18模雙圓盤澆鑄曲線的研究與實現

劉志勇

（謙比希銅冶煉有限公司，贊比亞）

在銅的冶煉過程中，圓盤澆鑄機將熔融銅液澆鑄成重量和規格一致的陽極板。在此生產工藝中主要核心技術就是陽極板的澆鑄曲線控制與圓盤的驅動控制，只有掌握了這方面的控制技術才能真正實現圓盤定量澆鑄[1]。本文簡要闡述了18模雙圓盤澆鑄的工藝流程與系統組成，并對圓盤澆鑄曲線與圓盤控制定位做了研究與控制實現，通過運用統計學模糊控制的方式，對收包點的控制進行了改進與優化。

1 圓盤澆鑄過程與系統組成

1.1 工藝過程

圓盤澆鑄系統在銅冶煉工藝中的主要作用，是將陽極爐熔融銅液澆鑄成重量規格一致的陽極板，然后送電解車間電解。由于陽極板的產品質量直接影響電解銅的質量，所以澆鑄控制顯得非常重要。因熔融銅液的澆鑄是在高溫下進行，要求動態檢測并控制重量信號，因而對控制系統要求較高[2]。其過程如下：熔融銅液自陽極爐流至中間包再至澆鑄包，澆鑄包置于稱重機構上。中間包傾倒時銅液注入澆鑄包，當達到預設定銅液量后，中間包便停止傾倒返回靜止位，同時澆鑄包中的重量存入控制器中。在圓盤處于澆鑄位時，澆鑄包按預設定的程序傾倒銅液至澆鑄模中，銅水流速在開始和結束時均低。澆鑄過程中的銅液減量達到設定的陽極板重量時，澆鑄包便返回至靜止位，澆鑄過程結束。澆鑄完成的陽極板通過噴淋水進行逐步降溫冷卻，假如判定為不合格陽極板通過廢板機撈出。合格的陽極板通過撈板機撈入水槽進行急速降溫，成束后通過叉車取出至堆銅場地。

1.2 控制系統組成

1.2.1 上位機監控平臺

Rockwell公司的RSView32提供了強大的數據監控能力，能夠實現與AB PLC之間的無縫結合應用，故上位機監控平臺采用了RSView32軟件來實現。為了更方便操作人員對生產控制的快速響應，人機界面的操作方式采用了觸摸屏來實現。

1.2.2 可編程控制器

控制系統采用Rockwell的ControLogix5000PLC作為控制核心，從而來對整個澆鑄系統進行檢測控制。該控制器可以對各數字量與模擬量輸入輸出進行處理運算，并為實現澆鑄曲線與圓盤平穩啟停控制提供編程控制平臺，使圓盤澆鑄控制系統的準確性和穩定性大大提高。

1.2.3 澆鑄稱系統

澆鑄稱引進了奧圖泰定量澆鑄稱，反饋信號為3T對應0～30mA。系統通過信號放大板對稱重信號進行放大處理，轉化為0～10V電壓信號接入PLC控制器內。

1.2.4 圓盤驅動系統

圓盤驅動分為圓盤中心驅動與圓盤外緣驅動方式[3]。中心驅動效果最佳，一般采用兩臺伺服電機進行實現，一臺作為圓盤的驅動動力，另一臺來實現圓盤的定位與停止。但此驅動方式投入資金與成本過高，國內一般不選用此類控制方式。外緣驅動一般采用三相交流異步電機，通過變頻控制來實現圓盤的啟動與停止，通過對圓盤的控制曲線優化能滿足工藝需求。

2 圓盤定量澆鑄曲線的原理與實現

2.1 澆鑄曲線的目的

澆鑄曲線的目的是在保證澆鑄重量及效率的前提下，防止澆鑄出的陽極板產生飛邊與毛刺。同時，在澆鑄過程中，會出現澆鑄包在運動時產生的重力加速度﹑銅水溫度的變化﹑黏度的變化﹑澆鑄包中銅液重量的變化﹑包襯里銅液形態的變化等不可避免的干擾因素，也需要通過澆鑄曲線來進行修正控制[4]。

表1 澆鑄電壓曲線數學模型公式表

2.2 澆鑄曲線原理

整個澆鑄過程是一個動態稱量過程。定量澆鑄曲線與澆鑄秤稱重傳感信號配合，通過澆鑄數學模型對采集的澆鑄秤稱重信號進行分析。經PLC程序計算構建澆鑄控制曲線后，對澆鑄秤各階段動作輸出適應各階段銅液流量的電壓來控制澆鑄包液壓缸比例電磁閥的精確動作。

2.3 澆鑄曲線公式及曲線段電壓、速度設置

2.3.1 澆鑄曲線段劃分

澆鑄曲線主要分為6段：啟動段﹑等待出銅段﹑加速段﹑勻速段﹑減速段﹑收包段。

（1）V1是加速段的起始電壓，它是指上一個澆鑄周期自調節后的電壓；

（2）V2是加速段的結束電壓，它是指上一個澆鑄周期自調節后的電壓；

（3）K2是調節系數，它根據上個澆鑄周期中的勻速段實際速度﹑實際輸出電壓綜合計算后得出，并在本次澆鑄過程中保持為一個固定值。

2.3.2 曲線段電壓設置與功能

下圖為澆鑄曲線各曲線段對應的參數設置畫面，輸出電壓分別有：啟動電壓﹑出銅電壓﹑加速電壓﹑勻速電壓﹑減速電壓。

（1）啟動電壓：使澆鑄包快速啟動，以提高澆鑄效率，并消除銅水晃動對重量檢測的干擾。

（2）等待出銅電壓：當澆鑄包快速啟動一段時間后（1秒）到銅水未流出這段時間里，系統給定到比例閥的電壓，該電壓使澆鑄包平穩啟動。

（3）加速電壓：當系統檢測到有銅水流出時（即澆鑄包內銅水量開始減少），系統控制比例閥的輸出電壓使澆鑄包內銅水快速傾倒至銅模。

（4）勻速電壓：當澆鑄包內流出的銅水重量達到一定值時，系統輸出一個較小的恒定電壓給比例閥，保證澆鑄過程的平穩進行。

圖1 澆鑄曲線各曲線段對應的參數設置畫面

（5）減速電壓：澆鑄后期，為保證澆鑄速度及維持澆鑄曲線的形狀，系統依據銅水重量在一個小電壓范圍內對比例閥進行調節，以使澆鑄包收包后因慣性流出去的銅水盡量少。

2.3.3 下圖為澆鑄速度曲線設置

圖2 澆鑄速度曲線設置

澆鑄電壓曲線設置是為保證陽極板重量和外觀物理質量，澆鑄速度曲線設置是為保證澆鑄效率，避免大量冷銅粘結，且提高整個澆鑄流程的效率。

2.4 收包點重量的檢測與計算

在澆鑄過程中，對收包點的重量的檢測即對余銅量的判斷，也是影響澆鑄的陽極板合格率的一個重要因素[5]。對于特定澆鑄曲線，其余銅量可用下式表示：

式中，⊿T—澆鑄包收包時的余銅量；K﹑⊿n—調節系數；Tback—收包時間值，S—收包前澆鑄速度，減速段結束后的瞬時值。

由上式（2-4-1）可知，系統根據預設的在某一澆鑄速度時系統所產生的澆鑄誤差，由檢測到的本次澆鑄過程中變化的澆鑄速度，計算出提前收包時間值，又根據該值及澆鑄速度計算出收包后的余銅量。所以，系統對收包點的捕捉與確認過程采用的是跟隨當前澆鑄速度和澆鑄重量的變化而變化的隨動控制方式。最終，收包點的銅水重量可由下式計算得出：

式中，G_Back—收包點銅水重量；Set_Cu—設定的陽極板重量；K1—系統參數（微調量）。

因慣性流出去的銅水量的計算方式為：銅水質量（kg）=銅水流速v（kg/s）＊時間t（s）。式中，銅水流速v可以檢測得出，流出時間t需要進行修正，修正方式為：開始時賦值一個初始值給t，然后根據以后銅水流速下產生的誤差重新修正流出時間t。

2.5 收包點重量控制的優化

運用上式（2-4-2）進行收包點控制時，在澆鑄過程中當相鄰兩次澆鑄的澆包內銅水量變化太大時，澆鑄會出現不準的情況。經過觀察，因為澆鑄大陽極板（397Kg），且澆鑄包內銅水的預澆鑄量會增大，故因慣性流出去的銅水量比澆鑄小陽極板的要多，就造成了收包點控制回歸時間過長。造成當出現銅液預澆鑄量變化大﹑預澆鑄銅液量過多和預澆鑄銅液過少等情況時，就出現陽極板重量波動過大從而增加廢板率。為了加大澆鑄曲線對預澆鑄銅液重量的適應適應范圍，并且澆鑄曲線能夠快速自動修正收包點，故增加了G_Back_revise的公式來優化收包點重量的判斷，即根據銅水量多少再來調節澆鑄包收包點。其理論依據是，銅水越多，收包時倒出的越多，通過運用統計學模糊控制的方式，對收包點的控制進行了改進與優化。

優化后收點公式為：

其中不同低速段流量調整系數﹑修正1調整后的修正值﹑不同澆鑄包內銅水重量的調整量等參數，都是通過運用統計學模糊控制的方式進行統計分析歸納出來的修正公式。

表2為最終不同銅水量收包點的調整銅水整理公式表。

表2 收包點優化調整銅水重量表

3 結束語

通過對18模雙圓盤澆鑄系統的進一步研究與優化后，圓盤系統在運行的穩定性與產品合格率上都有了大幅度的提升。特別是針對本公司澆鑄397Kg的大陽極板，由于預澆鑄銅水量變化造成的影響，陽極板重量廢板率高的因素得到了控制。現在澆鑄過程中可以實現第一塊陽極板澆鑄就切換至自動澆鑄，大大縮短了在澆鑄開始時與澆鑄過程中系統自動調整修正陽極板重量的時間。并且陽極板重量合格率由92.3%提升至98%以上，澆鑄能力由86.6t/h提升至95.28t/h，與優化前相比澆鑄產品合格率與穩定性得到很大提升。