張乃祿，韓 凱，劉小龍，薛記周，李 博

(1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065)(2.西安海聯(lián)石化科技有限公司，陜西 西安 710065)

0 引 言

采用真空自耗電弧爐熔煉鈦及鈦合金鑄錠時(shí)，高溫熔融鈦和雜質(zhì)金屬會(huì)噴濺附著在坩堝內(nèi)壁，當(dāng)坩堝再次使用極易產(chǎn)生邊弧，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿坩堝發(fā)生爆炸；此外，坩堝內(nèi)壁噴濺物對(duì)鑄錠質(zhì)量也會(huì)產(chǎn)生較大影響。因此，采用真空自耗電弧爐熔煉鈦及鈦合金鑄錠時(shí)，必須對(duì)坩堝進(jìn)行徹底清洗。真空自耗熔煉坩堝種類繁多，規(guī)格與尺寸各異[1-3]，且清洗過(guò)程繁雜，規(guī)格不同時(shí)，所需采用的工位和清洗行程也不同。目前鈦錠加工企業(yè)多采用人工清洗或手動(dòng)控制清洗，其清洗效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作過(guò)程不安全，并且難以達(dá)到滿意的清洗效果。為此，針對(duì)鈦及鈦合金真空自耗電弧爐熔煉的特點(diǎn)以及坩堝清洗工藝的要求，研制了鈦及鈦合金真空自耗熔煉坩堝自動(dòng)清洗機(jī)[4-5]。該清洗機(jī)通過(guò)觸摸屏輸入坩堝尺寸數(shù)據(jù)，采用PLC進(jìn)行坩堝清洗過(guò)程自動(dòng)化控制，可實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鈦及鈦合金真空自耗熔煉坩堝的自動(dòng)化清洗[6]。

1 坩堝自動(dòng)清洗機(jī)技術(shù)指標(biāo)與功能要求

采用真空自耗電弧爐熔煉鈦及鈦合金鑄錠時(shí)，不同規(guī)格的鑄錠需要使用不同規(guī)格的坩堝，且熔煉不同成分的鈦錠，坩堝內(nèi)壁的污染嚴(yán)重程度也不同。因此，坩堝自動(dòng)清洗機(jī)應(yīng)可以自動(dòng)高效清洗不同規(guī)格、不同內(nèi)壁污染程度的坩堝，具體的技術(shù)指標(biāo)與功能如下：①刷組件升降速度88～880 mm/min，無(wú)極調(diào)速；②刷組件轉(zhuǎn)速0～160 r/min，無(wú)極調(diào)速；③刷組件升降有效行程4 100 mm；④根據(jù)坩堝的直徑和高度參數(shù)，自動(dòng)確定清洗工位和清洗行程；⑤實(shí)現(xiàn)多種規(guī)格坩堝的自動(dòng)化一鍵清洗。

2 坩堝自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)成

針對(duì)鈦及鈦合金真空自耗熔煉的特點(diǎn)及坩堝清洗工藝要求，坩堝自動(dòng)清洗機(jī)應(yīng)能夠完成刷組件升降行程與旋轉(zhuǎn)速度的設(shè)定與自動(dòng)控制，能夠自動(dòng)確定不同規(guī)格坩堝的清洗工位并實(shí)現(xiàn)一鍵清洗。坩堝自動(dòng)清洗機(jī)由刷組件旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)、刷組件升降系統(tǒng)、臺(tái)車移動(dòng)與鎖緊機(jī)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)等4部分構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 坩堝自動(dòng)清洗機(jī)構(gòu)成示意圖Fig.1 Composition diagram of crucible automatic cleaning machine

2.1 刷組件旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)

鈦及鈦合金真空自耗熔煉坩堝直徑規(guī)格多樣，根據(jù)不同規(guī)格的坩堝，設(shè)計(jì)有多種直徑刷組。為保證良好的清洗效果，刷架、刷頭均為不銹鋼材料。刷組旋轉(zhuǎn)電機(jī)采用變頻器控制，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，減速機(jī)減速比為1∶9，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后刷組旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)0～160 r/min范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。根據(jù)坩堝直徑，選取合適的刷組旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行清洗，可以有效克服不同直徑坩堝清洗時(shí)不同的摩擦阻力，從而減少設(shè)備的振動(dòng)。

2.2 刷組件升降系統(tǒng)

刷組件升降運(yùn)動(dòng)為絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，絲杠旋轉(zhuǎn)一圈刷組件位移為14.0 mm。刷組升降電機(jī)采用變頻器控制，額定轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，減速機(jī)減速比為1∶23，經(jīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)后刷組升降輸出轉(zhuǎn)速可實(shí)現(xiàn)88～880 mm/min范圍內(nèi)的連續(xù)可調(diào)。坩堝內(nèi)壁附著物較多時(shí)，設(shè)定刷組以較小的升降速度進(jìn)行清洗，以保證良好的坩堝清洗效果。刷組件升降最大行程為4 100 mm，并由上、下限位開關(guān)確定和調(diào)整。光電開關(guān)采集絲杠旋轉(zhuǎn)信號(hào)，從而確定不同高度坩堝的清洗行程，使刷組件在有效行程內(nèi)升降，可以根據(jù)坩堝規(guī)格任意調(diào)整行程。

2.3 臺(tái)車移動(dòng)與鎖緊機(jī)構(gòu)

臺(tái)車移動(dòng)通過(guò)鏈條傳動(dòng)，最大行程為2 554 mm。根據(jù)多種規(guī)格坩堝的不同工位清洗需要，設(shè)計(jì)2個(gè)清洗工位和1個(gè)清洗準(zhǔn)備工位，每個(gè)工位相應(yīng)位置都設(shè)置有機(jī)械限位開關(guān)，同時(shí)臺(tái)車移動(dòng)電機(jī)帶有抱閘可以保證其在工位準(zhǔn)確停車。其中清洗準(zhǔn)備工位主要完成不同規(guī)格的刷組更換；清洗工位1主要完成較小直徑坩堝清洗；清洗工位2主要完成較大直徑坩堝清洗。臺(tái)車到達(dá)預(yù)定清洗工位進(jìn)行坩堝清洗時(shí)，通過(guò)對(duì)氣缸的控制，使卡爪做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將導(dǎo)軌拉緊實(shí)現(xiàn)與臺(tái)車夾緊，可以保證清洗過(guò)程的穩(wěn)定性及安全性。

2.4 電氣控制系統(tǒng)

坩堝自動(dòng)清洗機(jī)電氣控制系統(tǒng)主要由可編程邏輯控制器PLC、HMI觸摸屏、變頻器、光電開關(guān)、開關(guān)電源以及其他低壓電氣元件構(gòu)成，可實(shí)現(xiàn)坩堝清洗參數(shù)的設(shè)定以及刷組旋轉(zhuǎn)、升降及臺(tái)車移動(dòng)鎖緊等設(shè)備動(dòng)作的自動(dòng)化控制，并具有過(guò)熱保護(hù)、通電指示、急停等功能，可保證設(shè)備安全、可靠運(yùn)行。

3 坩堝清洗機(jī)自動(dòng)化控制

3.1 自動(dòng)化控制硬件設(shè)計(jì)

(1)自動(dòng)化控制硬件組成自動(dòng)控制主要硬件由S7-200PLC和HMI觸摸屏完成。S7-200PLC控制自動(dòng)化清洗過(guò)程，主要完成刷組、臺(tái)車、軌道、水泵、照明控制。HMI觸摸屏用來(lái)進(jìn)行操作設(shè)定，變頻器控制刷組旋轉(zhuǎn)、升降，PLC與變頻器進(jìn)行RS485通訊，變頻器速度可以實(shí)時(shí)讀取/寫入，實(shí)現(xiàn)刷組旋轉(zhuǎn)、升降速度無(wú)極可調(diào)[7]。坩堝清洗機(jī)自動(dòng)化控制硬件組成如圖2所示。

圖2 坩堝清洗機(jī)自動(dòng)化控制硬件組成圖Fig.2 Hardware composition diagram of crucible cleaning machine automatic control

(2)PLC的接口電路設(shè)計(jì)與地址分配根據(jù)坩堝清洗自動(dòng)化控制硬件組成，PLC采用TCP/IP協(xié)議經(jīng)以太網(wǎng)接口與西門子HMI觸摸屏建立通訊，采用MODBUS協(xié)議經(jīng)RS485接口與ABB變頻器建立通訊。整個(gè)系統(tǒng)共有9個(gè)開關(guān)量輸入、9個(gè)開關(guān)量輸出。PLC的I/O接口電路設(shè)計(jì)及地址分配分別如圖3和表1所示。

圖3 PLC的I/O接口電路設(shè)計(jì)圖Fig.3 I/O interface circuit design of PLC

3.2 自動(dòng)化控制程序設(shè)計(jì)

坩堝清洗自動(dòng)化控制主要需完成坩堝直徑的設(shè)定和工位自動(dòng)確定，刷組旋轉(zhuǎn)、升降速度的設(shè)定及實(shí)際轉(zhuǎn)速的顯示，坩堝高度的設(shè)定及清洗過(guò)程的自動(dòng)化控制。通過(guò)對(duì)鈦合金真空自耗熔煉坩堝清洗的工藝過(guò)程進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出坩堝清洗自動(dòng)化控制程序流程，如圖4所示。

通過(guò)對(duì)坩堝清洗的自動(dòng)化控制進(jìn)行分析，利用西門子STEP 7-MicroWIN SMART V2.1編程軟件按照坩堝清洗的自動(dòng)化控制流程編寫程序，以完成坩堝清洗過(guò)程的自動(dòng)化控制。

表1PLC的I/O地址分配

Table 1 I/O address allocation of PLC

3.3 人機(jī)交互界面HMI程序設(shè)計(jì)

坩堝清洗機(jī)人機(jī)交互界面HMI采用西門子Wincc flexible SMART V3編程軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)坩堝清洗控制的需要，將控制界面劃分為清洗模式選擇界面、手動(dòng)清洗控制界面、自動(dòng)清洗控制界面。圖5為設(shè)計(jì)的坩堝清洗人機(jī)交互界面程序流程框圖。

圖4 坩堝清洗自動(dòng)控制程序框圖Fig.4 Automatic control process diagram for crucible cleaning

圖5 坩堝清洗人機(jī)交互界面程序框圖Fig.5 Human-machine interface process diagram for crucible cleaning

鈦及鈦合金真空自耗熔煉生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)所需清洗坩堝的規(guī)格確定直徑、高度以及刷組旋轉(zhuǎn)速度參數(shù)，依據(jù)坩堝內(nèi)壁附著物多少確定合適的刷組升降速度參數(shù)。用戶在人機(jī)交互界面進(jìn)行坩堝直徑和高度、刷組旋轉(zhuǎn)及升降速度等主要清洗參數(shù)設(shè)定，完成鈦及鈦合金真空自耗熔煉坩堝一鍵清洗，并直觀顯示清洗過(guò)程中刷組旋轉(zhuǎn)及升降實(shí)時(shí)速度、電機(jī)工作狀態(tài)、是否到限位等主要設(shè)備工況。圖6為人機(jī)交互界面圖。

圖6 人機(jī)交互界面圖Fig.6 Photo of human-machine interface

4 坩堝自動(dòng)清洗機(jī)特點(diǎn)與應(yīng)用效果

本研究制造的鈦及鈦合金真空自耗熔煉坩堝自動(dòng)清洗機(jī)已在鈦錠熔煉企業(yè)投入使用，實(shí)際運(yùn)行效果良好，其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

(1)采用PLC進(jìn)行坩堝清洗過(guò)程自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)了不同規(guī)格、不同內(nèi)壁污染程度坩堝的自動(dòng)清洗。

(2)坩堝自動(dòng)清洗刷組件旋轉(zhuǎn)、升降采用ABB變頻器進(jìn)行控制，刷組旋轉(zhuǎn)在0～160 r/min連續(xù)可調(diào)，刷組升、降速度在88～880 mm/min連續(xù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了鈦及鈦合金熔煉坩堝的高效清洗。

(3)坩堝自動(dòng)清洗機(jī)效率高，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了真空自耗熔煉鈦及鈦合金鑄錠的質(zhì)量以及熔煉生產(chǎn)過(guò)程的安全性。