水平連鑄牽引系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

劉長(zhǎng)榮

（江西銅業(yè)加工事業(yè)部，江西 南昌 330096）

1 引言

由于鑄軋法具有工藝流程短、產(chǎn)品性能穩(wěn)定、能耗低、生產(chǎn)效率高、成本低等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于精密銅盤管生產(chǎn)工藝［1-3］。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水平連鑄生產(chǎn)技術(shù)已進(jìn)行了大量而深入的研究，陳均言對(duì)國(guó)內(nèi)外水平連鑄發(fā)展情況進(jìn)行了研究，研究分析了水平連鑄的優(yōu)點(diǎn)以及應(yīng)用情況［4］。肖世海研究了水平連鑄機(jī)的發(fā)展，研究了水平連鑄機(jī)在鋼鐵行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展［5］。范其良研究了水平連鑄拉坯頻率對(duì)鑄坯表面質(zhì)量影響，探究了不同拉坯頻率對(duì)鑄坯質(zhì)量的影響［6］。上述研究中主要集中在水平連鑄的發(fā)展以及設(shè)備對(duì)質(zhì)量的影響中，而對(duì)水平連鑄的牽引程序鮮有報(bào)道，本文主要研究水平連鑄牽引程序的優(yōu)化以及優(yōu)化對(duì)產(chǎn)能和質(zhì)量的影響。

2 原系統(tǒng)特點(diǎn)和缺陷

水平連鑄是精密圓盤銅管生產(chǎn)的重要組成部分，是生產(chǎn)的首要工序，為圓盤銅管提供合格優(yōu)質(zhì)的鑄坯，因此，水平連鑄的使用質(zhì)量直接影響了圓盤銅管精深加工的持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)。而水平連鑄的關(guān)鍵就是牽引。

鑄坯牽引步進(jìn)驅(qū)動(dòng)，由1臺(tái)編程器控制伺服驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。編程器使用了BJP-11001型號(hào)，該型號(hào)的編程器，有8個(gè)輸入點(diǎn)和5個(gè)輸出點(diǎn)。8個(gè)輸入點(diǎn)包括了4個(gè)程序選擇，1個(gè)手動(dòng)信號(hào)，1個(gè)停止信號(hào)，1個(gè)長(zhǎng)度清零信號(hào)，1個(gè)運(yùn)行命令信號(hào)。在實(shí)際使用中，牽引程序通道只有4個(gè)，只能切換4套程序使用，不利于鑄坯牽引工藝的調(diào)整。在國(guó)內(nèi)，此型號(hào)的牽引編程器無法做到擴(kuò)展，用僅有的4個(gè)通道編排的牽引程序在生產(chǎn)中將結(jié)晶固相線基本固定在模具的4個(gè)位置，隨著牽引時(shí)間增加，造成模具的4個(gè)位置磨損，縮短模具壽命，引發(fā)鑄坯表面溝槽、表面粗糙缺陷的產(chǎn)生，使鑄坯質(zhì)量下降和波動(dòng)。

3 編程器輸出通道擴(kuò)展研究和應(yīng)用

圖1是編程器的I/O接口圖，左側(cè)是8個(gè)可定義的輸入點(diǎn)，右側(cè)是可定義的輸出點(diǎn)。輸入點(diǎn)采用源極輸入，24V直流電源。輸出通過光耦信號(hào)，控制晶體管輸出24V信號(hào)。

圖1 編程器的I/O接口圖

編程器與牽引電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的連接見圖2。通過編程器給驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行指令，實(shí)現(xiàn)需要的牽引工藝。驅(qū)動(dòng)器通過步進(jìn)電源線和角度編碼器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速、步進(jìn)方向和步數(shù)。

在程序的控制工藝上，采用一定的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率旋轉(zhuǎn)到設(shè)定的步數(shù)。將1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)循環(huán)動(dòng)作分解為為一進(jìn)，兩退。分10段牽引程序獨(dú)立運(yùn)行。I1，I2，I5，I8作為程序選擇的輸入組合。按一進(jìn)兩退的工藝進(jìn)行牽引，Q1，Q2，Q3，Q4為輸出的程序指示，硬件上通過10個(gè)程序選擇按鈕和PLC輸入輸出模塊，進(jìn)行組合，新增6個(gè)擴(kuò)容通道，實(shí)現(xiàn)10個(gè)不同進(jìn)、退、停速度和位移編程支持。

圖2 編程器與牽引驅(qū)動(dòng)器的連接

4 銅管坯牽引程序設(shè)計(jì)

銅管坯牽引程序是銅管坯質(zhì)量的關(guān)鍵因素，本設(shè)計(jì)基于液穴基本穩(wěn)定的前提通過改變動(dòng)作頻率來逐段改變固相線位置以達(dá)到最優(yōu)結(jié)晶點(diǎn)、金相組織、表面狀況。

銅管坯牽引程序由拉-退-停三種狀態(tài)進(jìn)行組合編排，“拉”狀態(tài)下液穴填充變大，“退”狀態(tài)下液穴壓縮變小，“停”狀態(tài)下液穴緩和過渡。銅管坯牽引程序編排的關(guān)鍵是通過控制三種狀態(tài)的位移和速率來達(dá)到液穴和結(jié)晶的動(dòng)態(tài)平衡至趨于穩(wěn)定。同時(shí)理論編排程序在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)設(shè)備工況進(jìn)行調(diào)整和實(shí)驗(yàn)，銅管坯牽引輪表面摩擦力引起的狀態(tài)延遲，步進(jìn)電機(jī)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)誤差，變速齒輪的齒隙變化均是需要考慮和計(jì)算的因素。最終通過不斷實(shí)驗(yàn)金相（如圖3）驗(yàn)證推導(dǎo)出最優(yōu)適用主程序（如表1中程序2、5、8、10）。

圖3 金相圖

表1 牽引程序

主程序建立后，考慮到石墨模具同一結(jié)晶面磨損情況，在主程序附近擴(kuò)展2～3個(gè)頻率改變的附屬程序，從而在穩(wěn)定液穴的前提下不斷改變結(jié)晶點(diǎn)和固相線，在牽引時(shí)充分利用模具的結(jié)晶位置，以解決模具壽命和表面粗糙溝槽問題。本設(shè)計(jì)通過新創(chuàng)程序編排計(jì)算公式和方法，可以快速編排出雙頭或單頭慢速程序和多頭快速程序，實(shí)現(xiàn)100～500mm/min速率的大范圍穩(wěn)定牽引，從使用效果來看，鑄坯表面裂紋明顯減少，石墨模具的使用壽命由原來的48.21h延長(zhǎng)至90h以上。鑄坯金相合格率由91.89%提升至94.95%。

5 結(jié)束語

（1） 通過對(duì)程序的優(yōu)化組合創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了多通道水平連鑄牽引程序，在原霍爾摩根電控系統(tǒng)上進(jìn)行了自主擴(kuò)展，避免了整個(gè)系統(tǒng)升級(jí)投資。

（2） 通過牽引程序設(shè)計(jì)研究，石墨模具的使用壽命由原來的48.21h延長(zhǎng)至90h以上。鑄坯金相合格率由91.895%提升至94.95%。

（3） 創(chuàng)立銅管坯牽引程序編排計(jì)算方法，提高水平連鑄牽引程序設(shè)計(jì)效率，為牽引程序快速設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。