激光技术在铝合金铸造液位控制中的应用

　　摘要：介绍激光技术在铝合金铸造过程中液位自动控制方面的应用，以及对提高扁锭质量的作用。

　　关键词：铝合金；铸造；激光技术；液位控制；定位

　　随着铝加工业的发展，各铝加工企业和研究机构致力于提高铸锭表面质量的研究，使铸锭表面尽可能平整光滑，减少或消除粗晶层、偏析瘤等表面缺陷，减少铸锭厚差，底部翘曲和肿胀等。使扁铸锭在热轧前尽可能少铣面或不铣面，以提高成才率。铝合金铸造技术的新进展和有前途的技术是：脉冲水冷和加气铸造，电磁铸造，液位自动控制技术，可调结晶器等相关技术。2002年我公司从德国洛伊热工业公司引进先进的全自动水冷25t铸造机。此台铸造机应用了脉冲水冷、激光技术液位自动控制技术，下面介绍激光技术在液位自动控制方面的应用，以及对提高扁锭质量的作用。

　　1 液位自动控制技术

　　从20世纪80年代以来，工业发达国家在铝合金扁锭铸造中广泛采用液位自动控制技术。这不仅使金属液位实现了自动稳定控制，而且可以实现低液位铸造，提高了扁锭内部质量和表面质量，从而减少铣面量。我公司原有铸造线基本采用分配漏斗控制，金属液位波动大，难以实现低液位控制。为了生产高质量的铸锭，引进了以激光传感器为检测元件。与之配套的执行器为精密步进电机的液位控制系统。

 　　1.1传感器功能　　

　　这种传感器是利用光学三角网技术研发出来的，并适用于高温条件下不接触测量。该传感器的设计是将瑞士precimeter的专利数字技术和光学技术结合起来，达到很高准确度（现场激光上下误差为±0.03mm），激光传感器光源是一个激光二极管发射的红色可见光，使其便于成为直线和功能测试。

　　激光源可以连续调整最佳折射光反馈给传感器，与被测物表面特征无关。在无需重新校正的情况下可精确地测量各种材料。利用charg coupled device图像检测器获得了散光，具有抗干扰性和高析像能力。检测器的信号直接转换成模拟信号和数字信号，所形成信号与物体的远近成正比。

　　1.2液面控制系统

　　传感器基于一个CD扫描场，作为反射光的接收器，通过CD扫描场像数字照相机一样实际接收一幅照片。这样可以分析接收到光线的轮廓，通过对反射的照片进行智能分析，由蒸汽或其他干扰因素引起的散热可被消除。因此，这种传感器在一定条件下对水蒸气和灰尘不敏感，但在现场实际应用时发现火焰、黑烟会对它产生干扰，造成铝合金铸造开头液位波动大。在设备带负载试车时，针对这种情况，瑞士peceimeter公司更换了Ⅲ级激光，由于接收器高度灵敏，所以避免了纯铝料、火焰、浓烟对它的干扰。

　　2 铸造工艺过程

　　铸造铝合金锭的工艺流程如下：操纵手在电脑操作画面提示下将铸造条件准备好，将所铸扁锭工艺参数给予确定（如铸造温度、铸造速度、冷却水流量等），然后把钥匙开关达到自动位置上，铸造机进入到自动铸造过程。铸造机首先进行自检，均符合条件后，开始检测激光传感器。开放24 V电源，射出红色光点，在自动控制程序控制下开始对激光传感器进行基准位校验。根据工艺需要及现场条件，程序中激光传感器的基准位我们设定为铸造模具加上一个标准钢板的厚度为基准零位，以此基准位向下减去工艺菜单中设定液位值后，所检测到的铝液液位作为实际值。在铸造过程中与设定值形成一个闭环控制。参看图1。

                                             图l 铸造过程闭环控制框图

　　铝液液面的控制：控制铝液使其以一定速度下流（电气控制方面是由激光传感器和栓塞执行器完成）。铝液经流槽流过来，这时铸嘴上的栓塞被执行器（内含0 V～10 V小步进电机和一个气缸）控制，以一定开口度让铝液经铸嘴流下去，而激光传感器作为检测装置，时时反馈结晶器中液位的数值，从而以PID闭环形式控制执行器微动，保证几个铸嘴中的铝液以几乎相同的速度下行，其误差范围仅为0.03mm。

　　不稳定的液位容易使铸锭表面出现冷隔，对缺口敏感性较强的合金扁锭来说，冷隔有可能直接导致侧裂纹。所以稳定的液位是避免冷隔产生的重要条件，另外，稳定的液位也可以减少粗晶粒和粗大柱壮晶的形成。这是因为在铸造速度一定的情况下，结晶器内液位控制的平稳就表示浇注嘴向结晶器内的供流非常均匀，这样就使液穴中熔体温度均匀，在结晶时就减少了不均匀晶粒的产生，从而减少了粗晶粒和粗大柱状晶的形成，进而提高扁锭的内部质量。

　　此激光检测器运行近9年，状态良好几乎无维修量。液位控制精确，大大改善了扁锭表面粗糙度，减少了铣面深度。

　　使用激光控制液位时需注意以下问题：

 　 ①调试时，发现激光检测器对纯铝（即洗炉料）液面检测不好，经分析是纯铝反射不好导致接收不到信号，反馈给制造商后提供了接收器更强的激光检测器。　　

　　②铸造初始阶段如果润滑油量大，会导致铸造开头润滑油着火且冒浓烟，给激光检测器带来很大的外界干扰，常造成收不到液位信号，报警系统启动，铸造过程中断。针对此现象，我们一方面改善润滑油的自动运行，减少火焰、烟对激光检测器的干扰；另一方面，对控制程序加以修改，改变报警启动的等待时间，而加大采样频率，从而提高了一次铸造成品率。