一种真空浇铸用中间包塞棒的自动控制系统

摘要

一种真空浇铸用中间包塞棒的自动控制系统，包括用于检测中间包内的钢水重量的称重系统、接收所述称重系统的称重值的PLC塞棒控制系统以及中间包向真空室中铸模流入钢水的流速控制装置与液滴大小控制装置，由PLC塞棒控制系统根据所获取称重值，控制所述流速控制装置实现对流速的调节，控制所述液滴大小控制装置实现对液滴大小的调节，本发明在满足多炉真空连续浇铸、控制钢液温降、避免卷渣的要求下，可实现对塞棒升降的闭环精确控制和对心部吹氩流量的开环精确调节，能够有效控制中间包注入真空室钢水速度和液滴大小，较好地与真空罐内的真空度匹配，有利于生产出高质量的大型铸坯；同时能够有效保护塞棒耐材、水口耐材、驱动和传动机构。

说明书

技术领域

本发明涉及真空铸锭装置技术领域，特别涉及一种真空浇铸用中间包塞 棒的自动控制系统。

背景技术

目前，真空铸锭生产过程中，采用手动控制塞棒的方式浇铸工件。这种 塞棒控制方式，只能人为设定塞棒行程，没有钢水浇铸速度的自动检测和控 制措施，塞棒升降位移和塞棒心部吹氩量均无法根据中间包内钢水液面的变 化及时调整，更无法有效控制钢水浇铸速度和液滴大小。另外，手动操作方 式存在工作条件差、劳动强度大、生产效率低和成品率低的缺陷。

公知的钢水真空多炉连续浇铸时，中间包内钢水液面和钢锭模钢水液面 波动都比较大，无法利用常压连铸机中的结晶器内钢水液面检测装置，获得 有效的液面高度信号，无法实时控制钢水浇铸速度和液滴大小。钢液速度过 慢或液滴过小，快速降低钢液温度，铸锭内部温度分布场不均匀，影响铸锭 质量；钢液速度过快和液滴过大，真空脱气效果不良，中间包内钢液面快速 下降，出现涡流卷渣，同时多炉连续浇铸衔接困难，也影响铸锭质量。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种真空浇铸用 中间包塞棒的自动控制系统，该系统符合真空浇铸工艺要求、塞棒控制精度 好、自动化程度高、结构简单、操作容易、安全性好、有利于生产高质量大 型铸坯。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种真空浇铸用中间包塞棒的自动控制系统，包括：

用于检测中间包3内的钢水2重量的称重系统；

接收所述称重系统的称重值的PLC塞棒控制系统10；

以及，

连接所述PLC塞棒控制系统10的中间包3向真空室中铸模7流入钢水 2的流速控制装置与液滴大小控制装置，由PLC塞棒控制系统10根据所获 取称重值，控制所述流速控制装置实现对流速的调节，控制所述液滴大小控 制装置实现对液滴大小的调节。

所述真空室包括带有真空罐盖4和真空泵抽气系统9的真空罐5，所述 称重系统包括设置在真空罐盖4上的若干称重传感器4.1，真空罐5位于中 间包3的下方，来自钢包1的钢水2通过中间包3经由真空罐盖4送入位于 真空罐5中的冒口6、铸模7和底盘8中。

所述称重传感器4.1共有3个，以中间包3座包中心分120度分别布置 在一个相应的称重法兰4.2下面，称重法兰4.2安装在密封套管4.7内，侧面 安装有密封圈二4.4与密封套管4.7形成密封，顶面安装有密封圈一4.3与密 封法兰3.13形成密封，称重传感器4.1的信号电缆由安装在密封套管4.7上 的穿线管接头4.8引出。密封套管4.7上还设置3个座包导向器4.6，便于中 间包3吊装。

所述真空罐盖4上设置有用于获取获得铸模7内钢液浇铸情况的高温摄 像机4.9和人孔观察孔4.10，PLC塞棒控制系统10根据高温摄像机4.9和/ 或人孔观察孔4.10所获取的信息修正对流速控制装置与液滴大小控制装置 的控制信号。

所述流速控制装置包括油缸3.10，油缸3.10连接升降柱3.5，升降柱3.5 通过连接臂3.3与位于中间包3中的塞棒3.1连接带动塞棒3.1升降，实现对 中间包3的水口3.14的开度调节；

所述流速控制装置包括位于心部吹氩管3.2中的流量切换阀10.2，心部 吹氩管3.2位于塞棒3.1的上部。

所述油缸3.10固定在位于中间包3外壁的安装架3.11上，安装架3.11 上安装有上、下限位开关3.9，油缸3.10的活塞缸上安装有圆形限位触发板 3.8，在油缸3.10的活塞缸工作过程中，圆形限位触发板3.8触发上、下限位 开关3.9，从而获取塞棒3.1的位置信号；

所述升降柱3.5在导向套3.7内上下运动，升降柱3.5上设置有定位螺母 3.4，中间包3的外壁设置支撑弧板3.6，定位螺母3.4位于支撑弧板3.6上方， 升降柱3.5带动塞棒3.1下降运动中定位螺母3.4碰触到支撑弧板3.6上沿而 无法下降，从而限定塞棒3.1的最低下降距离。

所述油缸3.10配备有液压系统10.1，当塞棒3.1与水口3.14塞合的挤压 力过大时，液压系统10.1溢流出油缸3.10内的液压油。

所述真空室内设置有真空度检测仪10.4，真空度检测仪10.4采集的真空 信号送入PLC塞棒控制系统10，PLC塞棒控制系统10连接有带有现场操作 箱10.6和工控机10.5。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：在满足多炉真空连续浇铸、控 制钢液温降、避免卷渣的要求下，该系统可实现对塞棒升降的闭环精确控制 和对心部吹氩流量的开环精确调节，能够有效控制中间包注入真空室钢水速 度和液滴大小，较好地与真空罐内的真空度匹配，有利于生产出高质量的大 型铸坯；同时，在有效地保证塞棒与水口塞合后，能够塞合力，有效保护塞 棒耐材、水口耐材、驱动和传动机构。

附图说明

图1是本发明机械系统示意图。

图2是本发明中间包塞棒传动机构示意图。

图3是本发明称量结构示意图。

图4是本发明罐盖结构剖视图。

图5是本发明罐盖结构俯视图。

图6是本发明塞棒控制系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，多炉连续真空浇铸时，钢包1被吊到距离中间包3上空指 定位置，向中间包3内注入钢水2到A吨钢水液面附近后，自动调整塞棒3.1 位置，控制钢水2注入到真空室内的冒口6、铸模7和底盘8中，其中真空 室包括带有真空罐盖4和真空泵抽气系统9的真空罐5，真空度由真空泵抽 气系统9建立。

本发明旨在设置合适的称重系统，在线检测中间包3内的钢水2重量， 并根据检测结果，由PLC塞棒控制系统10控制流速控制装置实现对中间包 3向真空室中铸模7流入钢水2的流速的调节，同时还实现对中间包3向铸 模7流入钢水2的液滴大小的调节。

如图2所示，在中间包3外壁上自上到下安装有支撑弧板3.6、导向套 3.7和安装架3.11，安装架3.11上安装油缸3.10和上、下限位开关3.9，流 速控制装置包括油缸3.10，油缸3.10连接升降柱3.5，升降柱3.5通过连接 臂3.3与位于中间包3中的塞棒3.1连接带动塞棒3.1升降，实现对中间包3 的水口3.14的开度调节；流速控制装置包括位于心部吹氩管3.2中的流量切 换阀10.2，其中心部吹氩管3.2位于塞棒3.1的上部。油缸3.10的活塞缸上 安装有圆形限位触发板3.8，在油缸3.10的活塞缸工作过程中，圆形限位触 发板3.8触发上、下限位开关3.9，从而获取塞棒3.1的位置信号；而升降柱 3.5在导向套3.7内上下运动，升降柱3.5上设置有定位螺母3.4，支撑弧板 3.6起稳定塞棒3.1升降作用，定位螺母3.4位于支撑弧板3.6上方，升降柱 3.5与连接臂3.3通过螺纹连接，调节定位螺母3.4到某一位置。升降柱3.5 带动塞棒3.1下降运动中定位螺母3.4碰触到支撑弧板3.6上沿而无法下降， 从而起到了限定塞棒3.1的最低下降距离的作用。同时，油缸3.10配备有液 压系统10.1，当塞棒3.1与水口3.14塞合的挤压力过大时，液压系统10.1溢 流出油缸3.10内的液压油。

如图3、图4和图5所示，本发明称重系统包括设置在真空罐盖4上的 若干称重传感器4.1，真空罐盖4上还设有保护套4.5、高温摄像机4.9、和 人孔观察孔4.10。称重传感器4.1有三个，以中间包3座包中心分120度分 别布置在一个相应的在称重法兰4.2下面。称重法兰4.2安装在密封套管4.7 内，侧面安装有密封圈二4.4与密封套管4.7形成密封，顶面安装有密封圈 一4.3与密封法兰3.13形成密封。称重传感器4.1的信号电缆由安装在密封 套管4.7上的用于真空密封的穿线管接头4.8引出，密封套管4.7上还设置3 个座包导向器4.6，便于中间包3吊装。

如图6所示，本发明PLC塞棒控制系统10具有闭环实时准确调节功能， 称量传感器4.1在线自动检测中间包3内的钢水2重量，将重量信号反馈到 PLC塞棒控制系统10。PLC塞棒控制系统10根据重量准确判断钢水2高度， 当钢水2重量使得其高度达到A吨钢水液面和B吨钢水液面以之间时，开启 水口3.14中配置的液压插板阀3.12，准备浇铸。当钢水2重量使得其高度达 到A吨钢水液面附近，开启塞棒3.1，并及时控制塞棒3.1升降，进行水口 3.14开度的闭环调节，实时控制从中间包3注入铸模7中钢水2的流速，也 使得中间包3内的钢液面相对稳定，避免钢水2卷渣。

本发明中，关于钢液重量(也即液面高度)与调节项的关系，如

重量公式：G＝S×h×ρ

其中，

G：中间包3中所盛放钢水2的重量，单位t。

S：中间包3的底面积，单位m²。

h：钢水2液面浇注高度，单位m。

ρ：钢水2密度，单位t/m³。

真空浇铸速度公式：$Q=F\times ϵ\times \rho \times \sqrt{2\mathrm{gh}}.$

其中，

Q：浇铸流速，单位t/min。

ρ：钢水2密度，单位t/m³。

g：重力加速度，单位m/min²。

h：钢水2液面浇注高度，单位m。

ε：修正系数。

F：水口3.14有效通流面积，单位m²。

根据以上公式，可以看出，中间包3内钢液重量和浇铸流速的关系，水 口3.14和浇铸流速的的关系。为得到恒定的理想浇铸速度，可以利用钢液重 量的变化，计算出钢水2液面浇注高度的变化，再调节水口3.14有效通流面 积大小。

在得到相对恒定的浇铸速度的情况下，通过塞棒3.1吹入钢液的惰性气 体，可以搅拌钢液，使得大量气泡融入钢液，将体积较大的钢液滴分散成体 积较小的钢液滴，增大了单位体积钢液至于真空环境下的脱气面积，加快了 钢液滴内部有害气体分子的脱离速度。同时，吹入钢液的低温惰性气体，遇 高温钢液滴体积膨胀后，依靠气泡泵原理，也可以携带走一部分钢液滴内部 有害气体分子，也增加了钢液的脱气效率。当浇铸速度较快时，保持分散钢 液滴体积大小适中，则需要加大惰性气体吹入量；反之，减小惰性气体吹入 量。

本发明图1中，各个不同液面所搭配的操作说明如下：

当钢包1内钢水2量逐渐减少，注入中间包3内的钢水2处于B吨钢水 液面和C吨钢水液面之间时，可及时下降塞棒3.1，减小水口3.14开度，减 小从中间包3注入铸模7中钢水2的流速，使得中间包3内的钢液面相对稳 定，避免钢水2卷渣，当钢水2重量使得其高度达到C吨钢水液面附近，此 时钢包1被吊离后，新一炉钢包1被吊到距离中间包3上空指定位置，向中 间包3内再次注入钢水2到A吨钢水液面附近后，及时提升塞棒3.1升降， 增大水口3.14开度，再次增大从中间包3注入铸模7中钢水2的流速。

当最后一炉钢包1内钢水2量逐渐减少，注入中间包3内的钢水2处于 C吨钢水液面一下时，及时下降塞棒3.1，减小水口3.14开度，减小从中间 包3注入铸模7中钢水2的流速，使得中间包3内的钢液面相对稳定，避免 钢水2卷渣。

当钢水2重量接近零，即浇铸完成后，PLC塞棒控制系统10发出信号， 先落下塞棒3.1，再关闭液压插板阀3.12。当塞棒3.1与水口3.14塞合后， 挤压力过大时，液压系统10.1可自动溢流出油缸3.10内液压油，并及时调 节油缸3.10的推动力。

在铸造过程中，当钢包1向中间包3内注入钢水2的流度大于中间包3 向铸模7注入钢水2的流速时，中间包3内的钢水2液面上升接近或超过A 吨钢水液面后，提升塞棒3.1，增大水口3.14开度，增大从中间包3注入铸 模7中钢水2的流速，中间包3内的钢水2液面稳定在A吨钢水液面和B吨 钢水液面以之间。

在铸造过程中，根据中间包3内的钢水2液面高度的变化，控制塞棒3.1 升降的过程中或定位之后，调节心部吹氩管3.2的流量，实时调节钢水2的 液滴大小，较好地与真空抽气系统9在真空罐5内建立的真空度匹配。其中 流量控制信号由PLC塞棒控制系统10给出，经信号处理器10.3转换为流量 控制阀10.2的工作信号。

在铸造过程中，水口3.14开度和氩气流量调节阀10.2开度的调节，同 时根据真空度检测仪10.4测得真空罐内真空度的高低，以及由工控机10.5 接收的铸造工艺要求、高温摄像机4.9或人孔观察孔4.10获得铸模内钢液的 浇铸情况等综合因素，对PLC塞棒控制系统10的控制信号进行修正，精确 控制塞棒3.1升降速度。

本发明的工作原理为：利用实时检测到的中间包3内钢水2重量信号， PLC塞棒控制系统10准确判断钢水2高度，并根据真空浇铸工艺要求，实 现塞棒3.1升降位移的闭环精确控制和塞棒3.1心部吹氩管3.2流量的开环精 确控制，从而实时调节钢水2的浇铸速度和液滴大小。在调节过程中，利用 高温摄像机4.9或人孔观察孔4.10实施检测真空罐5内的浇铸速度和液滴大 小，修正PLC塞棒控制系统10发出的控制信号。当塞棒3.1与水口3.14塞 合的挤压力过大时，液压系统10.1自动溢流出油缸3.10内的液压油，避免 塞棒耐材、水口耐材、驱动和传动机构的受损。塞棒3.1的升降柱3.5上设 有两个定位螺母3.4，调节螺母位置，限定了塞棒3.1具有不同的下降高度， 保证塞棒与水口塞合紧密塞合，且接触面的挤压力适中。