铸造工艺循环冷却水对工艺温度的影响和恒压变频控制

罗军（新疆众和股份有限3司　乌鲁木齐 830013）

铸造工艺循环冷却水对工艺温度的影响和恒压变频控制

罗军
（新疆众和股份有限3司乌鲁木齐 830013）

铸造生产属于热加工工艺，是金属材料加工的第一道生产工序，也是企业生产中的重要生产工序。它的主要生产功能是把金属材料加工成标准规格大小的特定形状。铸造的主要控制参数有：液态金属温度、浇铸液体温度、铸造温度、冷却水温度、冷却水压力等主要参数。铸造温度是连铸生产中的一项重要参数，本文通过对生产实践的总结，对影响连铸温度的因素进行了分析，指出了控制要点，有利于稳定工艺控制和产品质量。

铸造温度变频器恒压供水

1　概述

金属材料连铸生产工艺，铸造温度的控制范围及稳定性对成品质量起着决定性作用。在设备及工艺参数保持不变的情况下，从铸坯温度的波动情况可以粗略地判断出铸坯进入后续工艺前的内部质量状态及铸机区域设备工作状态的变化。通过对铸坯温度波动情况的观察，可以及时发现因设备原因或操作人员失误所带来的缺陷，进而避免工艺事故的发生，有效保障产品质量。

金属材料通过添加成分、净化提纯、控温等步骤进入铸造机，通过冷却水的冷却后形成铸坯，然后再对铸坯进行后续加工。铸坯在整个传送过程中的降温较为固定，伴随季节变化及室内温差变化有所差异，铸坯进轧温度实际上是在铸造机区域内已经确定，一般情况下，生产不同型号的产品，出坯温度控制范围有所差异。

2　决定铸坯进轧温度的因素

下面通过设备的组成来分析决定铸坯进轧温度的因素：

设备的组成：熔炼炉、过滤系统、连铸机、校直装置、加热装置、喂料装置、润滑油系统、乳液循环系统、循环冷却水系统、电气控制系统等组成。

2.1铸造机冷却水系统对出坯温度的影响

一般生产线铸造机冷却水系统采用分区冷却法，冷却区域为金属液在铸造机内的成形及降温区域，即内、外、两侧四个降温区。各降温区的喷嘴流量和压力可通过软水分配器进行调节，且内外水的冷却水喷嘴开度可自行调节。

2.2冷却水水质的影响

铸机冷却水系统采用软水对导热介质进行冷却效果较好，由于软水去除了水中的钙、镁离子，连铸机结晶轮表面、喷嘴、管道不容易结垢。冷却水水质如果发生变化，极有可能堵塞分水器、冷却水喷嘴等设备部件，造成水压、水温波动或出水不均，进而造成冷却不均，引起出坯温度波动；软水池中的软水变质主要原因为软水中混入了其它杂质，如管道内的铁锈，建筑内衬脱落及生产过程中带来的其它水质污染。因此，要定期对软水池软水进行更换，对软水池进行打扫，对软水喷嘴进行彻底清理。

2.3循环冷却水系统设备部件的影响

循环冷却水系统控温控压装置如果出现工作异常，如热交换器堵塞、温度压力传感器偏差过大、控温控压自动调节阀出现故障等，这些原因会引起水温水压波动过大，造成铸坯冷却不均，影响出坯温度。

2.4冷却带的影响

循环冷却水喷嘴内外区及侧水设定冷却水喷嘴开度由小到大排列，相邻喷嘴间冷却水流量过渡的平滑性直接决定了铝液凝固时液穴的位置及深度，软水各分区整体流量的大小还会影响到液穴是否居中。液穴的位置、长度及居中状态会对铸坯质量有着较大的影响。出坯区冷却水喷嘴的开度从上到下是逐渐减小的，水流量是逐级增大的。出坯区冷却水的过渡及整体流量大小主要用于调节铸坯的出坯温度。

2.5生产参数的影响

循环冷却水系统对铸坯以传热和对导的方式进行冷却，将金属液体及坯料内的热量通过包裹它的铜环及钢带进行传热，通过冷却水将传出的热量带走，起到冷却的作用。如果铸坯在初始冷却区域内冷却过度或冷却不均，会引起铸坯在铸造轮内收缩不均匀（与铜环槽及钢带间产生的间隙不固定），导致铸坯在随后的冷却区冷却受制，最终使出坯温度超出要求范围，出现铸坯裂纹等缺陷。各冷却区冷却水压力，根据设备状态不同会发生不同的变化，需定时进行调整。水温的变化同样会引起冷却效率的变化，而用于给冷却水降温的冷却塔受外界环境温度影响较大。

3　铸造温度及铸造速度对出坯温度的影响

铸造温度和铸造速度对铸坯出坯温度有着直观的影响，这两个参数直接影响着铝液的结晶及铸坯内部组织的形成。

⑴铸造温度过高，过冷度增大，会引起铸坯裂纹、晶粒粗大、柱状晶等铸坯缺陷，出坯温度有所增高。

⑵铸造温度过低，会引起铸坯内应力大（易产生轧制缺陷）、缩孔（影响填充）、及工艺控制失败。

⑶铸造速度过快易引起铸坯冷却不足及冷却不均现象的发生，易产生铸坯断裂、缩孔、柱状晶等铸坯缺陷，导致出坯温度高，波动大。

⑷铸造速度过低，易产生轧制缺陷，出坯温度有所下降。

4　铸造轮及钢带对出坯温度的影响

连续铸造一般采用轮带式铸造工艺，即由U型铜环槽外包铸机钢带形成密闭的腔体，金属液体进入该腔体后，通过腔体将热量导出并由冷却水系统带出，进而起到金属液凝固及铸坯成形的目的。当U型铜环槽及钢带的导热性能受到影响，则出坯温度将受到较大影响。

生产产品时，由于不同金属液凝固点、热导能力（晶粒影响）及收缩比例有所差异，影响出坯温度的区间，铸机冷却水喷嘴需要重新调整匹配参数。金属液的填充能力直接影响液穴的深度及铸坯的内部质量，进而影响到铸坯的出坯温度。

5　冷却水对设备的影响

⑴浇铸机冷却。

⑵铸坯冷却。

⑶冷却润滑油冷却。

⑷乳液冷却。

⑸风机轴承冷却降温等。

循环冷却水对铸机出坯温度影响很大，如果铸坯出坯后弯多弯大，那么进轧温度必然不稳定，在铸坯表面出现连续性裂纹（非拉裂），如果不能及时中止，则极有可能会出现铸坯断裂引起生产中断。由此可见循环冷却水的控制对铸造工艺质量重要意义。

6　PLC控制变频器实现恒压供水

由于电机控制技术和可编程程序控制器的应用灵活方便，在恒压供水系统中亦得到广泛的应用。采用PLC作为中心控制单元，利用变频器与PID结合，根据系统状态可快速调整循环冷却水供水系统的工作压力，达到恒压供水的目的，提高了系统的工作稳定性，得到了良好的控制效果以及明显的节能效果。

⑴合理选取压力控制参数，实现系统低能耗恒压供水。目的实现关键就在于压力控制参数的选取，通常管网压力控制点的选择有两个：①管网最不利点压力恒压控制；②泵出口压力恒压控制。选择管网最不利点的最小水头为压力控制参数，形成闭环压力自控系统，使得水泵的转速与PID调节器设定压力相匹配，可以达到最大节能效果，而且实现了恒压供水的目的。

⑵变频器在投入运行后的调试是保证系统达到最佳运行状态的必要手段。变频器根据负载的转动惯量的大小，在启动和停止电机时所需的时间不相同。设定时间过短，会导致变频器，在加速时过电流、在减速时过电压保护；设定时间过长会导致变频器在调速运行时使系统变得调节缓慢，反应迟滞，应变能力差，系统易处在短期不稳定状态中。

⑶通过PLC实现冷却塔风机的水温自动投入控制、循环水池的液位自动控制。可以根据工艺要求结合实际工作水温控制冷却泵、冷却塔风机根据温度设定自动开停。

⑷恒压供水的节能。一般循环水泵的配置流量、扬程、电机功率配置较大，经常处于轻载状态，实现变频恒压供水，一方面可根据压力变化自动控制循环冷却水流量，另一方面避免了水泵大马拉小车现象，可以使水泵经济运行，提高水泵的工作效率，实现了水泵的电能节约。

①由离心泵的负载工作原理可知：

流量与转速成正比：Q∝N。

转矩与转速的平方成正比：T∝N2。

功率与转速的三次方成正比：P∝N3。

变频调速自身的能量损耗极低，在各种转速下变频器输入功率几乎等于电机轴功率，在使用变频恒压供水时，系统中流量变化与功率的关系：P变= N3P额=Q3P额。

②采用出口阀控制流量的方式，电机在工频运行时，系统中流量变化与功率的关系：

P阀=（0.4+0.6Q）P额

其中，P为功率；N为转速；Q为流量。

如果当前流量为水泵额定流量的60%，则采用变频调速时P变=Q3P额=0.216P额，而采用阀门控制时P阀=（0.4+0.6Q）P额=0.76P额，节电=（P阀-P变）/P阀*100%= 71.6%。

由此可见，从理论计算结果可以看到节能效果非常显著，而且在实际运行中小区变频恒压供水技术比传统的加压供水系统还有自动控制恒压、无污染等明显优势。

表1　

变频恒压供水控制器的最显著优点就是节约电能，节能量通常在10%～40%。从单台水泵的节能来看，流量越小，节能量越大。优化的节能控制软件，使水泵实现最大限度地节能运行。

7　结束语

在工艺细化控制的过程中，往往受制于成本预算的影响，毕竟企业效益才是企业生存和发展的前提，如何在工艺、设备及产品质量与效益之间找出最佳平衡点，是我们在精细化工艺管理中需要突出的重点，这些工作开展的前提是我们要熟知工艺细节及工艺状态发生变化所带来的影响。不论是投资、运行的经济性、还是系统的稳定性、可靠性、自动化程度等方面都具有深远的意义。

［1］侯波，李建荣.铝合金连续铸轧和连铸连轧技术.冶金工业出版社，2008.1.

［2］肖亚庆.铝加工技术使用手册.冶金工业出版社，2005.1.

［3］李方圆.变频器行业应用实践.北京：中国电力出版社，2006.

收稿：2016-06-01

10.16206/j.cnki.65-1136/tg.2016.05.040