陽極銅模壓鑄控制系統(tǒng)改造及應(yīng)用*

毛 慶，杜昱初，管桂生

(云南銅業(yè)股份有限公司西南銅業(yè)分公司，云南 昆明 650102）

銅陽極模是指用于陽極板生產(chǎn)的一種純銅鑄件，其作用是：從陽極爐流出的高溫銅液經(jīng)溜槽流入到銅模凹面內(nèi)，凝固冷卻成型為陽極板。陽極板脫模后，被輸送至電解車間進(jìn)行再次提純形成純度較高的電解銅。目前，陽極銅模采用壓鑄工藝生產(chǎn)，由設(shè)備特點(diǎn)所決定，生產(chǎn)工藝采用人工控制（如：中頻爐中銅液傾倒量控制、銅模小車運(yùn)行控制、上頂模冷卻水溫控制以及上頂模下壓和拔?？刂频龋?，存在較大的人為影響因素，導(dǎo)致銅模質(zhì)量不穩(wěn)定，成品率較低，在一定程度上導(dǎo)致陽極銅模生產(chǎn)成本偏高。為提高陽極銅模合格品率和產(chǎn)品質(zhì)量，針對銅模壓鑄生產(chǎn)的關(guān)鍵過程的控制系統(tǒng)實(shí)施改造，力爭以自動(dòng)控制方式替代人工控制，實(shí)現(xiàn)“一鍵操作”。

1 陽極銅模壓鑄設(shè)備及工藝

1.1 陽極銅模主要生產(chǎn)設(shè)備

除銅板剪切機(jī)外，陽極銅模壓鑄生產(chǎn)線還包括：中頻爐、溜槽、底模、壓鑄機(jī)及其他輔助系統(tǒng)，如圖1所示。壓鑄機(jī)主要由支架、電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、上模、底模、軌道及相關(guān)控制系統(tǒng)組成，上模、底模結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 陽極銅模壓鑄生產(chǎn)線Fig.1 Pressure casting production line of anode copper mould

圖2 壓鑄機(jī)上模、底模Fig.2 Upper and bottom mould of pressure casting machine

銅板剪切機(jī)的作用是將電解銅板剪切分解成小塊，以便小塊銅板能順利被放入爐中；中頻爐的作用是將小塊銅板熔化；溜槽的作用是將熔化的銅液導(dǎo)入到底模中；底模的作用是盛裝銅液；壓鑄機(jī)的作用是通過移動(dòng)上模，將底模內(nèi)的銅液壓鑄成陽極銅模。

1.2 陽極銅模主要生產(chǎn)工藝及控制方法

陽極銅模的生產(chǎn)工藝流程為：剪板機(jī)將電解銅板剪切為4小塊→小塊銅板通過滑板被加入到中頻爐內(nèi)→銅板在爐內(nèi)熔化→銅液通過溜槽流到底模內(nèi)→底模小車壓模位→壓鑄機(jī)壓鑄銅液成型→上模內(nèi)部通入冷卻水冷卻→冷卻成型后上模向上移動(dòng)拔?！撨吙颉跹b、運(yùn)輸銅模至冷卻區(qū)再次冷卻。底模由底板和邊框組成。

實(shí)現(xiàn)上模上下移動(dòng)的原理及控制方法：變頻器控制電機(jī)通過減速裝置、渦輪蝸桿起升裝置傳輸動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)上模的上下移動(dòng)?？刂品绞綖椋和ㄟ^啟停及正反轉(zhuǎn)開關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及啟停，實(shí)現(xiàn)對上模的控制。當(dāng)需要壓鑄銅模時(shí)，操作人員通過視覺反饋控制上模壓入銅液的深度[1]，當(dāng)目測上模下移到預(yù)定位置時(shí)，按停止按鈕，電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，上頂模停止下移；當(dāng)陽極銅模冷卻成型后，啟動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)上模拔模動(dòng)作。上模上下移動(dòng)的控制流程圖如圖3所示。

圖3 上?？刂屏鞒虉DFig.3 Control flow chart of upper mould

1.3 陽極銅模質(zhì)量要求及現(xiàn)狀分析

圖4為上模壓鑄銅液過程照片，從圖4中可以看出，上模壓入到銅液中。圖5為壓鑄銅液冷卻后形成了凹面，即為陽極銅液澆鑄用模具，陽極銅液澆鑄到凹面內(nèi)，冷卻后形成陽極板。

圖4 上模壓鑄銅液及冷卻過程Fig.4 Melting copper of upper pressure casting mould and its cooling process

圖5 壓鑄成型冷卻后的陽極銅模Fig.5 Anode copper mould after pressure casting formation and cooling

根據(jù)陽極銅液澆鑄工藝及陽極銅模壓鑄工藝的特點(diǎn)，對陽極銅模質(zhì)量要求提出了要求：①陽極銅模凹面深度為（75±5） mm；②凹面的左右兩邊尺寸必須保持對稱；③陽極銅模的重量誤差為±50 kg；④陽極銅模凹面不得有開裂現(xiàn)象。生產(chǎn)出的陽極銅模必須全部同時(shí)滿足4個(gè)要求，才能被判為合格。

采用壓鑄工藝生產(chǎn)陽極銅模，產(chǎn)生的不合格評率情況如表1所示，從表1中可以看出，近 3年中，部分陽極銅模達(dá)不到要求，產(chǎn)生的廢品率較高，平均值達(dá)15%，主要是由以下4個(gè)方面的控制不準(zhǔn)確所致。

表1 陽極銅模不合格率統(tǒng)計(jì)情況Tab.1 Statistics of unqualified product yield of anode copper mould

1.3.1 銅液澆鑄量控制

銅模壓鑄生產(chǎn)的第一道流程為：中頻爐內(nèi)的高溫銅液通過翻轉(zhuǎn)中頻爐將銅液澆入底模內(nèi)，操作人員根據(jù)目測底模內(nèi)銅液面情況控制澆鑄過程，人為影響因素較大，很容易出現(xiàn)澆鑄量過多或過少的現(xiàn)象。澆鑄量過少導(dǎo)致陽極模重量少于銅模要求的重量，澆鑄量過多導(dǎo)致陽極銅模重量超過規(guī)定重量。銅模重量偏差量達(dá)到±200 kg以內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足質(zhì)量要求。

1.3.2 銅模小車停靠位置控制

銅模小車的作用是將盛裝銅液的底模輸送至壓鑄位置進(jìn)行壓鑄，完成壓鑄后再將銅模輸送到澆鑄位置。底模的運(yùn)行全程采用手動(dòng)控制，這種控制方式存在一定的弊端：①小車?？课恢每刂戚^難控制，很容易出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致銅模凹面左右兩邊出現(xiàn)不對稱的現(xiàn)象；②在壓鑄過程中，由于小車沒有固定，會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，也會(huì)導(dǎo)致陽極銅模凹面左右兩邊出現(xiàn)不對稱的情況。

1.3.3 上頂模上下移動(dòng)位置控制

從上模下移的時(shí)間和距離來看，壓鑄速度較大，達(dá)到了7.5 mm/s，這就給操作人員造成了一定的控制難度[2]：①由于操作人員必須遠(yuǎn)離（5 m以上）銅液壓鑄點(diǎn)，以免被突然噴出的高溫銅液燙傷引起安全事故；②高溫銅液所產(chǎn)生的光線較為刺眼；③上模移動(dòng)速度較快，當(dāng)移動(dòng)到預(yù)定位置時(shí)，來不及反應(yīng)。由于這3個(gè)原因，使得上模下壓距離較難控制在預(yù)定位置，易出現(xiàn)下壓量過多或過少的情況，不合格品率較高。

1.3.4 上頂模冷卻水溫度控制

上頂模下壓到位后，需向其內(nèi)通入冷卻水，目的：①冷卻上頂模，防止溫度過高損壞頂模；②冷卻銅液，使其凝固成型。目前對于冷卻水溫度、上頂模溫度及凝固過程中銅模溫度沒有采取控制措施，從而導(dǎo)致凝固過程不受控，產(chǎn)生大量的鑄造應(yīng)力，很容易導(dǎo)致凹面表層出現(xiàn)開裂。

2 改造方法

從產(chǎn)生不合格品的原因分析來看，很有必要對上頂模的移動(dòng)控制、銅液倒入底模量的控制、底模小車的運(yùn)行控制及上頂冷卻水溫控制進(jìn)行自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)壓模全流程“一鍵操作”要求。

2.1 電控方案設(shè)計(jì)

根據(jù)工藝流程，將整個(gè)壓模流程劃分為3個(gè)電控階段：銅液傾倒計(jì)重→底模小車運(yùn)行→壓模流程→冷卻拔模，根據(jù)這3個(gè)電控階段的特點(diǎn)分別進(jìn)行電控方案的設(shè)計(jì)。

2.1.1 底模銅液稱重設(shè)計(jì)

由于銅液倒入底模中需測量倒入銅液質(zhì)量以確定銅模厚度滿足使用要求，底模又位于軌道小車上，直接測量小車質(zhì)量計(jì)算銅液質(zhì)量較為方便可靠?；诖怂悸罚捎贸墒炜煽康撵o態(tài)軌道衡對小車質(zhì)量進(jìn)行稱重的方案，通過計(jì)算小車停于軌道衡上增加的重量變相得出銅液的質(zhì)量來確認(rèn)銅模的重量是否滿足使用要求。軌道衡原理如圖6所示。

圖6 軌道衡原理Fig.6 Rail weighbridge principle

軌道衡與周圍物體無任何硬性連接，可準(zhǔn)確對小車進(jìn)行稱重。由于工藝所需銅模為大模（重3.2 t）和小模（重2.6 t）兩種尺寸，重量偏差為±50 kg即可滿足標(biāo)準(zhǔn)，再加上小車質(zhì)量（重3.5 t），選取額定載荷為10 t的靜態(tài)軌道衡即可滿足使用需求。

2.1.2 底模小車運(yùn)行設(shè)計(jì)

底模小車的平穩(wěn)運(yùn)行和壓模位的精確定位是小車運(yùn)行控制的核心關(guān)鍵點(diǎn)，是保證銅模定位尺寸的重要流程。小車原為使用變頻驅(qū)動(dòng)的雙向卷揚(yáng)機(jī)牽引軌道平車，采用人工手動(dòng)控制和機(jī)械阻擋方式進(jìn)行小車行走和定位。

在不改變驅(qū)動(dòng)方式的條件下進(jìn)行改造，自動(dòng)運(yùn)行過程中，變頻器使用“S”型曲線加減速方式，根據(jù)“S”型加減速的路程、速度、加速度曲線圖7可知，加速度的逐漸變化使小車受力逐漸變化，可保證小車運(yùn)行過程的平穩(wěn)[3]。小車增加減速限位和停止限位控制小車進(jìn)行粗定位，在小車4個(gè)邊角增加液壓錐型定位銷對小車進(jìn)行精確定位，如圖8所示，當(dāng)小車感應(yīng)到停車限位后減速停車，4液壓油缸驅(qū)動(dòng)錐形定位銷進(jìn)入小車4角定位孔，實(shí)現(xiàn)小車的準(zhǔn)確定位。

圖7 “S”型曲線加減速圖Fig.7 Diagram of acceleration and deceleration of "S" curve

圖8 錐形定位銷示意圖Fig.8 Schematic diagram of conical dowel pin

2.1.3 壓模驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

采取低成本改造方式，對上模驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造升級，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、速度調(diào)整、準(zhǔn)確定位的功能。上模由4極異步電機(jī)絲杠螺母機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，滿速運(yùn)行速度為7.5 mm/s，根據(jù)計(jì)算，電機(jī)旋轉(zhuǎn)1圈上模移動(dòng)0.31 mm的距離，工藝需求上模下壓深度誤差≤±1 mm范圍內(nèi)可完全滿足使用要求，去除機(jī)械間隙誤差，電機(jī)定位精度只需在±360°以內(nèi)可以達(dá)到所需定位精度。

電機(jī)原驅(qū)動(dòng)方式采用富士FRENIC-MEGA系列變頻器V/F控制對變頻電機(jī)進(jìn)行控制，該控制方式為開環(huán)控制，無位置控制功能，同時(shí)速度控制精度也較差[4]，難以滿足使用需求。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以標(biāo)準(zhǔn)2000線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360°/8000=0.045°，定位精度可在0.045°。目前使用場景下伺服電機(jī)的定位精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于所需標(biāo)準(zhǔn)，且改造成本較高，為降低成本，采用電機(jī)增加旋轉(zhuǎn)變壓器進(jìn)行位置反饋的變頻閉環(huán)控制[5]，定位精度可以達(dá)到≤360°的要求。

通過對變頻器增加PG卡：旋轉(zhuǎn)變壓器選件卡OPC-G1-RES，可以使變頻器采集電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器信號分析得到電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置和速度，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[6]。通過控制原理和接線圖可知，使用PLC向PG卡輸出和采集脈沖信號可以實(shí)現(xiàn)類似于伺服的位置控制模式，如圖9所示。通過PLC自帶的運(yùn)動(dòng)控制功能使用高速脈沖接口（PTO/PWM）對電機(jī)的速度和位置進(jìn)行控制。在電機(jī)尾部增加旋轉(zhuǎn)變壓器作為電機(jī)位置反饋元件，實(shí)現(xiàn)變頻器的閉環(huán)矢量控制，滿足電機(jī)控制精度需求，示意圖如圖10所示。

圖9 變頻器PG卡的控制方式Fig.9 Control method of PG card of frequency converter

圖10 系統(tǒng)控制原理Fig.10 The control principle of the system

由于系統(tǒng)需要電機(jī)在負(fù)載變化、頻繁加減速和正反轉(zhuǎn)的工況下進(jìn)行精確的速度和位置控制，要求控制系統(tǒng)具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確度高的特性，本系統(tǒng)采用帶速度傳感器的矢量控制[7]。變頻器使用旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置反饋元件，檢測電機(jī)的旋轉(zhuǎn)位置與速度，進(jìn)行速度控制，并將電機(jī)電流分解為勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，進(jìn)行各自的矢量控制。

2.1.4 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在壓鑄銅模過程中，盡量在表層產(chǎn)生較厚的細(xì)晶區(qū)，減緩冷卻速度減少內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生，對防止陽極銅模凹面開裂有積極作用[8]。所以，對上模內(nèi)部循環(huán)冷卻水的控制原則為：

1） 控制上模在壓鑄前的表面溫度在70℃以內(nèi)，利于細(xì)晶區(qū)的形成；

2） 冷卻過程中上模維持較高溫度，保持穩(wěn)定，減緩內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生；

3）精確檢測模溫，達(dá)到拔模溫度自動(dòng)拔模，多利用自然緩冷減少內(nèi)應(yīng)力。

根據(jù)以上控制原則，增加水溫檢測儀表、冷卻水流量計(jì)、水泵變頻控制流量、底模紅外測溫槍等元件和功能。壓鑄前對上模通過低流量冷卻水，通過檢測水溫計(jì)算上模溫度，將上頂模溫度控制在70℃以內(nèi)，壓鑄過程中通過檢測水溫控制水流量，將上模維持在較高的溫度，同時(shí)激光測溫儀檢測底模溫度計(jì)算銅模溫度，達(dá)到拔模溫度后自動(dòng)拔模。

2.2 控制流程

本次改造選用西門子S7-1200系列1217C PLC對各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，使用PLC的差分信號接口采集和控制壓模變頻器相關(guān)信號，模擬量通道控制小車和水泵變頻器，硬件架構(gòu)示意圖如圖11。

圖11 硬件架構(gòu)圖Fig.11 Structure chart of hardwares

2.2.1 稱重控制邏輯

銅液傾倒是由手動(dòng)液壓閥控制中頻翻轉(zhuǎn)通過溜槽流入底模中，改造系統(tǒng)無法對中頻爐進(jìn)行控制，控制方案仍然以人工傾倒，根據(jù)顯示重量進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)方式進(jìn)行控制，控制流程圖如圖12。

圖12 稱重控制邏輯Fig.12 Control logic of weighing

2.2.2 小車行走控制邏輯

設(shè)計(jì)小車按高、低雙速進(jìn)行行走，設(shè)立減速限位和停止限位，轉(zhuǎn)運(yùn)過程中以高速運(yùn)行到達(dá)減速位后降為低速逼近停止位，到達(dá)停止位后小車停止，4個(gè)液壓錐型定位銷伸出固定主小車進(jìn)行準(zhǔn)確定位。小車的加減速速度在PLC程序內(nèi)部設(shè)定為“S”型曲線，通過PLC完成整個(gè)小車的自動(dòng)運(yùn)行控制?？刂屏鞒虉D如圖13。

圖13 小車控制邏輯Fig.13 Control logic of trolley

2.2.3 壓鑄控制流程

整個(gè)壓鑄過程自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)下壓速度和位置，控制過程思路為：

1）當(dāng)盛裝高溫銅液的底模移動(dòng)到壓鑄位置時(shí)，操作人員啟動(dòng)壓鑄按鈕，上?？焖傧蛳乱苿?dòng)；

2）上模底面接近銅液距離約50 mm時(shí)停止，到達(dá)烘烤位，利用銅液溫度烘烤上模30 s，去除水汽并加熱上模；

3）烘烤時(shí)間到達(dá)后上模緩慢向下移動(dòng)，直到底面接觸到底模內(nèi)的銅液，到達(dá)接觸位，使銅液和上模間空氣排出；

4） 停頓3 s后，上模根據(jù)工藝設(shè)定的下壓速度和下壓位置運(yùn)行；

5）到達(dá)下壓終點(diǎn)后上模停止運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)檢測底模溫度和冷卻水溫度控制水流量對上模進(jìn)行冷卻；

6）冷卻時(shí)間到達(dá)后，上模緩慢上升50 mm，之后快速向上移動(dòng)到預(yù)定位置完成拔模。

上模接觸銅液的停止位置和下壓過程的速率和位置控制。根據(jù)整個(gè)控制過程思路，進(jìn)行控制程序編寫，控制流程圖如圖14所示。

圖14 壓鑄控制流程圖Fig.14 Flow chart of pressure casting control

2.2.4 冷卻控制流程

結(jié)合冷卻水的控制原則，需對冷卻水的流量和出水溫度進(jìn)行控制，不僅在壓鑄前將上模模溫控制在70℃以下，同時(shí)在冷卻過程中保持較高的上模溫度降低銅液冷卻的速率。這兩個(gè)控制要求均通過對冷卻水出水溫度結(jié)合生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行測量反推。冷卻水的控制方框圖如圖15所示。

圖15 冷卻水控制框圖Fig.15 Control block diagram of cooling water

3 實(shí)踐及結(jié)果

完成了電控原理和電路圖設(shè)計(jì)控制程序編寫，隨即根據(jù)圖紙購買相關(guān)零部件實(shí)施現(xiàn)場安裝調(diào)試，通過實(shí)踐驗(yàn)證是否實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。到目前已經(jīng)過了近10月（2021年3月～12月） 的實(shí)踐驗(yàn)證，情況如表2所示。從表中可以看出，除了3月、4月因設(shè)備調(diào)試以及后續(xù)出現(xiàn)了設(shè)備故障導(dǎo)致產(chǎn)生了不合格品，其他月份均未出現(xiàn)過不合品，整體不合格率從原來15%降低至2.07%。

表2 2021年改完成改造后壓鑄陽極銅模不合格率統(tǒng)計(jì)情況Tab.2 Statistics of unqualified product yield of anode copper mould after renovation finished in 2021

4 結(jié)語

原陽極銅模生產(chǎn)工藝手動(dòng)控制方式，存在一定的缺陷，較易產(chǎn)生不合格品，改為位置閉環(huán)自動(dòng)控制后，效果非常明顯，極大地減少了陽極銅模不合格品率。

1）采用人工控制方式，部分關(guān)鍵工藝參數(shù)較難控制，陽極銅模不合格品率達(dá)15%；

2）改由自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)“一鍵操作”后，銅液澆鑄量控制、銅模小車移動(dòng)控制、上頂模移動(dòng)控制以及上頂模冷卻水溫控制的精度得到了大幅度提升，廢品率降低至2.07%。