气缸套毛坯智能化熔炼技术

2022-06-13高广东纪贤灿张清伟

内燃机与配件 2022年7期

气缸套作为内燃机的关键零部件之一，它的性能直接影响着内燃机的各项性能。气缸套是桶形零件，非常适合大批量连续离心铸造。随着中国制造2025的推进，气缸套实现数字化、绿色化生产是必然趋势。在气缸套毛坯离心铸造数字化车间建设过程中，智能化熔炼系统是非常重要一环，它直接决定这气缸套的材料性能，从而直接影响着气缸套的减摩性能和耐磨性能。本文通过研究气缸套毛坯离心铸造过程的智能化熔炼技术，研发出中频电炉智能化控制系统，采用了气压保温自动浇注炉，研发了中频炉智能化加料系统，应用了智能化测温装备，实现了动态优化调整原材料配方并自动添加炉料、动态控制脱氧扒渣、全过程无氧化浇注、智能判断出炉化学成份并自动化学成份调整、全过程屏幕显示配料单、温度、化学成分。

1 智能化快速熔炼装备的研究与选型

智能化熔炼设备主要包括智能快速中频熔炼炉、气压保温自动浇注炉、智能加料系统、HY-18WP型智能测温枪等装备。

1.1 智能化中频炉熔炼设备的选型及改造研究

气缸套熔炼基本都采用中频电炉熔炼，在熔炼过程中存在三大不足：一是中频炉的控制系统都是模拟量信号，运行状态一般以指针式仪表进行监控，其线性度比较差，数据不能动态记录。二是各种操作系统都是手工操作，设备运行功率或外围需求信号，都需要人为或半自动控制的形式干预；三是管理系统都是各自为战，不能形成一个有机的整体，所有的控制参数无法动态调整，没有将信号上传到云端，不能进行动态分析、动态优化。

为此，本文在传统中频电炉熔炼基础上，研发了中频炉智能化控制系统，通过动态优化算法，实现中频炉智能控制电源，并输出最佳的电流、电压、功率，使中频率控制形成一个有机的整体；还可实现动态优化调整烤炉工艺；自动提示脱氧扒渣及实时预警，智能判断出炉化学成分或自动化学成份调整，并预测金相硬度和理化性能,并能把电炉所有信息动态传送到中央控制系统，并传送到云端。如图1所示。

1.2 气压保温自动浇注炉选型

传统气缸套离心铸造生产中，经常采用的是铁水包浇注，效率是连浇铸造节拍要求较高的指标，采用人工控制铁水包进行浇注是很落后的作业方式，耗费较多人力资源，同时具有较大的危险性，给生产带来安全隐患，而且不能进行很好的铁水保温措施，很难保证铸件的品质，人工控制浪费的铁水也是比较多的。同时敞开式的浇注铁水，铁水大量氧化，化学成份波动大，为了解决以上问题，本文采用气压保温自动浇注保温炉炉，该炉上面有气密性压力炉盖，从而减少铁水氧化，实现熔炼过程无氧化浇注。通过无熔渣自动浇注，实现均衡化混流生产；通过动态优化电炉功率，动态监控、实现炉温的恒定；可实现设备故障、炉衬过薄自动预警；动态补加增碳剂，动态控制加入孕育剂的量。如图2 所示。

1.3 中频炉智能化加料系统研究

传统的测温装备采用测温枪测温，存在着以下问题：测温数据不能和炉次号关联，无法实现产品追溯，虽然能记录温度检测结果，但并不能和炉次号相关联，无法通过记录查询具体哪个炉次的温度值；测温枪不能显示测温结果是否符合要求测温枪只能显示温度数据，不能说明测温结果是否符合工艺规范，操作工人很可能在不知道温度是否符合工艺规范的条件进行出炉或者浇注操作，导致废品发生；不能做分析预测功能，不能对以往的温度数据进行分析，从而不容易找出影响铸件质量的温度因素，也不能提前预测因为温度原因可能导致的质量问题；不能传输到外部网络，智能测温枪可以将测温结果实时传输到外部网络，用户无论在世界上任何地点，只要有网络的地方都可以查看实时的测温结果。为了克服以上问题，本文测温设备采用HY-18WP型智能测温枪，如图5，该测温装备测温后，能实时存储到云端系统中，并实时将温度数据传输到现场屏幕供工人观看，云端可以直接生成炉温变化分析曲线(图6)，通过温度分析曲线，可以分析温度过程的稳定性，如果产品出现问题，可以通过此曲线观察是不是温度的原因造成的，也可以通过温度曲线预防缺陷的发生。

1.4 智能化测温装备

中频炉智能化加料系统由电子称重磁盘、震动加料车、无线微机配铁、上位计算机管理监控等设备组成(图3、图4)，该系统能实现电炉精准上下生铁、废钢、硅铁、锰铁等原材料，满足熔炼炉加料工艺要求，保证铁水成份稳定，生产出优质铁水，减轻员工劳动强度，提高生产效率。上料计算机管理监控、光谱仪、热分析仪联机，实现了电炉加配料与熔炼的计算机实时监控管理，预判、分析铁水成分、金相、硬度、理化性能，对问题提出解决方案，为熔炼优质铁水、提高工艺管理水平提供了有力保障。

1.5 智能化配料系统研究

①感知功能

人类命运共同体意识属于精神层面，人与人之间的生长环境不同，必将导致各人之间对于处理问题的思维模式、方式方法的差异，但是由于具有类本质，在人思维的深层，难免会因为一些特例而产生相似的行为模式、价值观念[61]，这有助于形成全球范围内的价值共识，形成全球化背景之下的全球思想链。而想要形成这样的全球思想链以及创造中国的思想自我，一方面必须走出西方话语体系，建立对中国道路的自主解释话语体系[31]；另一方面应该将眼光真正聚焦于人类普遍关心的方面，以此来帮助解决主体交往之间由于文化差异而带来的某些误会，推动文化之间更好地交流合作，进而有助于形成价值共同体[62]。

2 智能化熔炼专家系统研究

智能化熔炼专家系统其运行过程如图9所示，具体过程为：由中央控制系统下达智能化配料指令，配料系统进行智能分析，并对照配料数据库进行计算，专家系统比对成功后，通过OPC Server 将配料参数写入上下料PLC，PLC启动上下料工程，指挥上下料系统将炉料加入熔炼炉，熔炼炉开始熔炼，铁水融化后，动态进行精准测温，温度合格后进行化学成分光谱仪检测化学成份，并智能化化学成份动态优化调整，成份合格温度升高至1480-1520℃，保温10分钟，出炉将铁水加入保温炉中。其智能化功能为：

铸造炉料配比计算是铸造熔炼过程中的重要方面。准确合适的炉料配比在保证铸件质量的同时可以有效地降低铁水成分调整时间、降低能源消耗。本文的智能化配料系统是在已知炉料化学成分的条件下，通过求解线性方程组、采用蚁群算法等方法优化得到满足目标成分要求的炉料配比。图7所示的是炉料配比FCS系统界面图。该系统提供了多种炉料配比方法，如自动配比、手动配比以及炉前配比，自动配比方法包括解方程组法、穷举法以及最小成本法。允许原料各成分在一定范围内波动而找到合适的配比，最小成本法可以找出成本最低的满足要求的炉料配比。光谱操作人员采集光谱数据后，实时智能化配料系统进行对比，实时将成分信息及超差信息发送到炉前LED屏幕中，并根据测定结果及时进行智能化自动配料的调整；并实现测试球化率及抗拉强度的判定如图9所示。

系统智能给出成本最低的中频炉配料单，电子称量装置感知每炉需要的各种原材料的重量，称料重量反馈到生产控制中心；红外测温设备感知铁水温度，金属熔化后，温度达到设定温度提示脱氧扒渣；然后取样使用光谱仪和炉前智能分析仪分析，结果显示在控制中心。

The first snow sounds violent, much rain and hail in summer.

在2018年4月底的年会现场，原国税局副局长许善达提出增值税改革以来，部分企业的改革获得感并不强，其中留抵税款就是一大阻力。留抵税款从根源上影响了企业的减税红利，但是如果留抵税款在政策上改为退税款，预估每年的减税规模能达5000亿元左右。可见，加速建立稳定的退税机制已经成为企业的一大期望。

②决策功能

智能判断铁水化学成份，成分不合格根据提示调整成分，合格后升降金属液出炉温度提示出炉。生产控制中心与操作台全过程可以显示配料单、温度、化学成分、各种操作指令。

1) 建立信息共享中心。可在所确立的海上搜救责任区内设立信息共享中心，各救助方共享海上险情信息，协调行动，及时做出应急处理。各缔约国可以指定国内相应的救助机构作为信息联络点，并向海上信息共享中心派驻协调员，负责与本国的救助机构联系，共同承担海上人命救助责任。

3 应用效果

本技术经过在国内某缸套公司应用，实现了动态优化调整中频炉配方并自动添加炉料，动态控制脱氧扒渣，智能判断出炉或自动成份调整；精确定量浇注，全过程屏幕显示配料单、温度、化学成分以及各种操作指令，并将所有的数据传至云端。通过以上智能化熔炼措施，实现了化学成分精准控制，铁水成份实时优化。以国内某缸套企业110缸套为例，应用本技术生产出来的气缸套经过检测，石墨组织为A形石墨90%，珠光体占98%，金相组织显著改善(如图10) 。