如何應用激光技術(shù)在鋁合金鑄造液位控制
隨著(zhù)鋁加工業(yè)的發(fā)展，各鋁加工企業(yè)和研究機構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)，可調結晶器等相關(guān)技術(shù)。2002年我公司從德國洛伊熱工業(yè)公司引進(jìn)先進(jìn)的全自動(dòng)水冷25t鑄造機。此臺鑄造機應用了脈沖水冷、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)控制方面的應用，以及對提高扁錠質(zhì)量的作用。中國鋁業(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80年代以來(lái)，工業(yè)發(fā)達國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)現了自動(dòng)穩定控制，而且可以實(shí)現低液位鑄造，提高了扁錠內部質(zhì)量和表面質(zhì)量，從而減少銑面量。我公司原有鑄造線(xiàn)基本采用分配漏斗控制，金屬液位波動(dòng)大，難以實(shí)現低液位控制。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元件。與之配套的執行器為精密步進(jìn)電機的液位控制系統。
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(lái)的，并適用于高溫條件下不接觸測量。該傳感器的設計是將瑞士precimeter的數字技術(shù)和光學(xué)技術(shù)結合起來(lái)，達到很高準確度（現場(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(jiàn)光，使其便于成為直線(xiàn)和功能測試。
% d: Q6 ?$ I1 I6 H: ^9 S4 b! j中國鋁業(yè)論壇　　激光源可以連續調整*折射光反饋給傳感器，與被測物表面特征無(wú)關(guān)。在無(wú)需重新校正的情況下可地測量各種材料。利用charg coupled device圖像檢測器獲得了散光，具有抗干擾性和高析像能力。檢測器的信號直接轉換成模擬信號和數字信號，所形成信號與物體的遠近成正比。bbs.cnal.com" K+ `2 s） p9 o' Z2 |
　　1.2 液面控制系統中國鋁業(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(guò)CD掃描場(chǎng)像數字照相機一樣實(shí)際接收一幅照片。這樣可以分析接收到光線(xiàn)的輪廓，通過(guò)對反射的照片進(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水蒸氣和灰塵不敏感，但在現場(chǎng)實(shí)際應用時(shí)發(fā)現火焰、黑煙會(huì )對它產(chǎn)生干擾，造成鋁合金鑄造開(kāi)頭液位波動(dòng)大。在設備帶負載試車(chē)時(shí)，針對這種情況，瑞士peceimeter公司更換了Ⅲ級激光，由于接收器高度靈敏，所以避免了純鋁料、火焰、濃煙對它的干擾。
2 R$ R' C1 S% h9 `* Ybbs.cnal.com　?。茶T造工藝過(guò)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(huà)面提示下將鑄造條件準備好，將所鑄扁錠工藝參數給予確定（如鑄造溫度、鑄造速度、冷卻水流量等），然后把鑰匙開(kāi)關(guān)達到自動(dòng)位置上，鑄造機進(jìn)入到自動(dòng)鑄造過(guò)程。鑄造機首先進(jìn)行自檢，均符合條件后，開(kāi)始檢測激光傳感器。開(kāi)放24 V電源，射出紅色光點(diǎn)，在自動(dòng)控制程序控制下開(kāi)始對激光傳感器進(jìn)行基準位校驗。根據工藝需要及現場(chǎng)條件，程序中激光傳感器的基準位我們設定為鑄造模具加上一個(gè)標準鋼板的厚度為基準零位，以此基準位向下減去工藝菜單中設定液位值后，所檢測到的鋁液液位作為實(shí)際值。在鑄造過(guò)程中與設定值形成一個(gè)閉環(huán)控制。參看圖1。
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圖l 鑄造過(guò)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行器完成）。鋁液經(jīng)流槽流過(guò)來(lái)，這時(shí)鑄嘴上的栓塞被執行器（內含0 V～10 V小步進(jìn)電機和一個(gè)氣缸）控制，以一定開(kāi)口度讓鋁液經(jīng)鑄嘴流下去，而激光傳感器作為檢測裝置，時(shí)時(shí)反饋結晶器中液位的數值，從而以PID閉環(huán)形式控制執行器微動(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
　　不穩定的液位容易使鑄錠表面出現冷隔，對缺口敏感性較強的合金扁錠來(lái)說(shuō)，冷隔有可能直接導致側裂紋。所以穩定的液位是避免冷隔產(chǎn)生的重要條件，另外，穩定的液位也可以減少粗晶粒和粗大柱壯晶的形成。這是因為在鑄造速度一定的情況下，結晶器內液位控制的平穩就表示澆注嘴向結晶器內的供流非常均勻，這樣就使液穴中熔體溫度均勻，在結晶時(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)而提高扁錠的內部質(zhì)量。
4 ^. O% n1 a& j） kbbs.cnal.com　　此激光檢測器運行近9年，狀態(tài)良好幾乎無(wú)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(wèn)題：
; d0 U5 X: E） ]" z0 w9 c. O; l& k 　　① 調試時(shí)，發(fā)現激光檢測器對純鋁（即洗爐料）液面檢測不好，經(jīng)分析是純鋁反射不好導致接收不到信號，反饋給制造商后提供了接收器更強的激光檢測器?！　?  D$ L8 s7 D2 Y（ h. i' L
　?、?鑄造初始階段如果潤滑油量大，會(huì )導致鑄造開(kāi)頭潤滑油著(zhù)火且冒濃煙，給激光檢測器帶來(lái)很大的外界干擾，常造成收不到液位信號，報警系統啟動(dòng)，鑄造過(guò)程中斷。針對此現象，我們一方面改善潤滑油的自動(dòng)運行，減少火焰、煙對激光檢測器的干擾；另一方面，對控制程序加以修改，改變報警啟動(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。