金屬型鑄球生產線澆注系統改進及優化

摘 要：公司原有的金屬型鑄球生產線采用1.2T的中頻保溫爐，采取手動液壓控制澆注至金屬型模具，常出現澆注斷流、澆不滿、溢出模具的情況，基于現場對澆注情況的針對性分析，采取分階段控制澆注速度，實現了定量澆注，鑄球生產合格率得到大幅度提升。

關鍵詞：中頻保溫爐；澆注速度，合格率

中圖分類號：TF775 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）22-0058-02

1 概述

我公司原有的金屬型生產線采取的人工手動控制進行鐵水澆注，而在實際應用過程中，經常出現斷流、澆不滿、溢出模具的情況，尤其因鐵水溢出模具造成生產線需停產檢修，造成鑄球生產合格率低，生產成本也居高不下。

2 鑄球生產線自動澆注要求

我公司采用的中頻保溫爐設備進行金屬熔煉，澆注口采用漏斗形式。鑄造鋼模每型澆注重量從10KG到50KG不等，澆一種規格時，每次澆注量基本不變，每澆一次油缸停止在原位，下次澆注時再從此處啟動。一爐鐵水重量約1.2噸，最長50分鐘澆完，每澆一次周期約25s，不同型號鋼模每一次的澆注的時間不同，但澆注周期都要控制在25s以內。澆注動作采用三種控制方式：（1）利用電子秤的實時稱重連續信號，檢測增量情況，根據增量控制每次澆注停止的時間，停止完后再重新啟動下一次澆注；（2）利用理論計算量，計算每次澆注所需時間來控制澆注時間，每次澆注時的停延時可在控制屏上進行輸入調整。理論時間及延時時間要能在現場試驗后進行優化并且可手動輸入進行調整；不同型號模具時，有對應的控制時間曲線；（3）手動控制，人工觀察澆注情況，進行中停和啟動，澆注完了恢復原位。

3 原有生產線澆注系統存在的問題及改進方案

3.1 原澆注系統存在問題

中頻保溫爐在傾倒不同角度時，傾倒時流出的鐵水速度不一致，實際在人為操作過程中，操作工人根據個人經驗進行操作，常因澆注時間短，每次對澆注的鐵水量難以精確把握，出現過早或者過晚控制中頻爐的傾倒，導致出現鐵水斷流、澆不滿、溢出模具的情況，針對這一問題，我們模擬分析出鑄造鋼模每型所需的鐵水質量、保溫爐傾倒在不同角度時鐵水倒出的速度及所需時間之間的關系。

3.2 改進方案

對中頻保溫爐在傾轉不同角度時澆出的鐵水量進行計算，計算在不同角度下澆注的鐵水速度，在傾轉不同角度的下澆注速度峰值偏差高達到20kg/s。因此，采取分階段分角度應用不同的澆注配方，以生產φ130mm的鑄造鋼球為例，分階段采取八個不同的澆注配方。每一個澆注配方由十個參數構成：澆注量（澆注滿一副模具所需要的鐵水量）；快速澆注量（在2～3秒中之內需要澆注的鐵水量）；慢速澆注量（在6～8秒中之內需要澆注的鐵水量）；提前量（澆注最后過程停留在空中的鐵水量）；快速澆注流量上限（實現快速澆注量時的最大速度）；快速澆注流量下限（實現快速澆注量時的最小速度）；慢速澆注流量上限（實現慢速澆注量時的最大速度）；慢速澆注流量下限（實現慢速澆注量時的最小速度）；澆注周期（澆滿一副鋼模所需要的時間）。其中澆注量是快速澆注量、慢速澆注量和提前量三者之和。

為更好的計算出中頻保溫爐處于傾轉不同角度時的鐵水量和金屬模具已澆注的鐵水量，在中頻保溫爐轉軸部位新增角度傳感器和中頻爐下方所需要澆注的金屬型模具底部增加稱重傳感器。

新增自動澆注控制方法：（1）在中頻保溫爐處于傾轉的狀態下，獲取中間包及澆注到所述中間包中的熔融金屬的總重量。所述中間包連接于在自動澆注生產線上用于加工鑄件成型的模具及所述中頻保溫爐的澆口之間，用于暫時貯存所述中頻保溫爐中流出的熔融金屬的小容量澆包；（2）計算并得到所述總重量和預先測量得到的中間包自身重量之間的差值；（3）計算熔融金屬的澆注速度；（4）比對所述澆注速度與預先設定的熔融金屬的第一澆注速度；（5） 當所述澆注速度不等于所述第一澆注速度時，調節所述中頻保溫爐的傾轉角度，直至所述澆注速度達到所述第一澆注速度；（6）判斷熔融金屬澆注量是否達到預先設定的所述熔融金屬澆注量的臨界值，所述臨界值小于所述熔融金屬澆注量的額定提前值；（7）當所述熔融金屬澆注量達到所述熔融金屬澆注量的臨界值時，比對當前所述熔融金屬的澆注速度與預先設定的熔融金屬的第二澆注速度；（8）當所述澆注速度不等于所述第二澆注速度時，調節所述中頻保溫爐的傾轉角度，直至所述澆注速度達到所述第二澆注速度。在對鑄件進行澆注過程中，首先采用所述第一澆注速度進行快速澆注，當所述熔融金屬澆注量達到所述臨界值時，則改用低于所述第一澆注速度的所述第二澆注速度進行慢速澆注，以便能夠在熔融金屬澆注量即將達到所述額定提前值時，更準確的對所述熔融金屬澆注量進行控制，避免出現因澆注速度過快而導致控制過程在時間上不能及時響應，致使所述熔融金屬澆注量超出額定值提前值的現象；（9）判斷所述差值是否達到預先設定的熔融金屬澆注量的額定提前值，當所述差值達到所述熔融金屬澆注量的額定提前值時，生成控制信號，所述控制信號用于控制所述中頻保溫爐停止繼續傾轉。

中頻保溫爐的傾轉角度的最大范圍為0～90°，將其劃分為九組等分的傾轉角度范圍，則所述傾轉角度區間依次為0～10°、10～20°、20～30°、30～40°、40～50°、50～60°、60～70°、70～80°和80～90°，所述每一組傾轉角度區間對應有預先設定的不同的第一澆注速度、第二澆注速度、熔融金屬澆注量的臨界值和熔融金屬澆注量的額定提前值，上述參數的具體數值可根據實際情況確定，以實現在保證鑄件生產效率的前提下，避免因對所述中間包的澆注速度太快，致使所述自動澆注控制方法對于差值的測量及對于所述中頻保溫爐的傾轉角度的控制不能及時響應，而出現鑄件澆注不足或澆注過滿的情況，從而保證產品質量。針對此，我們對中頻保溫爐在不同角度的倒出鐵水速度進行計算和實際修正[1]。如圖1：

3.3 實施過程

對設備進行角度傳感器的增加及內部程序的修正，首先進行利用自來水進行模擬澆注實驗，再進行鐵水試澆試生產。根據調試現場觀察及數據比對，程序參數設定基本的規律：在剛起爐，流量易于控制，也較為平穩，為保證澆注出來球的質量，需要相對較大的流量（>1kg/s），快澆量也要最大，提前量要小（φ130mm球提前量為1KG），總而言之，因為平穩易控，流量參數要大，提前量要少；隨著澆注進行，爐體傾倒相同角度時倒出鐵水增多，流量大而快難以控制，因此參數流量、快澆量要有遞減趨勢，提前量要由增大趨勢。周期時間分布規律：快澆量階段時間相對較短，慢速澆注階段時間要長。最終實現了澆注參數最優化，實現了一爐鐵水平穩澆注，很好地解決了澆不足、澆注溢出模具等情況，實現了最佳定量澆注。

4 改造效果

為期三月新增稱重傳感器及角度傳感的安裝、對程序進行修改，經過空轉模擬動作及模擬生產后進行生試生產，以生產φ130為例，分為八個澆注配方進行試驗，通過對第一澆注速度和第二澆注速度參數的控制，實現了連續自動澆注。

通過試生產，主要出現了“穿箱”的異常情況，導致金屬液侵入模具底部，損壞金屬型模具底部傳感器，我們在此基礎上進行底部預留“穿箱”金屬液引流口，避免傳感器的損壞，經過持續性改造，金屬型鑄球生產線澆注工序的原有的生產工人由四人降至二人，勞動強度也大幅度降低，鑄造的鋼球的合格率得以提升至91.5%。

該技術改造成果我們也進行了專利申報保護并且獲得發明專利的授權（專利號：CN201310180083.2）。

5 結束語

對于我公司金屬型鑄球生產線澆注系統的改進及優化實現了自動連續澆注的目標，減少人為操作對澆注產品質量的影響，產品合格率也得到大幅度提升，并且大幅度降低工人的勞動強度，但連續生產過程中還存在鋼球脫模困難、卡模的情況，影響生產進度，我們后階段需要進一步檢測出模具在生產過程中因溫度對膨脹系數的影響及整改，以便批量生產連續進行。

參考文獻：

[1]任立軍，鄒月燦，趙洪池.一種自動澆注控制方法、控制器和控制系統[P].CN201310180083.2.