18模雙圓盤澆鑄曲線的研究與實(shí)現(xiàn)

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(jī)將熔融銅液澆鑄成重量和規(guī)格一致的陽極板。在此生產(chǎn)工藝中主要核心技術(shù)就是陽極板的澆鑄曲線控制與圓盤的驅(qū)動(dòng)控制，只有掌握了這方面的控制技術(shù)才能真正實(shí)現(xiàn)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(tǒng)組成，并對(duì)圓盤澆鑄曲線與圓盤控制定位做了研究與控制實(shí)現(xiàn)，通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)模糊控制的方式，對(duì)收包點(diǎn)的控制進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。

1 圓盤澆鑄過程與系統(tǒng)組成

1.1 工藝過程

圓盤澆鑄系統(tǒng)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(guī)格一致的陽極板，然后送電解車間電解。由于陽極板的產(chǎn)品質(zhì)量直接影響電解銅的質(zhì)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(jìn)行，要求動(dòng)態(tài)檢測(cè)并控制重量信號(hào)，因而對(duì)控制系統(tǒng)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(jī)構(gòu)上。中間包傾倒時(shí)銅液注入澆鑄包，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)定銅液量后，中間包便停止傾倒返回靜止位，同時(shí)澆鑄包中的重量存入控制器中。在圓盤處于澆鑄位時(shí)，澆鑄包按預(yù)設(shè)定的程序傾倒銅液至澆鑄模中，銅水流速在開始和結(jié)束時(shí)均低。澆鑄過程中的銅液減量達(dá)到設(shè)定的陽極板重量時(shí)，澆鑄包便返回至靜止位，澆鑄過程結(jié)束。澆鑄完成的陽極板通過噴淋水進(jìn)行逐步降溫冷卻，假如判定為不合格陽極板通過廢板機(jī)撈出。合格的陽極板通過撈板機(jī)撈入水槽進(jìn)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(tǒng)組成

1.2.1 上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)

Rockwell公司的RSView32提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)監(jiān)控能力，能夠?qū)崿F(xiàn)與AB PLC之間的無縫結(jié)合應(yīng)用，故上位機(jī)監(jiān)控平臺(tái)采用了RSView32軟件來實(shí)現(xiàn)。為了更方便操作人員對(duì)生產(chǎn)控制的快速響應(yīng)，人機(jī)界面的操作方式采用了觸摸屏來實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 可編程控制器

控制系統(tǒng)采用Rockwell的ControLogix5000PLC作為控制核心，從而來對(duì)整個(gè)澆鑄系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)控制。該控制器可以對(duì)各數(shù)字量與模擬量輸入輸出進(jìn)行處理運(yùn)算，并為實(shí)現(xiàn)澆鑄曲線與圓盤平穩(wěn)啟?？刂铺峁┚幊炭刂破脚_(tái)，使圓盤澆鑄控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性大大提高。

1.2.3 澆鑄稱系統(tǒng)

澆鑄稱引進(jìn)了奧圖泰定量澆鑄稱，反饋信號(hào)為3T對(duì)應(yīng)0～30mA。系統(tǒng)通過信號(hào)放大板對(duì)稱重信號(hào)進(jìn)行放大處理，轉(zhuǎn)化為0～10V電壓信號(hào)接入PLC控制器內(nèi)。

1.2.4 圓盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圓盤驅(qū)動(dòng)分為圓盤中心驅(qū)動(dòng)與圓盤外緣驅(qū)動(dòng)方式[3]。中心驅(qū)動(dòng)效果最佳，一般采用兩臺(tái)伺服電機(jī)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，一臺(tái)作為圓盤的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，另一臺(tái)來實(shí)現(xiàn)圓盤的定位與停止。但此驅(qū)動(dòng)方式投入資金與成本過高，國內(nèi)一般不選用此類控制方式。外緣驅(qū)動(dòng)一般采用三相交流異步電機(jī)，通過變頻控制來實(shí)現(xiàn)圓盤的啟動(dòng)與停止，通過對(duì)圓盤的控制曲線優(yōu)化能滿足工藝需求。

2 圓盤定量澆鑄曲線的原理與實(shí)現(xiàn)

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?jié)茶T出的陽極板產(chǎn)生飛邊與毛刺。同時(shí)，在澆鑄過程中，會(huì)出現(xiàn)澆鑄包在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)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(tài)的變化等不可避免的干擾因素，也需要通過澆鑄曲線來進(jìn)行修正控制[4]。

表1 澆鑄電壓曲線數(shù)學(xué)模型公式表

2.2 澆鑄曲線原理

整個(gè)澆鑄過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)稱量過程。定量澆鑄曲線與澆鑄秤稱重傳感信號(hào)配合，通過澆鑄數(shù)學(xué)模型對(duì)采集的澆鑄秤稱重信號(hào)進(jìn)行分析。經(jīng)PLC程序計(jì)算構(gòu)建澆鑄控制曲線后，對(duì)澆鑄秤各階段動(dòng)作輸出適應(yīng)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(dòng)作。

2.3 澆鑄曲線公式及曲線段電壓、速度設(shè)置

2.3.1 澆鑄曲線段劃分

澆鑄曲線主要分為6段：啟動(dòng)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(gè)澆鑄周期自調(diào)節(jié)后的電壓；

（2）V2是加速段的結(jié)束電壓，它是指上一個(gè)澆鑄周期自調(diào)節(jié)后的電壓；

（3）K2是調(diào)節(jié)系數(shù)，它根據(jù)上個(gè)澆鑄周期中的勻速段實(shí)際速度﹑實(shí)際輸出電壓綜合計(jì)算后得出，并在本次澆鑄過程中保持為一個(gè)固定值。

2.3.2 曲線段電壓設(shè)置與功能

下圖為澆鑄曲線各曲線段對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)置畫面，輸出電壓分別有：啟動(dòng)電壓﹑出銅電壓﹑加速電壓﹑勻速電壓﹑減速電壓。

（1）啟動(dòng)電壓：使?jié)茶T包快速啟動(dòng)，以提高澆鑄效率，并消除銅水晃動(dòng)對(duì)重量檢測(cè)的干擾。

（2）等待出銅電壓：當(dāng)澆鑄包快速啟動(dòng)一段時(shí)間后（1秒）到銅水未流出這段時(shí)間里，系統(tǒng)給定到比例閥的電壓，該電壓使?jié)茶T包平穩(wěn)啟動(dòng)。

（3）加速電壓：當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有銅水流出時(shí)（即澆鑄包內(nèi)銅水量開始減少），系統(tǒng)控制比例閥的輸出電壓使?jié)茶T包內(nèi)銅水快速傾倒至銅模。

（4）勻速電壓：當(dāng)澆鑄包內(nèi)流出的銅水重量達(dá)到一定值時(shí)，系統(tǒng)輸出一個(gè)較小的恒定電壓給比例閥，保證澆鑄過程的平穩(wěn)進(jìn)行。

圖1 澆鑄曲線各曲線段對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)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(tǒng)依據(jù)銅水重量在一個(gè)小電壓范圍內(nèi)對(duì)比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使?jié)茶T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(shè)置

圖2 澆鑄速度曲線設(shè)置

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

2.4 收包點(diǎn)重量的檢測(cè)與計(jì)算

在澆鑄過程中，對(duì)收包點(diǎn)的重量的檢測(cè)即對(duì)余銅量的判斷，也是影響澆鑄的陽極板合格率的一個(gè)重要因素[5]。對(duì)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(shí)的余銅量；K﹑⊿n—調(diào)節(jié)系數(shù)；Tback—收包時(shí)間值，S—收包前澆鑄速度，減速段結(jié)束后的瞬時(shí)值。

由上式（2-4-1）可知，系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)的在某一澆鑄速度時(shí)系統(tǒng)所產(chǎn)生的澆鑄誤差，由檢測(cè)到的本次澆鑄過程中變化的澆鑄速度，計(jì)算出提前收包時(shí)間值，又根據(jù)該值及澆鑄速度計(jì)算出收包后的余銅量。所以，系統(tǒng)對(duì)收包點(diǎn)的捕捉與確認(rèn)過程采用的是跟隨當(dāng)前澆鑄速度和澆鑄重量的變化而變化的隨動(dòng)控制方式。最終，收包點(diǎn)的銅水重量可由下式計(jì)算得出：

式中，G_Back—收包點(diǎn)銅水重量；Set_Cu—設(shè)定的陽極板重量；K1—系統(tǒng)參數(shù)（微調(diào)量）。

因慣性流出去的銅水量的計(jì)算方式為：銅水質(zhì)量（kg）=銅水流速v（kg/s）＊時(shí)間t（s）。式中，銅水流速v可以檢測(cè)得出，流出時(shí)間t需要進(jìn)行修正，修正方式為：開始時(shí)賦值一個(gè)初始值給t，然后根據(jù)以后銅水流速下產(chǎn)生的誤差重新修正流出時(shí)間t。

2.5 收包點(diǎn)重量控制的優(yōu)化

運(yùn)用上式（2-4-2）進(jìn)行收包點(diǎn)控制時(shí)，在澆鑄過程中當(dāng)相鄰兩次澆鑄的澆包內(nèi)銅水量變化太大時(shí)，澆鑄會(huì)出現(xiàn)不準(zhǔn)的情況。經(jīng)過觀察，因?yàn)闈茶T大陽極板（397Kg），且澆鑄包內(nèi)銅水的預(yù)澆鑄量會(huì)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(diǎn)控制回歸時(shí)間過長。造成當(dāng)出現(xiàn)銅液預(yù)澆鑄量變化大﹑預(yù)澆鑄銅液量過多和預(yù)澆鑄銅液過少等情況時(shí)，就出現(xiàn)陽極板重量波動(dòng)過大從而增加廢板率。為了加大澆鑄曲線對(duì)預(yù)澆鑄銅液重量的適應(yīng)適應(yīng)范圍，并且澆鑄曲線能夠快速自動(dòng)修正收包點(diǎn)，故增加了G_Back_revise的公式來優(yōu)化收包點(diǎn)重量的判斷，即根據(jù)銅水量多少再來調(diào)節(jié)澆鑄包收包點(diǎn)。其理論依據(jù)是，銅水越多，收包時(shí)倒出的越多，通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)模糊控制的方式，對(duì)收包點(diǎn)的控制進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化。

優(yōu)化后收點(diǎn)公式為：

其中不同低速段流量調(diào)整系數(shù)﹑修正1調(diào)整后的修正值﹑不同澆鑄包內(nèi)銅水重量的調(diào)整量等參數(shù)，都是通過運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)模糊控制的方式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析歸納出來的修正公式。

表2為最終不同銅水量收包點(diǎn)的調(diào)整銅水整理公式表。

表2 收包點(diǎn)優(yōu)化調(diào)整銅水重量表

3 結(jié)束語

通過對(duì)18模雙圓盤澆鑄系統(tǒng)的進(jìn)一步研究與優(yōu)化后，圓盤系統(tǒng)在運(yùn)行的穩(wěn)定性與產(chǎn)品合格率上都有了大幅度的提升。特別是針對(duì)本公司澆鑄397Kg的大陽極板，由于預(yù)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(xiàn)在澆鑄過程中可以實(shí)現(xiàn)第一塊陽極板澆鑄就切換至自動(dòng)澆鑄，大大縮短了在澆鑄開始時(shí)與澆鑄過程中系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整修正陽極板重量的時(shí)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(yōu)化前相比澆鑄產(chǎn)品合格率與穩(wěn)定性得到很大提升。