半連續鑄造機三種速度液壓控制技術

山流光

隨著輕量化浪潮興起，鋁合金因其優勢廣泛應用于航空航天、國防軍工、交通和各民用工程中，并日益擴大在各領域的應用。半連續立式鑄造是鑄造鋁合金大規格扁錠和大直徑范圍的圓錠（棒）的主要鑄造方式，半連續鑄造機（見圖1）就是應用材料流變學原理將合金熔體通過結晶器、引錠頭鑄造成一定尺寸的扁錠、圓錠或空心鑄錠，為熱軋或鍛壓或擠壓生產提供坯料的專用生產設備。

1.半連續液壓鑄造機現狀

由于高質量液壓元件、低摩擦液壓缸的問世，以及自動化控制水平的提高，為現代化高質量液壓半連續鑄造機提供了技術保障。現代化鋁合金鑄錠半連續鑄造機具有鑄造平臺運行平穩、鑄造速度范圍大且精度高、負荷能力大、設備結構簡單、維護方便、機械磨損小，以及使用壽命長等優點，特別適用于大噸位、高質量的鑄錠生產。液壓傳動鑄造機按照引錠頭由液壓缸內部導向和外部導向分為外導式和內導式。液壓內導式半連續鑄造機的升降執行元件為帶扭矩限制器的內導柱塞缸，其升降過程中的防旋轉導向及缸桿運行中的垂直度均由液壓缸內部結構實現，導向精度高，鑄錠在全長范圍內的彎曲可以控制在4mm以內。我國于1991年6月開始實施的標準YS/T8—1991《鋁錠液壓式半連續鑄造機》對該類鑄造機的性能有具體的要求。二十多年來，國內外制造商的先進鑄造機新產品不斷涌現。國外的先進鑄造機制造商有：美國Wagstaff公司和Almex公司、加拿大Loma公司、法國Novelis PAE公司、荷蘭Thermcon公司、挪威Hycast公司和德國Loi公司等。國內的鑄造機制造商主要是仿制國外的液壓系統，也有極少數自己消化吸收改進的。近幾年來，鋁加工生產規模不斷擴大，對鋁合金鑄錠的需求日益增多，國內新建了一大批先進液壓鑄造機，其液壓系統因鑄造機廠商設計理念不同而各有千秋。隨著國家對特種合金產品需求，需要滿足高鑄造工藝要求的鑄造機，如何逐步消化吸收進口鑄造機液壓系統，擺脫進口依賴，對逐步完善鋁加工的裝備，具有很重要的意義。

2.半連續鑄造液壓系統

圖1

液壓系統是鑄造機系統中的一個子系統，它與電控系統、冷卻水系統等相互匹配和聯動進行鑄造。鑄造機液壓系統一般由動力單元、內導液壓缸升降速度控制回路、手動緊急下降控制回路、流槽及鑄造平臺舉升系統控制回路以及輔助回路（如自過濾）等組成。液壓系統是復雜的，化整為零將整個液壓系統細分為幾個基本回路，層層深入劃分整個液壓系統層次與子系統，劃分的正確合理是至關重要的。依據鑄造機工作要求，液壓系統動作可分為三部分。

（1）非鑄造時液壓控制動作 主要分為鑄造平臺快速上升、慢速上升、快速下降等。

（2）流槽和傾翻蓋板升降動作 鑄造結束或終止，準備鑄造或者調整時的鑄造流槽升降動作。與鑄造配套的傾翻蓋板的升降動作，傾翻平臺的水平與垂直位置通過安裝在機構上的防水接近開關控制。同時在傾翻液壓缸上安裝有單向平衡閥，以保證傾翻液壓缸的平穩傾翻。

（3）鑄造時鑄造平臺下降的鑄造速度液壓控制動作 鑄造平臺下降是鑄造速度控制的重點，鑄造過程中鑄造平臺下降是依靠平臺和鑄錠自重來實現的。鑄造可以大致劃分三個階段：第一是金屬液位填充的起始階段；第二是鑄造開始調整階段；第三是鑄造穩定階段。鑄造起始階段在整個鑄造過程中占舉足輕重的地位，鑄造速度是一個由慢變快的漸變聯動過程。鑄造的三個階段的速度不相同，是根據合金鑄錠的裂紋傾向來控制，如冷裂紋傾向性較大的合金及鑄錠規格，應提高鑄造速度；而熱裂紋傾向較大的合金及鑄錠規格，則應降低鑄造速度。液壓系統關系鑄造速度的控制，故鑄造時液壓系統要保證的鑄造速度可以達到最大，并保證其速度的調整具有范圍寬、反應快速及速度穩定，是鑄造機液壓系統最為核心的部分。

同時，鑄造時候特別危險，安全很重要，故液壓系統中應設計有在鑄造過程中如出現設備整機或局部故障時的緊急鑄造回路。由于內導液壓缸的工作特性，當鑄造回路液壓元件出現故障時，液壓缸會繼續按設定的速度受控下降，緊急鑄造回路是用于在極端情況下，鑄造回路控制閥件出現故障時使用，從而保證鑄造時鑄造平臺下降不至于停止。緊急鑄造回路由手動球閥和調速閥等組成，緊急控制閥架一般布置在鑄造井或操作臺附近，方便現場人員操作。

3.三種鑄造速度液壓控制回路比較分析

鑄造機鑄造速度控制是整個鑄造機的關健點，要系統地根據鑄造工藝特點和相關匹配技術進行控制方式的設計，依據設計有閉環控制和開環控制。

鑄造速度為開環電液控制系統，控制的輸出結果無法進行檢測和反饋，鑄造速度設置采用電位器調節，調速波動大。整個系統跟隨性和穩定性比較差，一旦發生油路泄漏故障不易發現。鑄錠錠尾翹曲、懸掛、冷隔、底部裂紋、漏鋁甚至夾渣等缺陷都與鑄造速度控制精度等密切相關。開環控制，操作人員只能以人工調節鑄造速度的鑄造工藝，操作人員的經驗和技能直接影響鑄造成功率和質量。

鑄造速度為閉環電液控制系統，PLC作為控制核心，將控制液壓系統驅動鑄造機按規定的鑄造工藝流程運行，各動作之間有可靠的聯鎖保護和嚴格的順序控制。在鑄造過程中，實現聯鎖保護功能。鑄造速度變化時，將引起鋁液流量的變化，為此將通過自動調節傾動爐出口鋁液流量來保證正常鑄造時鋁液流量，并且在鑄造準備過程沒有完成的情況下，傾動爐禁止傾動等，以免產生誤操作，發生安全事故。

以下介紹三種閉環的鑄造速度液壓控制回路。

（1）基于電液閉環比例鑄造速度液壓控制回路 如圖2所示，液壓泵采用變量柱塞泵，可以根據外負載的變化自動調整泵自身的輸出流量，用于適應內導液壓缸、分配流槽舉升液壓缸及鑄造平臺舉升液壓缸在切換工作中產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。其余工作的液壓泵配置采用一用一備形式，雙泵可同時工作。進入正常鑄造程序時，液壓泵不動作，速度控制回路前端配置有德國Bosch Rexroth公司的閉環比例方向閥，該類閥件具有溫度補償和壓力補償功能，配套比例放大板，將系統發出的信號通過放大處理后，實現對比例電磁鐵的調節，完成流量增大、減小及穩定的控制。閉環比例閥換向至鑄造位，缸內油通過閉環比例閥回油箱，平臺慢速下降。而下降速度，由設置有容積式齒輪液壓流量計和鑄造鋁合金液面檢測情況反饋給閉環比例閥的開度決定。但閉環比例閥在鑄造時，因閥芯動作頻繁，導致故障率較高，比例閥容易發生零位漂移，位移傳感器需要定時校準，如德國Bosch Rexroth等廠家校準周期很長。

（2）基于步進電動機控制流量閥開度的鑄造速度液壓控制回路 如圖3所示，系統動力為兩個定量泵，雙聯動，即一個電動機同時帶動兩個泵。鑄造時候，泵停止，鑄造平臺下降，鑄造速度由PLC程序控制回路中步進電動機打開閥門開度大小實現，設置螺桿流量計、鑄造液面激光檢測器做為閉環反饋。該回路可靠性高，故障率較低。

（3）基于速度控制集成閥的鑄造速度液壓控制回路 如圖4所示，液壓泵采用變量柱塞泵，該回路為閉環流量調節，采用的反饋器為質量流量計，速度集成閥及其控制系統將閥門、伺服電動機、控制器合為一體，實現了閥門的動作速度和位置控制，解決閥門的精確定位、閥門柔性開關、極限位置判斷、電動機保護及模擬信號隔離等問題。鑄造回路選擇的具有壓力、溫度補償的速度控制集成閥以及質量流量計組成的速度控制回路，它的制造精度很高，而且不受壓力變化的影響，能在0～35MPa的工作壓力范圍內正常工作，其探測精度為2‰，可以保證鑄造過程中速度的控制精度在1%以內，充分保證了鑄造工藝的穩定性。同時，與PLC組成的閉環控制系統保證了速度調整及時、穩定的要求。該回路系統采用質量流量計和速度控制集成閥，保證鑄造過程液壓油流量測量的準確性，確保鑄造速度控制精度，可靠性較高。

圖2

圖3

圖4