基于鋁合金鑄造過程控制的液壓系統和水冷系統設計

王文兵

（廣西柳州銀海鋁業股份有限公司，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，也是控制冶金質量的關鍵工序。近幾年來，為了能長期穩定地生產出高質量鑄錠，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與建設，逐步消化吸收進口鑄造機的設計理念，完善鋁加工裝備。

1 鑄造機設備組成及鑄造過程

液壓傳動式鑄造機是近幾年設備發展的主流，主要由主油缸、鑄造平臺、翻轉裝置、水冷系統、液壓系統、電控系統組成。液壓系統、水冷系統、電控系統均是鑄造機系統的子系統，三者通過相互匹配和聯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、穩態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，不同合金不同規格有不同的鑄造速度和冷卻強度要求；在穩態鑄造階段，鑄造速度、冷卻水流量及液位高度等工藝參數按設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，實現恒速和恒流量鑄造；在鑄造收尾階段，系統需根據設定值延遲冷卻水關閉時間，防止誤操作導致設備損壞。可見，鑄造速度控制和冷卻強度控制始終是鑄造過程控制的關鍵點。

2 液壓系統的設計

鑄造機液壓系統由鑄造回路、快速升降回路、應急回路等組成。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、分配流槽舉升油缸以及鑄造平臺舉升油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速閥與齒輪流量計組成閉環速度控制。該類閥件配套比例放大板，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。比例閥換向至鑄造位，缸內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。流量計根據測定的流量通過傳感器轉換為脈沖信號，PLC根據計算機內的時鐘計和油缸的直徑算出鑄造速度，其與設定值比較，誤差信號反饋到PLC，PLC發出調節信號到比例閥調節閥芯位置，達到速度的恒定。通過檢測油缸排油的流量與設定速度比較來控制電動比例調速閥開度的PID閉環控制，以保證速度的平穩、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。節流插裝閥組和先導電磁閥組成快升、慢升、快降回路，其速度為手動調定。

為了保證油缸在任何情況下都能夠順利的下降，液壓系統設計有一條專供緊急事故使用的回路。在應急回路上配備有手動球閥和手動調速閥，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，無論液壓系統或電控系統出現任何問題導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 水冷系統的設計

冷卻水由車間總管，經手動蝶閥、自清洗過濾器，氣動蝶閥，氣動V型調節球閥，壓力傳感器，電磁流量計，溫度傳感器、旋轉接頭和傾翻架進入結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、溫度并起到報警監測作用。鑄井內的冷卻水通過深井泵排除，鑄井內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。可以看出:在開始鑄造的前15 min左右為水量上升階段，此后為水量穩定階段。上升階段時間短，水量變化大。水量受鑄錠數目、鑄造速度等影響，穩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計。

圖2 鑄造過程供水變化典型曲線

冷卻水首先經過過濾器（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節性能的V型比例調節球閥，通過球閥與管線后端的電磁流量計及西門子PLC組成的閉環調節系統實現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、結尾階段通過程序控制水量增、減速率，以適應不同規格、牌號合金鑄造開頭、結尾階段的工藝要求。為了減少合金鑄造開頭階段產生的錠尾翹曲進而產生漏鋁，需設計特殊供水系統。可以考慮脈沖供水系統，它是在正常冷卻水系統控制閥件的后端增加一個可以實現高頻換向(可實現無擾動切換)的閥件，通過高頻實現供水的脈沖特性，以其達到減小冷卻強度的目的。

為了保證設備在冷卻水無法正常投入使用時，能夠不發生事故和損傷鑄造工具，在工廠內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型蝶閥，能夠保證在冷卻水不能正常投入時迅速打開。

4 結語

目前，國內外鋁合金鑄錠的生產正朝著大規模、多品種、大重量、大規格的方向發展，部分先進國外裝備制造商(如美國Wagstaff公司等)陸續展示了部分合金的超大規格鑄錠。這說明國外鑄造工藝和鑄造裝備都提升到了更高的水平。國內設備生產商也應努力開發有自主產權的專利技術，提高液壓系統和水冷系統的自動化控制和生產水平，以早日擺脫靠模仿制造或依賴引進核心生產技術的現狀。

[1]孫靜.超高強鋁合金鑄造技術及裝備控制系統的發展[J].南方金屬，2010（2）.

[1]肖亞慶等.鋁加工技術實用手冊[M].冶金工業出版社，2005.

[2]唐劍，王德滿，劉靜安等.鋁合金熔煉與鑄造技術[M]，冶金工業出版社，2010.