如何應用激光技術在鋁合金鑄造液位控制
隨著鋁加工業的發展，各鋁加工企業和研究機構致力于提高鑄錠表面質量的研究，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。鋁合金鑄造技術的新進展和有前途的技術是：脈沖水冷和加氣鑄造，電磁鑄造，液位自動控制技術，可調結晶器等相關技術。2002年我公司從德國洛伊熱工業公司引進先進的全自動水冷25t鑄造機。此臺鑄造機應用了脈沖水冷、激光技術液位自動控制技術，下面介紹激光技術在液位自動控制方面的應用，以及對提高扁錠質量的作用。中國鋁業論壇2 q- }$ x- `, f） a' x* M, E
　　1 液位自動控制技術: p9 Z3 q% {7 [! Y% q& H  s  o5 A0 R
　　從20世紀80年代以來，工業發達國家在鋁合金扁錠鑄造中廣泛采用液位自動控制技術。這不僅使金屬液位實現了自動穩定控制，而且可以實現低液位鑄造，提高了扁錠內部質量和表面質量，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，金屬液位波動大，難以實現低液位控制。為了生產高質量的鑄錠，引進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三角網技術研發出來的，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的數字技術和光學技術結合起來，達到很高準確度（現場激光上下誤差為±0.03mm），激光傳感器光源是一個激光二極管發射的紅色可見光，使其便于成為直線和功能測試。
% d: Q6 ?$ I1 I6 H: ^9 S4 b! j中國鋁業論壇　　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關。在無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論壇: t1 P8 ?7 Q9 d5 a- r" c$ P
　　傳感器基于一個CD掃描場，作為反射光的接收器，通過CD掃描場像數字照相機一樣實際接收一幅照片。這樣可以分析接收到光線的輪廓，通過對反射的照片進行智能分析，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，但在現場實際應用時發現火焰、黑煙會對它產生干擾，造成鋁合金鑄造開頭液位波動大。在設備帶負載試車時，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　　２鑄造工藝過程
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），然后把鑰匙開關達到自動位置上，鑄造機進入到自動鑄造過程。鑄造機首先進行自檢，均符合條件后，開始檢測激光傳感器。開放24 V電源，射出紅色光點，在自動控制程序控制下開始對激光傳感器進行基準位校驗。根據工藝需要及現場條件，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際值。在鑄造過程中與設定值形成一個閉環控制。參看圖1。
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圖l 鑄造過程閉環控制框圖

　　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）。鋁液經流槽流過來，這時鑄嘴上的栓塞被執行器（內含0 V～10 V小步進電機和一個氣缸）控制，以一定開口度讓鋁液經鑄嘴流下去，而激光傳感器作為檢測裝置，時時反饋結晶器中液位的數值，從而以PID閉環形式控制執行器微動，保證幾個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說，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，在結晶時就減少了不均勻晶粒的產生，從而減少了粗晶粒和粗大柱狀晶的形成，進而提高扁錠的內部質量。
4 ^. O% n1 a& j） kbbs.cnal.com　　此激光檢測器運行近9年，狀態良好幾乎無維修量。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需注意以下問題：
; d0 U5 X: E） ]" z0 w9 c. O; l& k 　　① 調試時，發現激光檢測器對純鋁（即洗爐料）液面檢測不好，經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
　　② 鑄造初始階段如果潤滑油量大，會導致鑄造開頭潤滑油著火且冒濃煙，給激光檢測器帶來很大的外界干擾，常造成收不到液位信號，報警系統啟動，鑄造過程中斷。針對此現象，我們一方面改善潤滑油的自動運行，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，改變報警啟動的等待時間，而加大采樣頻率，從而提高了一次鑄造成品率。