如何應(yīng)用激光技術(shù)在鋁合金鑄造液位控制
隨著鋁加工業(yè)的發(fā)展，各鋁加工企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)致力于提高鑄錠表面質(zhì)量的研究，使鑄錠表面盡可能平整光滑，減少或消除粗晶層、偏析瘤等表面缺陷，減少鑄錠厚差，底部翹曲和腫脹等。使扁鑄錠在熱軋前盡可能少銑面或不銑面，以提高成才率。鋁合金鑄造技術(shù)的新進(jìn)展和有前途的技術(shù)是：脈沖水冷和加氣鑄造，電磁鑄造，液位自動(dòng)控制技術(shù)，可調(diào)結(jié)晶器等相關(guān)技術(shù)。2002年我公司從德國(guó)洛伊熱工業(yè)公司引進(jìn)先進(jìn)的全自動(dòng)水冷25t鑄造機(jī)。此臺(tái)鑄造機(jī)應(yīng)用了脈沖水冷、激光技術(shù)液位自動(dòng)控制技術(shù)，下面介紹激光技術(shù)在液位自動(dòng)控制方面的應(yīng)用，以及對(duì)提高扁錠質(zhì)量的作用。中國(guó)鋁業(yè)論壇2 q- }$ x- `, f） a' x* M, E
　　1 液位自動(dòng)控制技術(shù): p9 Z3 q% {7 [! Y% q& H  s  o5 A0 R
　　從20世紀(jì)80年代以來，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在鋁合金扁錠鑄造中廣泛采用液位自動(dòng)控制技術(shù)。這不僅使金屬液位實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)定控制，而且可以實(shí)現(xiàn)低液位鑄造，提高了扁錠內(nèi)部質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而減少銑面量。我公司原有鑄造線基本采用分配漏斗控制，金屬液位波動(dòng)大，難以實(shí)現(xiàn)低液位控制。為了生產(chǎn)高質(zhì)量的鑄錠，引進(jìn)了以激光傳感器為檢測(cè)元件。與之配套的執(zhí)行器為精密步進(jìn)電機(jī)的液位控制系統(tǒng)。
7 H5 k1 D& Z* V3 y, j2 B9 e 　　1.1傳感器功能　　
/ ^6 L$ d3 Q6 J& e% obbs.cnal.com　　這種傳感器是利用光學(xué)三角網(wǎng)技術(shù)研發(fā)出來的，并適用于高溫條件下不接觸測(cè)量。該傳感器的設(shè)計(jì)是將瑞士precimeter的數(shù)字技術(shù)和光學(xué)技術(shù)結(jié)合起來，達(dá)到很高準(zhǔn)確度（現(xiàn)場(chǎng)激光上下誤差為±0.03mm），激光傳感器光源是一個(gè)激光二極管發(fā)射的紅色可見光，使其便于成為直線和功能測(cè)試。
% d: Q6 ?$ I1 I6 H: ^9 S4 b! j中國(guó)鋁業(yè)論壇　　激光源可以連續(xù)調(diào)整*折射光反饋給傳感器，與被測(cè)物表面特征無關(guān)。在無需重新校正的情況下可地測(cè)量各種材料。利用charg coupled device圖像檢測(cè)器獲得了散光，具有抗干擾性和高析像能力。檢測(cè)器的信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，所形成信號(hào)與物體的遠(yuǎn)近成正比。bbs.cnal.com" K+ `2 s） p9 o' Z2 |
　　1.2 液面控制系統(tǒng)中國(guó)鋁業(yè)論壇: t1 P8 ?7 Q9 d5 a- r" c$ P
　　傳感器基于一個(gè)CD掃描場(chǎng)，作為反射光的接收器，通過CD掃描場(chǎng)像數(shù)字照相機(jī)一樣實(shí)際接收一幅照片。這樣可以分析接收到光線的輪廓，通過對(duì)反射的照片進(jìn)行智能分析，由蒸汽或其他干擾因素引起的散熱可被消除。因此，這種傳感器在一定條件下對(duì)水蒸氣和灰塵不敏感，但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)火焰、黑煙會(huì)對(duì)它產(chǎn)生干擾，造成鋁合金鑄造開頭液位波動(dòng)大。在設(shè)備帶負(fù)載試車時(shí)，針對(duì)這種情況，瑞士peceimeter公司更換了Ⅲ級(jí)激光，由于接收器高度靈敏，所以避免了純鋁料、火焰、濃煙對(duì)它的干擾。
2 R$ R' C1 S% h9 `* Ybbs.cnal.com　?。茶T造工藝過程
1 J6 @/ b' N） y: d/ U* m& S, _4 d% z　　鑄造鋁合金錠的工藝流程如下：操縱手在電腦操作畫面提示下將鑄造條件準(zhǔn)備好，將所鑄扁錠工藝參數(shù)給予確定（如鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水流量等），然后把鑰匙開關(guān)達(dá)到自動(dòng)位置上，鑄造機(jī)進(jìn)入到自動(dòng)鑄造過程。鑄造機(jī)首先進(jìn)行自檢，均符合條件后，開始檢測(cè)激光傳感器。開放24 V電源，射出紅色光點(diǎn)，在自動(dòng)控制程序控制下開始對(duì)激光傳感器進(jìn)行基準(zhǔn)位校驗(yàn)。根據(jù)工藝需要及現(xiàn)場(chǎng)條件，程序中激光傳感器的基準(zhǔn)位我們?cè)O(shè)定為鑄造模具加上一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)鋼板的厚度為基準(zhǔn)零位，以此基準(zhǔn)位向下減去工藝菜單中設(shè)定液位值后，所檢測(cè)到的鋁液液位作為實(shí)際值。在鑄造過程中與設(shè)定值形成一個(gè)閉環(huán)控制。參看圖1。
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圖l 鑄造過程閉環(huán)控制框圖

　　鋁液液面的控制：控制鋁液使其以一定速度下流（電氣控制方面是由激光傳感器和栓塞執(zhí)行器完成）。鋁液經(jīng)流槽流過來，這時(shí)鑄嘴上的栓塞被執(zhí)行器（內(nèi)含0 V～10 V小步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)氣缸）控制，以一定開口度讓鋁液經(jīng)鑄嘴流下去，而激光傳感器作為檢測(cè)裝置，時(shí)時(shí)反饋結(jié)晶器中液位的數(shù)值，從而以PID閉環(huán)形式控制執(zhí)行器微動(dòng)，保證幾個(gè)鑄嘴中的鋁液以幾乎相同的速度下行，其誤差范圍僅為0.03 mm。% \\8 A; W# q' b- u1 _7 B
　　不穩(wěn)定的液位容易使鑄錠表面出現(xiàn)冷隔，對(duì)缺口敏感性較強(qiáng)的合金扁錠來說，冷隔有可能直接導(dǎo)致側(cè)裂紋。所以穩(wěn)定的液位是避免冷隔產(chǎn)生的重要條件，另外，穩(wěn)定的液位也可以減少粗晶粒和粗大柱壯晶的形成。這是因?yàn)樵阼T造速度一定的情況下，結(jié)晶器內(nèi)液位控制的平穩(wěn)就表示澆注嘴向結(jié)晶器內(nèi)的供流非常均勻，這樣就使液穴中熔體溫度均勻，在結(jié)晶時(shí)就減少了不均勻晶粒的產(chǎn)生，從而減少了粗晶粒和粗大柱狀晶的形成，進(jìn)而提高扁錠的內(nèi)部質(zhì)量。
4 ^. O% n1 a& j） kbbs.cnal.com　　此激光檢測(cè)器運(yùn)行近9年，狀態(tài)良好幾乎無維修量。液位控制，大大改善了扁錠表面粗糙度，減少了銑面深度。# Q3 W: d6 |& N8 g# @
　　使用激光控制液位時(shí)需注意以下問題：
; d0 U5 X: E） ]" z0 w9 c. O; l& k 　　① 調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)激光檢測(cè)器對(duì)純鋁（即洗爐料）液面檢測(cè)不好，經(jīng)分析是純鋁反射不好導(dǎo)致接收不到信號(hào)，反饋給制造商后提供了接收器更強(qiáng)的激光檢測(cè)器?！　?  D$ L8 s7 D2 Y（ h. i' L
　　② 鑄造初始階段如果潤(rùn)滑油量大，會(huì)導(dǎo)致鑄造開頭潤(rùn)滑油著火且冒濃煙，給激光檢測(cè)器帶來很大的外界干擾，常造成收不到液位信號(hào)，報(bào)警系統(tǒng)啟動(dòng)，鑄造過程中斷。針對(duì)此現(xiàn)象，我們一方面改善潤(rùn)滑油的自動(dòng)運(yùn)行，減少火焰、煙對(duì)激光檢測(cè)器的干擾；另一方面，對(duì)控制程序加以修改，改變報(bào)警啟動(dòng)的等待時(shí)間，而加大采樣頻率，從而提高了一次鑄造成品率。