鋁合金熔鑄生產工藝的自動化技術發展現狀與方法淺析

趙 淵

(中色科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

自動化是指機器設備、系統或過程(生產、管理過程)在沒有人或較少人的直接參與下，按照人的要求，經過自動檢測、信息處理、分析判斷、操縱控制，實現預期目標的過程。采用自動化技術不僅可以把人從繁重的體力勞動、部分腦力勞動以及惡劣、危險的工作環境中解放出來，而且能擴展人的器官功能，極大地提高勞動生產率，增強人類認識世界和改造世界的能力。因此，自動化是工業、農業、國防和科學技術現代化的重要條件和顯著標志。自動化本身也是一種自我發展的狀態，從代替某一項體力勞動直到代替所有勞動。美國在后工業時代最早提出自動化生產設備的設想。當前，國內已經開始從勞動密集型向生產機械化自動化轉變，也正是因為國內企業感受到人工成本對于整個工廠經濟運營的影響，自動化逐漸變成了當下急需發展的方向。

鋁合金熔鑄工藝的發展從建國初期到現在，歷經多年設備的更新變化以及工藝技術的優化提升，從簡單的澆注成型模式發展到如今的大規模機械化鑄造生產，從產能較小、用工規模龐大、工作強度高、廠房占地較分散等特點，逐步發展為高產能、工人數量少，生產操作機械化、設備布局集約化的狀態。電子科技作為新興的技術產業，促進著工業化向更高層次發展，電子技術與機械設備的融合，加速了熔鑄工藝設備步入自動化生產的進程。

鋁合金熔鑄生產工藝的自動化發展一直依賴于設備的自動化或機械化程度，如熔化設備的熔化系統自動化控制燒嘴點火、爐溫控制、燃料調整、設備液壓傾動、爐門機械提升等功能，加料設備的機械鋁液包傾倒功能、攪拌設備的電磁爐外攪拌功能、鑄造設備的自動半連續鑄造系統、鋸切設備的自動上料下料定尺鋸切與打包功能等。這些設備都在提升熔鑄工藝的自動化水平，可以使整個熔鑄工藝生產過程需要更少的人員，降低工作強度(只需面對操作臺或者屏幕進行觀察和相應控制操作)。同時，擁有更多的配套功能和電子信息技術，工人對于信息的處理也更加精確與方便，如爐溫、爐壓、鑄造水溫、水量監控、鑄造速度控制、動力耗量(能源管理)等都能更加準確無誤的統計。

由此可見，從熔煉設備上來說，現階段已經擁有很多自動化的成果，并持續在優化與更新。如普鋁錠或合金錠的連續鑄造工藝設備、鋁桿線材的連鑄連軋設備、鋁卷材的連續鑄軋設備生產等基本實現熔煉結束后工序的自動化鑄造生產，鋁輪轂低壓鑄造和鍛造輪轂生產線實現鑄造結束后機加工段的流水線自動化生產。但是，對鋁合金半連續鑄造的工藝生產而言，在自動化生產線的模式上要稍遜其他，關鍵問題在于加料過程和鑄錠起吊擺放過程。未來應著眼于提高鋁合金熔鑄生產車間整體流程的自動化程度，從而解決生產中仍沒有實現或沒有投入自動化的關鍵點，以解決這些問題使生產更加高效與智能。

1 鋁合金熔鑄生產工藝自動化的目標

鋁合金熔鑄生產作為工業化生產工藝的一類，也應當遵循自動化的基本要求，又由于鋁合金熔鑄生產的特點，具體分為以下3個階段目標。

(1)生產連續化。實現生產連續化即是要求生產線整體節拍流暢，可以減少設備待料時間，提高原材料的利用率，減少不必要的重復操作，實現單方向物流，最大限度發揮產能，提高廠房空間的利用率，連續化的生產可以判斷一個車間總體生產負荷率，可以幫助管理者對車間內所有可見實體進行利用率高低的判斷，不只將關注點放在單體設備上，從而更快地找到車間的生產瓶頸，激發一個車間的整體活力。

(2)生產工藝智能化。實現智能化，可以減少人員的腦力勞動，將生產中一些需要人為規劃或者人力思考的工作，由計算機來實現，如物料選擇性流向、設備工作參數自行調整、設備問題自檢、在制品生產問題自動整理和自動糾偏等，設備數據信息與狀態實時顯示，由系統設備來自我判斷操作行為，可以避免人為工作失誤或強度過大而造成的減產和停產。

(3)無人化智能車間。無人化是實現智能化后可以實現的下一階段。能夠最大限度減少人工成本和人員傷亡事故并將生產力徹底解放，人員可以更多投入到研發和技術改進上，形成人負責思考、機械負責完成的模式，是自動化模式下最理想狀態。

2 解決鋁合金熔鑄工藝關鍵問題的思路與方法

因為鋁加工半連續鑄造工藝的自動化難點問題突出，本文主要分析該工藝自動化的兩個關鍵問題，即加料過程和鑄錠起吊擺放過程。

2.1 加料過程

鋁合金熔鑄生產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傾翻臺包車，可實現機械傾倒加料，比較方便。重熔鋁錠或其他形式的廢料選用叉車或機械裝料車進行加料，不僅加料速度慢，次數多，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，而圓形爐的造價和爐體結構也很復雜。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應一個鑄造機。因此，如何通過自動化提高加料速度成為一個關鍵。

加料速度緩慢的主要原因多為生產中投入了過多的廢料，廢料形狀各異，不易管理。而對待廢料，現在工廠基本上沒有系統的處理方法，習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間，但是基本上只是個存料庫。

對待需處理的廢料建議采用機加工流水線的模式，在廢料處理前增加成分檢測分類的工序，設定最方便入爐的形狀，選用機械傳輸工具將破碎、擠壓、彎扭、切斷工序或設備形成關聯的線性布置，對不規則的廢料進行變形處理，使之形狀規整，再進行壓塊打包，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的料斗，隨時儲備等待入爐。目前尚沒有應用實例。

2.2 鑄錠起吊擺放過程

立式半連續鑄造機的最大特點是鑄造完成后，需要對鑄錠進行吊運。扁錠笨重、尺寸大，即便配有專用吊具，也需要經過天車緩慢調整，才能放倒與平移，圓錠尺寸小，但是數量多，一次起吊需要調運一排(5～7根以上)，起吊也需要緩慢放倒，這對天車工來說，是一個復雜和冗長的操作過程。因為沒有鑄錠專用的起吊機械，主要依賴天車工進行人工控制，不但一次起吊量有限，而且每臺天車動作需要較長時間(從幾分鐘到幾十分鐘)，降低了鑄造機的使用效率，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械化的方式完成吊錠與倒放及軌道運輸，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，按照設定機械臂走向，直接將鑄錠吊放在水平運輸輥道上進入下一步工序，或在輥道上等待一定時間進行冷卻，如此省去人工操作天車起吊鑄錠，省去車間內鑄錠調整與堆疊的空間，從而減小車間需要的面積，后續鋸切、均熱設備又可配備鑄錠堆疊運輸設備，基本可以將半連續鑄造變為機械化的自動鑄造線。鑄造起吊工具當前尚無應用實例，但后續的鋸切堆疊機和運輸機械已經有所應用。

3 鋁合金熔鑄自動化工藝發展的影響因素

經濟效益是技術進步的原動力，也為技術發展提供堅實的資源支持，兩者相輔相成。自動化根本目的是為了服務于人，能否得到足夠的資金支持，需以自動化后的生產效益能否得到提高來判斷。選擇自動化模式較高的生產方式與選擇沿用已有的生產方法之間的效益測算對比，成了影響自動化的一個關鍵因素，如果自動化的投入使原有綜合成本提高一倍以上，則基本很難形成競爭力。

產品的特性對于自動化也有影響，一般決定了自動化的難易程度，材料規格自重輕、體積小、產品單一、加工流程簡易，自動化設備投入的越早，流程越完善。對于一些體積大、 笨重、形狀怪異、 產品多樣、 上下游關系不緊密的產品，雖然單個生產工序可以實現自動化，但是整個生產過程仍有需要采用人工操作的地方，無法得到更有效地替換。這點也可以說明仍有機械化可提升的空間。

工藝裝備制造與研發的能力，也是自動化發展的一個重要因素，在設備應用實踐經驗和裝備生產上，發達國家在裝備自動化上投入的時間和精力都要多于發展中國家，整體發展程度較為領先，當前很多大型自動化設備仍需要引進。

4 總結與展望

綜上所述，自動化發展的概念不斷被強化，一方面主要源于解決當代經濟與效益、產能與人力之間矛盾的迫切需要，特別是發達國家，人工成本急劇上升，工作時長和用工人數都受到限制。另一面方面源于勞動力解放與發展的需要，擁有了高自動化程度的生產工藝技術，對于提高設備運行效率，產品產量與質量更好更穩定都有巨大幫助，也為產品創新提供了優質平臺。

當前，鋁合金熔鑄工藝生產自動化正在不斷發展，對于自動化技術的應用，也在朝著以前沒有應用過的工序突破，自動堆疊技術、自動運輸技術等降低人員操作強度和減少人員傷亡事故的方法，逐漸開始嶄露頭角，而一些正在設想中的自動化模式也會成為現實，為最終實現智能化和無人化提供堅實基礎，為能夠解決生產中遇到的問題而努力，從而發揮自動化生產真正的魅力。