔鑄生產(chǎn)工藝自動(dòng)化的目標(biāo)

鋁合金熔鑄生產(chǎn)作為工業(yè)化生產(chǎn)工藝的一類，也應(yīng)當(dāng)遵循自動(dòng)化的基本要求，又由于鋁合金熔鑄生產(chǎn)的特點(diǎn)，具體分為以下3個(gè)階段目標(biāo)。

(1)生產(chǎn)連續(xù)化。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)連續(xù)化即是要求生產(chǎn)線整體節(jié)拍流暢，可以減少設(shè)備待料時(shí)間，提高原材料的利用率，減少不必要的重復(fù)操作，實(shí)現(xiàn)單方向物流，最大限度發(fā)揮產(chǎn)能，提高廠房空間的利用率，連續(xù)化的生產(chǎn)可以判斷一個(gè)車(chē)間總體生產(chǎn)負(fù)荷率，可以幫助管理者對(duì)車(chē)間內(nèi)所有可見(jiàn)實(shí)體進(jìn)行利用率高低的判斷，不只將關(guān)注點(diǎn)放在單體設(shè)備上，從而更快地找到車(chē)間的生產(chǎn)瓶頸，激發(fā)一個(gè)車(chē)間的整體活力。

(2)生產(chǎn)工藝智能化。實(shí)現(xiàn)智能化，可以減少人員的腦力勞動(dòng)，將生產(chǎn)中一些需要人為規(guī)劃或者人力思考的工作，由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如物料選擇性流向、設(shè)備工作參數(shù)自行調(diào)整、設(shè)備問(wèn)題自檢、在制品生產(chǎn)問(wèn)題自動(dòng)整理和自動(dòng)糾偏等，設(shè)備數(shù)據(jù)信息與狀態(tài)實(shí)時(shí)顯示，由系統(tǒng)設(shè)備來(lái)自我判斷操作行為，可以避免人為工作失誤或強(qiáng)度過(guò)大而造成的減產(chǎn)和停產(chǎn)。

(3)無(wú)人化智能車(chē)間。無(wú)人化是實(shí)現(xiàn)智能化后可以實(shí)現(xiàn)的下一階段。能夠最大限度減少人工成本和人員傷亡事故并將生產(chǎn)力徹底解放，人員可以更多投入到研發(fā)和技術(shù)改進(jìn)上，形成人負(fù)責(zé)思考、機(jī)械負(fù)責(zé)完成的模式，是自動(dòng)化模式下最理想狀態(tài)。

2 解決鋁合金熔鑄工藝關(guān)鍵問(wèn)題的思路與方法

因?yàn)殇X加工半連續(xù)鑄造工藝的自動(dòng)化難點(diǎn)問(wèn)題突出，本文主要分析該工藝自動(dòng)化的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即加料過(guò)程和鑄錠起吊擺放過(guò)程。

2.1 加料過(guò)程

鋁合金熔鑄生產(chǎn)的原料主要有電解鋁液、重熔用鋁錠、鋁中間合金及返回廢料等。電解鋁液包配備有電解鋁液自動(dòng)傾翻臺(tái)包車(chē)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械傾倒加料，比較方便。重熔鋁錠或其他形式的廢料選用叉車(chē)或機(jī)械裝料車(chē)進(jìn)行加料，不僅加料速度慢，次數(shù)多，而且并不能保證每爐料都加到額定的噸位。圓形爐具有頂開(kāi)蓋加料功能，仍然不能完全解決加料效率低的弊病，而圓形爐的造價(jià)和爐體結(jié)構(gòu)也很復(fù)雜。再者，由于熔煉工序的速度比鑄造工序的速度慢很多，不得不選擇多熔爐對(duì)應(yīng)一個(gè)鑄造機(jī)。因此，如何通過(guò)自動(dòng)化提高加料速度成為一個(gè)關(guān)鍵。

加料速度緩慢的主要原因多為生產(chǎn)中投入了過(guò)多的廢料，廢料形狀各異，不易管理。而對(duì)待廢料，現(xiàn)在工廠基本上沒(méi)有系統(tǒng)的處理方法，習(xí)慣于隨意堆放和打捆，給加料和配料造成了很大麻煩，有些工廠也有廢料處理車(chē)間，但是基本上只是個(gè)存料庫(kù)。

對(duì)待需處理的廢料建議采用機(jī)加工流水線的模式，在廢料處理前增加成分檢測(cè)分類的工序，設(shè)定最方便入爐的形狀，選用機(jī)械傳輸工具將破碎、擠壓、彎扭、切斷工序或設(shè)備形成關(guān)聯(lián)的線性布置，對(duì)不規(guī)則的廢料進(jìn)行變形處理，使之形狀規(guī)整，再進(jìn)行壓塊打包，為提高加料效率提供保障，還可以直接將處理線延伸至加料車(chē)的料斗，隨時(shí)儲(chǔ)備等待入爐。目前尚沒(méi)有應(yīng)用實(shí)例。

2.2 鑄錠起吊擺放過(guò)程

立式半連續(xù)鑄造機(jī)的最大特點(diǎn)是鑄造完成后，需要對(duì)鑄錠進(jìn)行吊運(yùn)。扁錠笨重、尺寸大，即便配有專用吊具，也需要經(jīng)過(guò)天車(chē)緩慢調(diào)整，才能放倒與平移，圓錠尺寸小，但是數(shù)量多，一次起吊需要調(diào)運(yùn)一排(5～7根以上)，起吊也需要緩慢放倒，這對(duì)天車(chē)工來(lái)說(shuō)，是一個(gè)復(fù)雜和冗長(zhǎng)的操作過(guò)程。因?yàn)闆](méi)有鑄錠專用的起吊機(jī)械，主要依賴天車(chē)工進(jìn)行人工控制，不但一次起吊量有限，而且每臺(tái)天車(chē)動(dòng)作需要較長(zhǎng)時(shí)間(從幾分鐘到幾十分鐘)，降低了鑄造機(jī)的使用效率，在這些操作中，還存在一定的安全隱患。

歐洲某些工廠也在思考采用機(jī)械化的方式完成吊錠與倒放及軌道運(yùn)輸，解決鑄錠起吊擺放的思路基本上以采用鑄錠專用起吊裝置作為核心。鑄錠被專用起吊裝置夾出鑄井后，按照設(shè)定機(jī)械臂走向，直接將鑄錠吊放在水平運(yùn)輸輥道上進(jìn)入下一步工序，或在輥道上等待一定時(shí)間進(jìn)行冷卻，如此省去人工操作天車(chē)起吊鑄錠，省去車(chē)間內(nèi)鑄錠調(diào)整與堆疊的空間，從而減小車(chē)間需要的面積，后續(xù)鋸切、均熱設(shè)備又可配備鑄錠堆疊運(yùn)輸設(shè)備，基本可以將半連續(xù)鑄造變?yōu)闄C(jī)械化的自動(dòng)鑄造線。鑄造起吊工具當(dāng)前尚無(wú)應(yīng)用實(shí)例，但后續(xù)的鋸切堆疊機(jī)和運(yùn)輸機(jī)械已經(jīng)有所應(yīng)用。

3 鋁合金熔鑄自動(dòng)化工藝發(fā)展的影響因素

經(jīng)濟(jì)效益是技術(shù)進(jìn)步的原動(dòng)力，也為技術(shù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的資源支持，兩者相輔相成。自動(dòng)化根本目的是為了服務(wù)于人，能否得到足夠的資金支持，需以自動(dòng)化后的生產(chǎn)效益能否得到提高來(lái)判斷。選擇自動(dòng)化模式較高的生產(chǎn)方式與選擇沿用已有的生產(chǎn)方法之間的效益測(cè)算對(duì)比，成了影響自動(dòng)化的一個(gè)關(guān)鍵因素，如果自動(dòng)化的投入使原有綜合成本提高一倍以上，則基本很難形成競(jìng)爭(zhēng)力。

產(chǎn)品的特性對(duì)于自動(dòng)化也有影響，一般決定了自動(dòng)化的難易程度，材料規(guī)格自重輕、體積小、產(chǎn)品單一、加工流程簡(jiǎn)易，自動(dòng)化設(shè)備投入的越早，流程越完善。對(duì)于一些體積大、 笨重、形狀怪異、 產(chǎn)品多樣、 上下游關(guān)系不緊密的產(chǎn)品，雖然單個(gè)生產(chǎn)工序可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程仍有需要采用人工操作的地方，無(wú)法得到更有效地替換。這點(diǎn)也可以說(shuō)明仍有機(jī)械化可提升的空間。

工藝裝備制造與研發(fā)的能力，也是自動(dòng)化發(fā)展的一個(gè)重要因素，在設(shè)備應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和裝備生產(chǎn)上，發(fā)達(dá)國(guó)家在裝備自動(dòng)化上投入的時(shí)間和精力都要多于發(fā)展中國(guó)家，整體發(fā)展程度較為領(lǐng)先，當(dāng)前很多大型自動(dòng)化設(shè)備仍需要引進(jìn)。

4 總結(jié)與展望

綜上所述，自動(dòng)化發(fā)展的概念不斷被強(qiáng)化，一方面主要源于解決當(dāng)代經(jīng)濟(jì)與效益、產(chǎn)能與人力之間矛盾的迫切需要，特別是發(fā)達(dá)國(guó)家，人工成本急劇上升，工作時(shí)長(zhǎng)和用工人數(shù)都受到限制。另一面方面源于勞動(dòng)力解放與發(fā)展的需要，擁有了高自動(dòng)化程度的生產(chǎn)工藝技術(shù)，對(duì)于提高設(shè)備運(yùn)行效率，產(chǎn)品產(chǎn)量與質(zhì)量更好更穩(wěn)定都有巨大幫助，也為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了優(yōu)質(zhì)平臺(tái)。

當(dāng)前，鋁合金熔鑄工藝生產(chǎn)自動(dòng)化正在不斷發(fā)展，對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用，也在朝著以前沒(méi)有應(yīng)用過(guò)的工序突破，自動(dòng)堆疊技術(shù)、自動(dòng)運(yùn)輸技術(shù)等降低人員操作強(qiáng)度和減少人員傷亡事故的方法，逐漸開(kāi)始嶄露頭角，而一些正在設(shè)想中的自動(dòng)化模式也會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，為最終實(shí)現(xiàn)智能化和無(wú)人化提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為能夠解決生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題而努力，從而發(fā)揮自動(dòng)化生產(chǎn)真正的魅力。