提高鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組產(chǎn)能的研究

唐 煒，張湧濤，趙 勇，謝洪春

(1.云南冶金昆明重工有限公司，云南 昆明 650203;2.云南浩鑫鋁箔有限公司，云南 昆明 650216)

0 前言

鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)鋁錠機(jī))在國(guó)內(nèi)鋁冶煉行業(yè)使用已有近30年左右的時(shí)間，隨著市場(chǎng)對(duì)鋁錠需求的不斷擴(kuò)大和技術(shù)的不斷進(jìn)步，國(guó)內(nèi)外鋁冶煉企業(yè)對(duì)鋁錠機(jī)的產(chǎn)能、成品質(zhì)量、自動(dòng)化程度、勞動(dòng)生產(chǎn)率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都提出了越來(lái)越高的要求。為了滿(mǎn)足市場(chǎng)需要，云南冶金昆明重工有限公司提出了《25 t/h鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化》開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，旨在提升一直沿用至今的16 t/h(鑄錠規(guī)格:20 kg)技術(shù)。對(duì)于具體的用戶(hù)，如果其鑄錠規(guī)格達(dá)到25 kg，則相應(yīng)產(chǎn)能，理論上也可提升25%，達(dá)到31.25 t/h，從而接近國(guó)際先進(jìn)水平。

1 鑄錠機(jī)高效冷卻技術(shù)

鑄錠機(jī)組的冷卻系統(tǒng)包括鑄造機(jī)冷卻水系統(tǒng)和冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)。

1.1 鑄造機(jī)冷卻水系統(tǒng)(圖1)

圖1 鑄造機(jī)冷卻水系統(tǒng)Fig.1 Cooling system of the casting machine

鋁液澆注進(jìn)鑄模并在鑄模中凝結(jié)成型。鋁液向鑄模及周邊傳導(dǎo)及輻射熱量，從而逐步冷凝成型，將溫度降低至150～350℃范圍。冷卻速度對(duì)鑄錠的結(jié)晶起著決定性作用，需要較好控制。由于新機(jī)組較傳統(tǒng)機(jī)組的產(chǎn)能提高了56.25%，相應(yīng)冷卻水用量也需要提升。在調(diào)整鑄造機(jī)速度和長(zhǎng)度基礎(chǔ)上，對(duì)冷卻水盤(pán)的截面形狀、系統(tǒng)供排水位置、尺寸、形狀等進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比，取得較好效果。

1.2 冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)

為保證后續(xù)操作時(shí)人員不被燙傷，及鑄錠堆垛打捆后，不會(huì)因?yàn)闇囟冗M(jìn)一步冷卻導(dǎo)致捆扎帶松弛，要求在打捆之前將鑄錠平均溫度降低到60℃以下。冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)鑄錠的降溫冷卻功能。

采用浸水冷卻時(shí)，在鑄錠表面和冷卻水接觸部位容易產(chǎn)生氣膜，阻礙熱交換的進(jìn)行，降低了冷卻效果。因此，如圖2所示，新鋁錠機(jī)冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)采用向鑄模表面噴射冷卻水的方式，以實(shí)現(xiàn)在較小的空間內(nèi)獲得較長(zhǎng)的冷卻時(shí)間，冷卻效果更好。為了在盡可能短的冷卻區(qū)域內(nèi)將鑄錠的溫度降低，鑄錠在冷卻機(jī)內(nèi)的輸送速度在不導(dǎo)致前后錠干涉的情況下，應(yīng)盡可能減慢。配合鑄錠單位時(shí)間芯部熱量向外部傳遞的情況，合理設(shè)置噴頭數(shù)量和水量，得到比較滿(mǎn)意的冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)。

圖2 冷運(yùn)機(jī)冷卻水系統(tǒng)Fig.2 Cooling system of the cooling conveyor

2 升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置

鑄錠從鋁液到單塊鑄錠，到堆垛成垛，到打捆的過(guò)程，需要在不同設(shè)備之間轉(zhuǎn)移。鑄錠機(jī)快速轉(zhuǎn)運(yùn)裝置是實(shí)現(xiàn)鑄錠在鑄造機(jī)和冷運(yùn)機(jī)之間轉(zhuǎn)移的裝置。其它機(jī)組之間的轉(zhuǎn)移主要是輸送鏈之間的對(duì)接轉(zhuǎn)移，隨著機(jī)組速度(或者說(shuō)能力)的提升，轉(zhuǎn)運(yùn)鑄錠的時(shí)間縮短。因此，需要可靠的鑄錠機(jī)快速轉(zhuǎn)運(yùn)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)鑄錠的快速轉(zhuǎn)運(yùn)，以提高鋁錠機(jī)組速度和產(chǎn)能。

改造前鑄錠機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置如圖3所示，為保證各機(jī)構(gòu)不相互干涉，上接臂需扶錠直到下接臂就位才能開(kāi)始復(fù)位;上接臂復(fù)位后，下接臂才能實(shí)施下行動(dòng)作;下接臂將鑄錠交接在冷運(yùn)機(jī)輸送鏈上后，需要繼續(xù)下行以便完全脫離鑄錠，此時(shí)，冷運(yùn)機(jī)才能動(dòng)作;直到冷運(yùn)機(jī)步進(jìn)結(jié)束，鑄錠完全移開(kāi)后，下接臂才可以上行復(fù)位。改造前鑄錠機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置由多個(gè)各自獨(dú)立的機(jī)構(gòu)組成，機(jī)構(gòu)多，可靠性降低;獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及響應(yīng)滯后等，不適合用于高速大產(chǎn)能鋁錠機(jī)組。新型升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置調(diào)整環(huán)節(jié)少，能快速完成鑄錠的轉(zhuǎn)運(yùn);當(dāng)連續(xù)接收裝置以及后續(xù)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，鑄錠可以從接收裝置處排出鑄錠機(jī)，而不影響鑄造機(jī)的澆鑄作業(yè)。

圖3 改造前接錠裝置Fig.3 Old receiving device

2.1 升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置的機(jī)構(gòu)組成

如圖4所示，升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置主要包括接錠板、升降和水平兩條輸送鏈及對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置。采用單一動(dòng)力的連續(xù)升降鑄錠接收轉(zhuǎn)移裝置，避免因多機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)產(chǎn)生的控制及可靠性問(wèn)題。在特定機(jī)構(gòu)的作用下，接錠板和升降輸送鏈繞各自軸線(xiàn)作轉(zhuǎn)動(dòng)。而兩條輸送鏈分別在各自動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)下作輸送作業(yè)。

圖4 升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置Fig.4 Lifting chain continuous receiving device

2.2 升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置工作過(guò)程

在升降氣缸作用下，接錠板和升降鏈反向旋轉(zhuǎn)，交替完成鑄錠轉(zhuǎn)移，接收與排出如圖5所示。

圖5 升降鏈?zhǔn)竭B續(xù)接收裝置工作過(guò)程Fig.5 Working process of the lifting chain continuous receiving device

在升降氣缸達(dá)到最大行程時(shí)，接錠板處于接錠位置，完全脫離升降鏈的影響，鑄錠可以方便地轉(zhuǎn)移到接錠板。而在接錠板低端，由于升降輸送鏈自左向右運(yùn)動(dòng)，鑄錠被限制在接錠板前端區(qū)域。

隨氣缸的收縮，接錠板和升降鏈對(duì)應(yīng)分別作順時(shí)針和逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在氣缸收縮約50%時(shí)，接錠板轉(zhuǎn)到升降鏈下工作面以下，鑄錠位于升降輸送鏈之上，完成鑄錠轉(zhuǎn)移。

氣缸繼續(xù)收縮，在氣缸收縮約78.5%時(shí)，升降輸送鏈工作面轉(zhuǎn)到水平輸送鏈工作面以下，鑄錠位于水平輸送鏈之上，鑄錠轉(zhuǎn)移到機(jī)組輸送系統(tǒng)，完成鑄錠接收。氣缸繼續(xù)收縮，到達(dá)極限位置后立刻換向伸出，接錠板和升降鏈反向運(yùn)動(dòng)，復(fù)位到接收位置。在復(fù)位過(guò)程中，前面接收的鑄錠繼續(xù)在水平或者升降輸送鏈作用下向后輸送。只要升降復(fù)位足夠及時(shí)，兩條輸送鏈對(duì)接收鑄錠的轉(zhuǎn)移足夠快，接收作業(yè)就可以連續(xù)可靠地進(jìn)行。

如果因?yàn)槟撤N原因，需要將鑄錠從鑄造機(jī)端部直接排出，則切換成排出模式即可。此時(shí)將升降氣缸保持在全伸狀況，接錠板維持接錠狀態(tài)，如圖5b所示;同時(shí)，升降輸送鏈反向運(yùn)轉(zhuǎn)，形成排錠模式。當(dāng)鑄錠滑向接錠錠板低端時(shí)，在升降輸送鏈的作用下鑄錠被向外拽出，經(jīng)過(guò)導(dǎo)板滑向地面。

3 快速翻錠裝置

如圖6所示，快速翻錠裝置主要包括輸送鏈、翻轉(zhuǎn)器、中心擋輪等部分。翻轉(zhuǎn)器與中心擋輪共同作用時(shí)，鑄錠在輸送鏈上方完成翻轉(zhuǎn)且不與之產(chǎn)生干涉，到達(dá)翻轉(zhuǎn)器另一側(cè);翻轉(zhuǎn)器靜止不動(dòng)、中心擋輪處于輸送鏈下時(shí)，鑄錠隨輸送鏈從翻轉(zhuǎn)器鉗口穿過(guò)，原樣到達(dá)翻轉(zhuǎn)器另一側(cè)。

采用鑄錠在翻轉(zhuǎn)器中偏心翻轉(zhuǎn)的方案，雖然翻轉(zhuǎn)功耗大增，卻可避免中心翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致的輸送鏈與鑄錠干涉問(wèn)題，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)。翻轉(zhuǎn)器驅(qū)動(dòng)為兩側(cè)翻轉(zhuǎn)單元分別用伺服單元驅(qū)動(dòng);翻轉(zhuǎn)控制器翻轉(zhuǎn)角度(位置)控制完全由電氣控制實(shí)現(xiàn)。去除了原1∶2的輪邊減速裝置，大大簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

圖6 快速翻錠裝置Fig.6 Rapid ingot device

4 鑄錠機(jī)高速堆碼裝置

當(dāng)今高速大產(chǎn)能鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組，其標(biāo)定的生產(chǎn)能力一般在28 t/h(20 kg錠)。即生產(chǎn)單塊鋁錠的平均時(shí)間約2.5 s左右，堆碼裝置最小堆垛周期約為10 s，包括取錠、運(yùn)動(dòng)到放錠位置、放錠、復(fù)位待取等。鑄錠采用層取層放的堆碼方式，載荷質(zhì)量約為150 kg(按5塊錠，滿(mǎn)足25 kg錠型，并考慮一定裕量)，因考慮夾具及附屬裝置重量，機(jī)械手選用250～300 kg的比較合適。由于夾具所占負(fù)載影響較大，夾具盡量輕量化。

在整個(gè)堆碼環(huán)節(jié)，取錠位置是固定的，放錠位置是變化的，一則是因?qū)訑?shù)的變化而使高度變化，更重要的是因錠厚的偏差使得堆垛高度不確定。因此，必須設(shè)法解決堆垛高度(或位置)檢測(cè)的問(wèn)題。

該鑄錠機(jī)方堆垛高度(或位置)檢測(cè)是通過(guò)安裝在夾具內(nèi)側(cè)中部的探測(cè)氣缸結(jié)合機(jī)械手的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，堆碼夾具如圖7所示。

圖7 堆碼夾具Fig.7 Stacking fixture

5 鑄錠機(jī)控制系統(tǒng)

鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組的自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由CPU315-2DP型PLC、ACS550變頻器、安川∑―Ⅱ系列SGDH伺服系統(tǒng)、MP227型人機(jī)界面以及先進(jìn)的檢測(cè)設(shè)備組成，通過(guò)PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)構(gòu)成分布式控制系統(tǒng)。

其硬件組態(tài)如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)硬件組態(tài)Fig.8 Hardware configuration of the electrical control system

5.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的PLC以西門(mén)子CPU315-2DP作為主站，128 kb工業(yè)存儲(chǔ)器，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括鑄機(jī)變頻器、整列機(jī)變頻器、冷運(yùn)機(jī)變頻器和錠翻轉(zhuǎn)伺服控制器，夾具小車(chē)平移伺服控制器、夾具升降伺服控制器及機(jī)架上各遠(yuǎn)程I/O子站、監(jiān)控用的觸摸屏HMI(MP227)均通過(guò)PROFIBUS-DP總線(xiàn)進(jìn)行通信;其中變頻器為ABB的ACS550系列。伺服控制器為安川∑―Ⅱ系列SGDH伺服系統(tǒng)。使用MP227MHI單元完成對(duì)鑄造機(jī)運(yùn)行狀態(tài)就地監(jiān)控。

5.2 通訊和軟件

鋁錠連續(xù)鑄造機(jī)組控制系統(tǒng)基于PROFIBUSDP總線(xiàn)通信。ISO/OSI通信標(biāo)準(zhǔn)模型由七層組成，并分成兩類(lèi)。一類(lèi)面向用戶(hù)的第五層到第七層，另一類(lèi)是面向網(wǎng)絡(luò)的第一層到第四層。第一層到第四層描述數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方，第五層到第七層給用戶(hù)提供適當(dāng)?shù)姆绞饺ピL(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。PROFIBUS協(xié)議采用ISO/OSI模型的第一層、第二層和第七層。且在分為三種通信協(xié)議類(lèi)型的PROFIBUS-DP/FMS/PA中;PROFIBUS-DP使用了第一層和第二層，這種精簡(jiǎn)的結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)的高速傳送，特別適合可編程控制器與現(xiàn)場(chǎng)分散的I/O設(shè)備之間的通信。PROFIBUS總線(xiàn)的傳輸速率為9.6 kb/s～12 Mb/s，在早期有些設(shè)備只支持到1.5 Mb/s，現(xiàn)在大多設(shè)備都能達(dá)到12Mb/s，總線(xiàn)長(zhǎng)度與傳輸速率相關(guān)，基于傳輸速率的最大長(zhǎng)度見(jiàn)表1。

表1 總線(xiàn)長(zhǎng)度與傳輸入速率的關(guān)系Tab.1 Relationship between bus length and transmission rate

而本機(jī)組的總線(xiàn)長(zhǎng)度經(jīng)過(guò)優(yōu)化后都小于100 m，所以本機(jī)中PROFIBUS通信速率都不低于3 Mb/s;本機(jī)控制系統(tǒng)所采用PLC本體帶有一個(gè)MPI通信接口和一個(gè)PROFIBUS-DP通信接口。其中MPI接口用于編程，而PROFIBUS-DP接口通過(guò)DP通信電纜與ACS550變頻器的PROFIBUS-DP通訊模塊RPBA-01連接，同時(shí)連接的還有伺服控制器的PROFIBUS-DP通訊模塊JUSPNS500E。除此之外，在鑄機(jī)、堆垛機(jī)和整列機(jī)及電控柜等位置設(shè)置4個(gè)ET200M的遠(yuǎn)程子站，通過(guò)總線(xiàn)連接為通信系統(tǒng)。把I/O通道分散到實(shí)際需要的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備附近，從而使整個(gè)系統(tǒng)的工程費(fèi)用、裝配費(fèi)用、硬件成本、設(shè)備調(diào)試和維護(hù)成本減少到最少。

由于PROFIBUS作為標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，具有“開(kāi)放”的通信接口、“透明”的通信協(xié)議，允許用戶(hù)使用不同制造商生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。所以只需在PLC的編程軟件SIMATIC Manager中添加ABB變頻器和安川伺服控制器的設(shè)備數(shù)據(jù)文件(GSD文件)后，總線(xiàn)上的所有設(shè)備硬件組態(tài)及通訊配置都可以由這一個(gè)軟件來(lái)完成。人機(jī)界面的畫(huà)面制作和通訊設(shè)置用SIMATIC WinCC flexible 2007軟件實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)PLC與子站和人機(jī)界面的信息傳遞。

5.3 控制系統(tǒng)功能

(1)手動(dòng)控制和聯(lián)機(jī)運(yùn)行控制?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)確保安全啟動(dòng)、停止、暫停、緊急停車(chē)，可靠控制和監(jiān)測(cè)生產(chǎn)流程;在正常生產(chǎn)過(guò)程中，鋁液從船形溜槽流出通過(guò)分配器澆鑄到鑄機(jī)鑄模內(nèi)開(kāi)始，經(jīng)過(guò)打印鋁錠生產(chǎn)日期及批次至脫模后送上冷運(yùn)機(jī)，經(jīng)冷卻后進(jìn)入整列機(jī)。在整列機(jī)上經(jīng)過(guò)扶正、對(duì)中、根據(jù)堆垛要求翻轉(zhuǎn)相應(yīng)的鋁錠。直至每垛鋁錠堆垛完成這一系列動(dòng)作都是自動(dòng)完成。每一垛堆垛完成后，成品機(jī)自動(dòng)行走一個(gè)垛位的距離。堆垛機(jī)從第一層開(kāi)始下一堆錠的堆碼。

(2)其他功能。本機(jī)組的控制系統(tǒng)還具有數(shù)據(jù)檢測(cè)、收集、校準(zhǔn)、報(bào)警、流程控制和信息采集等功能:MP227型人機(jī)界面，可視化程度高，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控鑄造機(jī)的速度、堆碼鋁錠的層數(shù)和塊數(shù)。還能記錄(歸檔)功能順序過(guò)程值和故障報(bào)警信息，可以檢索生產(chǎn)數(shù)據(jù)，了解分析故障情況?？梢杂涗浗y(tǒng)計(jì)鋁錠機(jī)的啟動(dòng)、停止時(shí)間，鋁錠單位時(shí)間產(chǎn)量和總產(chǎn)量等，方便管理人員實(shí)時(shí)了解生產(chǎn)情況。

6 總結(jié)

新鋁錠機(jī)在某鋁廠(chǎng)投入生產(chǎn)以后，生產(chǎn)效率有很大提高，產(chǎn)量由16 t/h提高到18 t/h;整機(jī)的裝機(jī)功率由原來(lái)的45.5 kW降至現(xiàn)在的20.5 kW，冷卻效果好，脫模順利，整列堆垛流暢。能耗指標(biāo)較之前大為下降，制造成本也有所降低，機(jī)組更加環(huán)保。

［1］崔堅(jiān)，李佳.西門(mén)子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［N］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.