大型离心铸造机的铸造工艺设计

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大型离心铸造机大多用来生产轧辊。在离心铸造中，铸型（也称管模）的转速非常重要，尤其在轧辊生产中，需要二次浇注（添芯），特别要求转速与时间及温度的严格控制。为满足轧辊的铸造工艺要求，我们为大型离心铸造机设计了控制系统，该系统实时控制且动态跟踪，精确控制离心铸造轧辊的工艺过程。过去的大型离心机的控制系统，大多采用开环自动/半自动控制、电磁调速系统，工作稳定性差，人工因素多。我们通过对硬件及软件的改进设计，采用西门子交流变频器（6SE70系列）或直流调速系统（6RA70系列），传感器输入温度、转速及主机振动测量信号，可编程控制器经过实时计算，只要在界面上设置相应的工作参数，就能自动跟踪设定的工艺曲线;整个生产过程实现了真正的闭环、自动跟踪控制，消除了人工干预多和其它因素的影响，提高了产品质量和生产效率。
　　1 大型离心铸造机的主要工艺参数
! k- [- v+ Q" U( e: y3 y5 b! u　　（1）初始增速速度：离心机从静止开始升到浇注要求的转速;
9 w/ D$ \( \5 ^% W( P! y( v　　（2）保持凝固速度：浇注后离心机保持的转速;
% @! K1 d) ^8 V$ D/ E9 q( r　　（3）停机减速速度：减速停机的转速即停机转速。
) W; k# M9 x# B　　2 系统硬件
# f$ O5 X* Y5 E$ I# q　　硬件由工控机，可编程控制器PLC，模拟量输入、输出，直流调速装置或交流变频器及外围设备组成。图1为大型离心机的控制系统框图。

* a0 f% ]6 I  r2 u- D6 o　　工控机主要通过PLC完成离心铸造机远程实时监控和管理报表的制作，对现场的离心机转速、型腔金属液温度、轴承温度、离心铸造机振动的工作状态进行实时监控。离心铸造过程中，计算机可以连续自动记录铸型中金属液的温度曲线。
: N4 Z* Z5 q2 y　　工作原理：由界面设置离心铸造机主要工艺参数或调出原有产品的工艺参数，符合当前的产品时，则显示当前产品的控制曲线，按实际需要确认，通过控制按钮分别发出开始浇注、一次浇注、二次浇注等信号;PLC依据产品的工艺参数及通过现场模拟量输入得到当前离心铸造机的实际转速，经过计算，通过模拟量输出一个实际需要的转速，同时通过模拟量输入的离心机振动信号、温度信号，实时诊断离心铸造机的工作状态;离心铸造机的电机工作电流信号实时诊断离心机的负荷大小，实时显示其产品的工作曲线，确认产品的质量。图2、图3为武汉钢铁厂使用的大型离心机部分电气原理图。
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$ e, [5 S! Z( ^' e0 {2 u　　3 软件设计
　　目的是使用户能根据自己的产品任意设置或调用各种产品的工艺参数及工艺曲线，即采用配方的形式及时刷新生产方案，按用户的需要通过对现场的工艺参数及离心机的工作状态、电机工作状态的实时采集，以动画的形式实时显示数字及曲线，同时显示预警，向用户实时提供解决实际工作问题的方案。
　　首先从界面上保存各种工艺参数，也可重新设置各种工艺参数，产生新的配方，如下表为轧辊类浇注工艺参数。】
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$ ~6 x, L3 T+ t$ B( w) v# I　　由于在轧辊产生中对二次浇注的时间要求严格，所以能否及时、正确确认固相线温度是轧辊生产的关键。过去都是通过人工观察的方式来确诊固相线温度，所以产品质量的稳定性不能得到保证，现在通过本软件，能自动确认固相线温度，自动控制停机时间，从而保证了轧辊质量的稳定性，同时本软件通过对离心铸造机本身的振动幅度以及离心机的轴承温度的自动测量，能及时预报离心机的工作状态，有问题能及时提示，确保离心机正常工作。
7 |1 M8 c9 _7 @% P+ Q. G　　温度拐点的确认软件设计依据以下两个计算公式：
8 }3 ~# c" H+ v, O　　拐点速度Vi计算公式：Vi=V设定-a（V设定-V实际）（其中a为经验系数）;
3 ~2 ?6 e$ G1 u  `$ f% [　　拐点温度曲线的斜率Ki计算公式：
% i$ t$ [2 L2 j+ w9 ^　　Ki=∑Fj1-∑Fj/Ti
& \! ~7 k5 r- G4 T　　其中j1为（i-10～i-6），j为（i-5～i），即拐点前10个值中前5个值减后5个值除以时间即得温度拐点斜率，见图4。
5 f/ {! O. n5 h" F& z3 w　　浇注温度1350℃，固相线温度约1100℃，离心铸造机托轮转速1400r/min（可根据铸件内径确定），制动时间：大型件在5min内，重力系数100~110g。
4 |) a) F+ m9 v; c* {: B" C! ?8 {2 Z; t　　依据上述硬件配置和软件设计原理，生产开始前预先在界面或计算机上设置好工艺参数，检查无误后启动系统运行。首先控制系统通过程序设计和计算将初始增速速度转换成模拟量输出信号，此模拟量信号通过直流调速装置或交流变频器驱动电机使离心机在时间1内从静止状态均匀加速到初始增速速度;离心机到达这个转速后进行第二步浇注高温铁液，浇注完毕后保持这个转速进行冷却凝固成型;离心机在高速旋转冷却凝固成形过程中进行铸型型腔内温度检测，当铸型冷却一段时间铸型温度下降到固相线温度时（如图4中1100℃），这时控制系统要控制离心机开始减速，而且必须在时间3内将离心机转速从转速2减到转速3，即停机状态;然后进行下个工序即二次浇注。
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