铝合金熔铸生产工艺的自动化技术发展现状与方法浅析

赵 渊

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

自动化是指机器设备、系统或过程(生产、管理过程)在没有人或较少人的直接参与下，按照人的要求，经过自动检测、信息处理、分析判断、操纵控制，实现预期目标的过程。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。自动化本身也是一种自我发展的状态，从代替某一项体力劳动直到代替所有劳动。美国在后工业时代最早提出自动化生产设备的设想。当前，国内已经开始从劳动密集型向生产机械化自动化转变，也正是因为国内企业感受到人工成本对于整个工厂经济运营的影响，自动化逐渐变成了当下急需发展的方向。

铝合金熔铸工艺的发展从建国初期到现在，历经多年设备的更新变化以及工艺技术的优化提升，从简单的浇注成型模式发展到如今的大规模机械化铸造生产，从产能较小、用工规模庞大、工作强度高、厂房占地较分散等特点，逐步发展为高产能、工人数量少，生产操作机械化、设备布局集约化的状态。电子科技作为新兴的技术产业，促进着工业化向更高层次发展，电子技术与机械设备的融合，加速了熔铸工艺设备步入自动化生产的进程。

铝合金熔铸生产工艺的自动化发展一直依赖于设备的自动化或机械化程度，如熔化设备的熔化系统自动化控制烧嘴点火、炉温控制、燃料调整、设备液压倾动、炉门机械提升等功能，加料设备的机械铝液包倾倒功能、搅拌设备的电磁炉外搅拌功能、铸造设备的自动半连续铸造系统、锯切设备的自动上料下料定尺锯切与打包功能等。这些设备都在提升熔铸工艺的自动化水平，可以使整个熔铸工艺生产过程需要更少的人员，降低工作强度(只需面对操作台或者屏幕进行观察和相应控制操作)。同时，拥有更多的配套功能和电子信息技术，工人对于信息的处理也更加精确与方便，如炉温、炉压、铸造水温、水量监控、铸造速度控制、动力耗量(能源管理)等都能更加准确无误的统计。

由此可见，从熔炼设备上来说，现阶段已经拥有很多自动化的成果，并持续在优化与更新。如普铝锭或合金锭的连续铸造工艺设备、铝杆线材的连铸连轧设备、铝卷材的连续铸轧设备生产等基本实现熔炼结束后工序的自动化铸造生产，铝轮毂低压铸造和锻造轮毂生产线实现铸造结束后机加工段的流水线自动化生产。但是，对铝合金半连续铸造的工艺生产而言，在自动化生产线的模式上要稍逊其他，关键问题在于加料过程和铸锭起吊摆放过程。未来应着眼于提高铝合金熔铸生产车间整体流程的自动化程度，从而解决生产中仍没有实现或没有投入自动化的关键点，以解决这些问题使生产更加高效与智能。

1 铝合金熔铸生产工艺自动化的目标

铝合金熔铸生产作为工业化生产工艺的一类，也应当遵循自动化的基本要求，又由于铝合金熔铸生产的特点，具体分为以下3个阶段目标。

(1)生产连续化。实现生产连续化即是要求生产线整体节拍流畅，可以减少设备待料时间，提高原材料的利用率，减少不必要的重复操作，实现单方向物流，最大限度发挥产能，提高厂房空间的利用率，连续化的生产可以判断一个车间总体生产负荷率，可以帮助管理者对车间内所有可见实体进行利用率高低的判断，不只将关注点放在单体设备上，从而更快地找到车间的生产瓶颈，激发一个车间的整体活力。

(2)生产工艺智能化。实现智能化，可以减少人员的脑力劳动，将生产中一些需要人为规划或者人力思考的工作，由计算机来实现，如物料选择性流向、设备工作参数自行调整、设备问题自检、在制品生产问题自动整理和自动纠偏等，设备数据信息与状态实时显示，由系统设备来自我判断操作行为，可以避免人为工作失误或强度过大而造成的减产和停产。

(3)无人化智能车间。无人化是实现智能化后可以实现的下一阶段。能够最大限度减少人工成本和人员伤亡事故并将生产力彻底解放，人员可以更多投入到研发和技术改进上，形成人负责思考、机械负责完成的模式，是自动化模式下最理想状态。

2 解决铝合金熔铸工艺关键问题的思路与方法

因为铝加工半连续铸造工艺的自动化难点问题突出，本文主要分析该工艺自动化的两个关键问题，即加料过程和铸锭起吊摆放过程。

2.1 加料过程

铝合金熔铸生产的原料主要有电解铝液、重熔用铝锭、铝中间合金及返回废料等。电解铝液包配备有电解铝液自动倾翻台包车，可实现机械倾倒加料，比较方便。重熔铝锭或其他形式的废料选用叉车或机械装料车进行加料，不仅加料速度慢，次数多，而且并不能保证每炉料都加到额定的吨位。圆形炉具有顶开盖加料功能，仍然不能完全解决加料效率低的弊病，而圆形炉的造价和炉体结构也很复杂。再者，由于熔炼工序的速度比铸造工序的速度慢很多，不得不选择多熔炉对应一个铸造机。因此，如何通过自动化提高加料速度成为一个关键。

加料速度缓慢的主要原因多为生产中投入了过多的废料，废料形状各异，不易管理。而对待废料，现在工厂基本上没有系统的处理方法，习惯于随意堆放和打捆，给加料和配料造成了很大麻烦，有些工厂也有废料处理车间，但是基本上只是个存料库。

对待需处理的废料建议采用机加工流水线的模式，在废料处理前增加成分检测分类的工序，设定最方便入炉的形状，选用机械传输工具将破碎、挤压、弯扭、切断工序或设备形成关联的线性布置，对不规则的废料进行变形处理，使之形状规整，再进行压块打包，为提高加料效率提供保障，还可以直接将处理线延伸至加料车的料斗，随时储备等待入炉。目前尚没有应用实例。

2.2 铸锭起吊摆放过程

立式半连续铸造机的最大特点是铸造完成后，需要对铸锭进行吊运。扁锭笨重、尺寸大，即便配有专用吊具，也需要经过天车缓慢调整，才能放倒与平移，圆锭尺寸小，但是数量多，一次起吊需要调运一排(5～7根以上)，起吊也需要缓慢放倒，这对天车工来说，是一个复杂和冗长的操作过程。因为没有铸锭专用的起吊机械，主要依赖天车工进行人工控制，不但一次起吊量有限，而且每台天车动作需要较长时间(从几分钟到几十分钟)，降低了铸造机的使用效率，在这些操作中，还存在一定的安全隐患。

欧洲某些工厂也在思考采用机械化的方式完成吊锭与倒放及轨道运输，解决铸锭起吊摆放的思路基本上以采用铸锭专用起吊装置作为核心。铸锭被专用起吊装置夹出铸井后，按照设定机械臂走向，直接将铸锭吊放在水平运输辊道上进入下一步工序，或在辊道上等待一定时间进行冷却，如此省去人工操作天车起吊铸锭，省去车间内铸锭调整与堆叠的空间，从而减小车间需要的面积，后续锯切、均热设备又可配备铸锭堆叠运输设备，基本可以将半连续铸造变为机械化的自动铸造线。铸造起吊工具当前尚无应用实例，但后续的锯切堆叠机和运输机械已经有所应用。

3 铝合金熔铸自动化工艺发展的影响因素

经济效益是技术进步的原动力，也为技术发展提供坚实的资源支持，两者相辅相成。自动化根本目的是为了服务于人，能否得到足够的资金支持，需以自动化后的生产效益能否得到提高来判断。选择自动化模式较高的生产方式与选择沿用已有的生产方法之间的效益测算对比，成了影响自动化的一个关键因素，如果自动化的投入使原有综合成本提高一倍以上，则基本很难形成竞争力。

产品的特性对于自动化也有影响，一般决定了自动化的难易程度，材料规格自重轻、体积小、产品单一、加工流程简易，自动化设备投入的越早，流程越完善。对于一些体积大、 笨重、形状怪异、 产品多样、 上下游关系不紧密的产品，虽然单个生产工序可以实现自动化，但是整个生产过程仍有需要采用人工操作的地方，无法得到更有效地替换。这点也可以说明仍有机械化可提升的空间。

工艺装备制造与研发的能力，也是自动化发展的一个重要因素，在设备应用实践经验和装备生产上，发达国家在装备自动化上投入的时间和精力都要多于发展中国家，整体发展程度较为领先，当前很多大型自动化设备仍需要引进。

4 总结与展望

综上所述，自动化发展的概念不断被强化，一方面主要源于解决当代经济与效益、产能与人力之间矛盾的迫切需要，特别是发达国家，人工成本急剧上升，工作时长和用工人数都受到限制。另一面方面源于劳动力解放与发展的需要，拥有了高自动化程度的生产工艺技术，对于提高设备运行效率，产品产量与质量更好更稳定都有巨大帮助，也为产品创新提供了优质平台。

当前，铝合金熔铸工艺生产自动化正在不断发展，对于自动化技术的应用，也在朝着以前没有应用过的工序突破，自动堆叠技术、自动运输技术等降低人员操作强度和减少人员伤亡事故的方法，逐渐开始崭露头角，而一些正在设想中的自动化模式也会成为现实，为最终实现智能化和无人化提供坚实基础，为能够解决生产中遇到的问题而努力，从而发挥自动化生产真正的魅力。