【《直线铸型机系统设计》7500字（论文）】

直线铸型机系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u2787摘要 211090Abstract 324045第一章绪论 4273321.1选题背景 4275781.2国内外现状 4292041.3主要内容 51091第二章直线浇铸工艺设计 5233422.1连铸工艺技术 5303282.2镍阳极板自动定量浇铸实现难点 6110532.21结合镍与铜浇铸的不同，实现镍浇铸自动定量浇铸主要有以下两个难点： 613502.3.1镍阳极板手动浇铸工艺流程 7108782.3.3镍阳极板自动定量浇铸工艺流程方案设计 730032.4镍阳极板自动定量双浇铸控制系统总体方案设计 10294502.4.1控制系统的要求 10253422.4.2驱动方式选择 113247第三章镍阳极板中间包驱动和称重结构及其控制方法研究 1185493.1镍阳极板浇铸设备中间包驱动和称重结构设计 11293353.2镍阳极板自动定量浇铸中间包定量补充控制方法 1217141第四章镍阳极板浇铸机驱动结构及其控制方法研究 13287154.1镍阳极板自动定量浇铸设备浇铸机驱动结构 1338464.1.1液压倾转式浇铸机驱动结构 13314104.1.2伺服滑动式浇铸机驱动结构 14276205.1直线铸型机结构 1553445.2直线铸型机准确定位难点 1663075.2.1直线铸型机定位要求 16296645.2.2直线铸型机链条磨损 17180595.3直线铸型机准确定位设计 1765515.3.1编码器选择 1858155.3.2直线铸型机停止目标位置 18摘要镍是具有铁磁性的高硬度金属，在地壳中主要由铁、镍等化合物组成。镍合金能在在高温条件下承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力，它是现代航空发动机、航天器和火箭发动机以及舰艇和工业燃气轮机的关键热端部件材料，也是核反应堆、化工设备、煤转化技术等方面需要的重要高温结构材料。因为镍的抗腐蚀性能佳，常被用在电镀上。又因为镍的熔点较高，相比于铜阳极板的浇铸需要更长的冷却时间，故直线铸型机系统常常用于镍阳极板的铸造。直线铸型机相比于圆盘铸型机可能生产效率较低，但提供了更长的冷却时间。为提高生产效率采用双层链式小车的循环利用。为了达到规定的产量，浇铸工艺采用连续浇铸。关键词；阳极板连续浇铸直线铸型机第一章绪论1.1选题背景镍是具有战略意义的金属矿种之一，具有很好的可塑性、耐腐蚀型和磁性的特点。镍为不锈钢、镍基合金、电镀工艺、合金钢等金属制品制造的必要元素，在军工产业、机械制造工业、石油工业、化学工业、电气设备、建筑业等方面广泛应用。直线铸型机在金属铸型方面应用比较广泛，它的特点是运行速度低，结构紧凑，操作简单，而且链条长，对于阳极板冷却效果好。镍阳极板具有易破碎的特点，为了防止阳极板破碎，必须通过缓慢冷却对其降温，因此浇铸完后需要足够的冷却时间，待阳极板凝固后才能进行取板，因此采用直线机作为承载方式，增长取板时间，使阳极板缓慢冷却。第五章镍阳极板直线铸型机定位技术研究直线铸型机是模具的承载装置，本章介绍了直线铸型机结构组成，分析了直线铸型机定位具有定位要求高、磨损程度不一致的难点，然后对实现直线铸型机准确定位的方法进行研究，主要包括编码器的选择以及定位方案和控制方案的设计。1.2国内外现状国内硫化镍矿多为低品位矿品，需要进行选矿富集[7]，选矿工艺有多种，以浮选处理为主[8]，处理后的硫化镍通过火法冶炼的方式进行熔铸（浇铸阳极板），然后进行电解处理。其中熔铸是镍精炼部分的重要环节，此环节主要是将熔融镍浇铸成重量和规格一致的阳极板，浇铸出的阳极板是电解精炼镍的中间产品[9]，其品质好坏直接影响电解环节的能耗和生产效率，影响电解精炼镍的总体成本[10]。浇铸是熔铸过程的关键，因此浇铸工艺和浇铸设备的研究在镍冶炼中显得极其重要[11]。20世纪70年代美国康特洛德公司和德国SMSMeer公司合作开发了连续浇铸工艺并将其应用于阳极板的生产[16]。浇铸技术经过几十年的发展和完善，应用于阳极板生产的主要有铸模和连铸两种浇铸工艺，当今世界上铸模工艺的代表是芬兰奥图泰（OUTOTEC）完美公司[17]的产品和日本三井公司（Mesco）、三菱材料公司（MistubishiMaterialCorporation）的产品。连铸工艺的浇铸设备代表是美国康特洛德和德国SMSMeer公司的连续带式直线浇铸设备[18,19]。1.3主要内容直线铸型机为镍浇铸过程中镍阳极板模具的承载装置，由74个模具承载小车首尾连接而成，车上面安装有阳极板模具，小车和小车之间通过销轴连接。镍阳极板直线铸型机设计包括镍阳极板铸型机的直线机械系统和相应的控制系统。机械系统包括：铸型机、小车、主动驱动装置、从动调整装置。在镍阳极板直线浇铸中,采用可编程控制器（PLC）、变频器等实现速度的良好控制，改善了系统运行特性。第二章直线浇铸工艺设计2.1连铸工艺技术连铸工艺（连铸连轧）[34]是指将熔融状态金属倒入浇铸包中铸造出规定形状的胚体，胚体不冷却直接进入轧机制成成型的金属制品轧制工艺，主要应用在钢铁、铜杆等金属制品的制作。相对于铸模工艺来说，连铸工艺生产的阳极板几何尺寸精确度高，致密性好，不需要后期处理，不用喷涂脱模剂，减少了对电解液的污染，同时还具有重量精度高，残极率低的优点。但是连铸工艺设备结构复杂，流程长，占地面积大，维修量大且价格昂贵。虽然铸模工艺生产的阳极板物理属性没有连铸生产的阳极板属性好，但是相对于连铸工艺的缺点，只需要加装价格便宜的整板机组进行整板处理，阳极板便能完全能满足电解的需要，因此，国内基本全部采用铸模工艺的浇铸设备生产阳极板制品，连铸工艺通常用在铜杆和钢铁的生产上[36]。2.2镍阳极板自动定量浇铸实现难点2.21结合镍与铜浇铸的不同，实现镍浇铸自动定量浇铸主要有以下两个难点：(1)熔融状态镍液粘结性强，流动性差。如图2.3所示，图为手动浇铸时浇铸包的粘结状况，可以发现浇铸包粘结严重，剩余很小的容积空间。增加定量浇铸设备后，大量粘结会导致浇铸机的重心偏移，影响浇铸机底部称重机构称重的准确性，且粘度大，有块状物产生，导致液体不易流出，或者块状物流下瞬间导致液体流速突变，对设备重量采集产生极大干扰，增加其定量浇铸控制的难度。(2)阳极板品质与产量要求高。阳极板物理规格符合要求，重量偏差要求控制在±2.5%范围内，合格率要达到96%。阳极板产量要求每小时＞25t，相对于铜阳极板浇铸来说，镍阳极板较小，阳极板越小，越难快速浇铸，产量越低。2.3.1镍阳极板手动浇铸工艺流程镍原料经过熔化后经流槽流入到浇铸包内，操作人员手动控制浇铸机转动，往模腔内部浇镍液，同时用肉眼观察倒入模腔内部的液体量，等达到所需要的液面高度后，手动控制浇铸机返回，然后控制直线铸型机转动，等转动到浇铸位置时再次进行浇铸。在浇铸工艺前几个模位，有喷涂工艺区，用来对阳极板进行喷涂脱模剂，方便阳极板从模具内取出。浇铸工艺区后面模位为阳极板喷淋冷却工艺区，用来喷淋冷却水，加快镍板的凝固冷却。阳极板进行完喷淋冷却后，进入取板工艺区，工人进行翘板，通过气缸钩取后放入阳极板暂存区域，阳极板到达一定数量后，用行车将暂存区域的阳极板取走，然后放入保温区进行保温。目前手动工艺流程如图2.4所示。2.3.3镍阳极板自动定量浇铸工艺流程方案设计（1）改进措施①增加中间包、浇铸机和控制系统实现镍阳极板自动定量浇铸。②通过在流槽上方添加保温壳以及在中间包和浇铸包上方添加天然气枪加热来解决熔液粘结和流动性差的问题。③采用单中间包双浇铸机的方式来满足产量要求。（2）改进后的工艺流程自动工艺流程相对于手动工艺流程最大的不同为增加了中间包和浇铸机以及控制系统，改进后的工艺流程为：镍原料经过熔化后，打开阳极炉出镍口，镍液经流槽流入中间包内，中间包为镍液的暂存装置，上方用天然气枪进行保温加热，防止镍液凝结。待中间包内流入的镍液到达一定重量后，然后中间包旋转向放在一号浇铸机上方的浇铸包进行镍液补充，浇铸机内的称重装置利用增重法对流入的镍液进行动态称重，当给浇铸包内补充的镍液到达设定的重量值时，中间包返回至初始位置并反方向旋转向二号浇铸机上方的浇铸包补充镍液。当直线铸型机静止后且承载的模具处在浇铸位置（一号对应第一个承载小车的左侧，二号对应第二个承载小车的右侧）时，浇铸机开始对模腔内部浇铸镍液，利用减重法记录浇铸出的镍液重量，根据浇铸出的镍液重量，控制浇铸机的运动，浇铸出的镍液到达所设定阳极板的板重时，本块阳极板浇铸完成，浇铸机运转到初始位置，然后直线铸型机运行两个模位，再次进行浇铸。在整个浇铸过程中，直线铸型机、中间包和浇铸机处于不断运转及停歇的交替变换之中。自动工艺流程如图2.6所示。②单电机模块电路设计单轴电机模块可以控制一个伺服电机转动，本单轴电机模块用来控制中间包的伺服电机。电路图如图6.7所示，电路原理与双轴电机模块相同，可参考双轴电机模块。2.4镍阳极板自动定量双浇铸控制系统总体方案设计2.4.1控制系统的要求本控制系统的作用主要是控制相关浇铸设备实现所设计的工艺流程，控制系统主要要求为：（1）称重系统的重量准确采集。包括两个浇铸机秤体的动态重量采集以及中间包秤体的动态重量采集。浇铸机的动态称重是达到阳极板品质要求的关键，要求的重量采集精度高受电磁干扰小，称重精度需要达到0.1kg。中间包动态称重为了满足给浇铸包的定量补充，称重精度要求较低，需要达到1kg。（2）浇铸机的驱动控制。要求浇铸机伺服电机具有响应快，速度与位置控制准确的特点。（3）中间包的驱动控制。要求中间包驱动装置响应快、速度可调、耐热性好。（4）直线铸型机准确定位。浇铸包包口和模具仅有3.5mm的定位误差范围，超出定位误差范围，液体将倾倒至模具外面。2.4.2驱动方式选择（1）浇铸机驱动方式选择目前浇铸机的驱动方式主要有液压驱动和伺服电机驱动两种。在铜阳极板浇铸上，大部分浇铸机采用液压缸作为驱动元件，液压缸具有冲击大，响应慢的特点，且液压油温度会时刻变化，影响液压缸速度控制的准确性，最重要的一点液压缸是竖直方向直上直下运动来驱动浇铸机围绕支点转动，而浇铸机称重机构也是采集的竖直方向的重力，因此油缸运动所产生的加速度力全部作用到浇铸机称重机构，影响浇铸包内液体真实重量的采集。而且随着油缸在运动过程中行程的改变，缸体内部液压油的量也在时刻变化，所产生的重力也作用在浇铸机称重机构上，同样影响铸包内液体真实重量的采集。液压驱动采用液压油作为驱动介质，具有易燃性，液压油容易泄漏，遇到熔液会燃烧，具有安全隐患。为了避免液压驱动的缺点，采用伺服电机作为驱动原件，伺服电机具有可控性好，响应快的优点，且不会燃烧造成安全隐患。（2）中间包驱动方式选择由于浇铸机选择伺服电机为驱动元件，为了更好的简化系统要求，减少设备成本，选择伺服电机作为中间包的驱动元件，而且伺服电机具有可控性好、响应快的特点，相较于液压传动更适合作为中间包的驱动元件。第三章镍阳极板中间包驱动和称重结构及其控制方法研究在动态称重过程中，中间包给浇铸包补充镍液所产生的重力加速度会对浇铸机秤体产生颤振影响浇铸机的称重，补充过程中中间包的控制越稳定，浇铸机产生的颤振越小，每次补充值越稳定，浇铸机每次控制变化程度小越易控制。本章对中间包驱动和称重结构以及补充控制方法进行设计，其中控制方法分为两段，前期角度控制和后期流速反馈控制。3.1镍阳极板浇铸设备中间包驱动和称重结构设计目前中间包使用的驱动方式为液压驱动或电机驱动，无法判断包内液体高度，每次补充量之间差别大，且会有熔液补充溅出的状况，不仅浪费能源，导致清理工作量的加重，还会因为补充过快导致液体冲出，影响称重。本方案采用伺服电机作为驱动元件，并增加称重结构，实时读取中间包内液体的重量，通过称重计算控制中间包的旋转角度，控制流出液体的流速。设计的镍阳极板自动定量浇铸中间包结构，包括中间包、称重装置和驱动装置等部分，中间包位于承载支架的上部，承载支架右侧下方安装有齿条，伺服电机通过减速器减速后，采用齿轮齿条传动方式驱动中间包转动，中间包承载支架和伺服电机以及减速机都安装在称重支架上部，连同液体一起称重。称重装置采用压力传感器进行重量采集，两侧有限位筒，使其只能进行上下移动。结构装置如图3.1所示。1-伺服电机，2-减速机，3-齿轮齿条，4-中间包承载支架，5-中间包，6-称重支架，7-称重底座，8-称重限位筒，9-压力传感器3.2镍阳极板自动定量浇铸中间包定量补充控制方法中间包是液体的暂存装置，具有为浇铸包补充液体的作用。要求中间包补充时转动平稳、补充流速稳定、补充重量值准确，而且为了满足补充效率，还要求中间包补充快速。为了满足上述中间包的补充控制要求，将补充控制方法设计为两段，分别为前期阶段和后期阶段两个阶段。其中，前期阶段采用角度控制，预先计算中间包旋转角度后，通过控制系统控制伺服电机使中间包快速旋转到熔液流出临界点的位置，然后进入后期阶段，后期阶段采用流速反馈控制，通过称重传感器测得的中间包流出的重量信息计算熔液流速，根据熔液流速控制中间包转动速度，使中间包内熔液按照设定流速进行补充。第四章镍阳极板浇铸机驱动结构及其控制方法研究浇铸机重量采集的准确性是影响浇铸机准确浇铸的关键，本章从浇铸机机械结构和控制方法两个层面做出研究，通过研究液压倾转式浇铸机的缺点，设计出伺服滑动式浇铸机结构，根据镍浇铸特性和对铜浇铸控制的参考，设计双曲线模型的控制方式控制浇铸机旋转运动，以实现镍阳极板的自动定量浇铸。4.1镍阳极板自动定量浇铸设备浇铸机驱动结构在浇铸机的动态浇铸过程中，浇铸机重量采集会受到很多干扰，最大来源是自身运行时产生的加速度力干扰。合理的浇铸机结构，可以大幅减小浇铸机运动时产生的加速度力对重量采集的干扰，提高阳极板的浇铸速率。通过对液压倾转式浇铸机的研究，分析其存在的问题，设计新的机构和驱动方式来消除液压倾转式浇铸机的缺点。4.1.1液压倾转式浇铸机驱动结构目前国内浇铸机多采用的是液压倾转式，此类浇铸机通过液压缸伸缩来驱动浇铸机的旋转。液压缸安装在旋转支架后端，旋转支架前端可绕圆心旋转，通过旋转将包内液体倒出，旋转液压倾转式浇铸机结构简图如图4.1所示。4.1.2伺服滑动式浇铸机驱动结构通过分析液压倾转式浇铸机所存在的问题，选用伺服电机代替液压缸作为驱动元件，设计了伺服滑动式浇铸机，如图4.3所示。1-称重传感器，2-同步带轮，3-减速机，4-伺服电机，5-固定支架，6-浇铸机，7-滑动支架，8-秤台，9-限位拉杆，10-浇铸机底座本浇铸机动力元件选用伺服电机作为执行元件，电机输出轴末端连接减速机，通过减速机减速后带动同步带轮旋转。同步带中间安装在带轮上，两端安装在滑动支架上，通过同步带运动带动滑动支架的滑动，滑动支架带动浇铸机运动使其将液体倒出。浇铸机内部秤体通过限位拉杆限制活动的自由度，使秤台只能上下活动，实现对秤台上部物体的称重。5.1直线铸型机结构直线铸型机特点是运行速度低，结构紧凑，操作简单，而且链条长，对于阳极板冷却效果好镍阳极板具有易破碎的特点，为了防止阳极板破碎，必须通过缓慢冷却对其降温，因此浇铸完后需要足够的冷却时间，待阳极板凝固后才能进行取板，因此采用直线铸型机作为承载方式，增长取板时间，使镍阳极板进行缓慢冷却。直线铸型机由74个模具承载小车首尾连接而成，小车上面安装有阳极板模具，小车和小车之间通过销轴连接。本课题为了减少改进成本，在原来手动直线铸型机的基础上增加传感器元件，以实现直线铸型机的间歇运动。直线铸型机简图如图5.1所示。电动机1通过联轴器2连接减速机3输入轴，减速机3输出轴通过联轴器6连接主动轮主轴10。主动轮固定在主动轮轴10上，主动轮轴末端装有编码器9，用来记录角位移。从动轮13固定在从动轮轴14上，轴两端通过从动轮支撑座12固定，支撑座能够通过调距螺栓11调整主动轮与从动轮间距，来保持承载小车之间的预紧力。主、从动轮之间通过承载小车链条15连接，承载小车上面承载有模具16。5.2直线铸型机准确定位难点5.2.1直线铸型机定位要求两个浇铸包安装在浇铸模具上方，且竖直方向浇铸包离模具有一段距离。左侧浇铸机浇铸一个小车的奇数位置，右侧浇铸机浇铸一个小车的偶数位置，小车和小车相连，每浇铸完一块模具，小车整体前移一个模具。浇铸的模具宽度为377mm，浇铸包包口的设计宽度为370mm，浇铸包包口相对于模具窄7mm，每边余量为3.5mm，要使浇铸液体全部倾倒入模具内要求直线铸型机到位停止时，包口必须全部在模具内部，即每次停车位置误差范围要在3.5mm之内，浇铸机和模具的相对位置如图5.2所示。5.2.2直线铸型机链条磨损直线铸型机由74个模具承载小车首尾连接而成，小车和小车之间通过链带轴套连接。如图5-3所示如图5-3所示随着使用时间增长，轴套和销轴之间磨损程度较大，经检测有的间隙已达3mm-10mm之间，磨损会导致链条变松，从而需要调整从动轮，使从动轮与主动轮间距变长，让链条处在紧绷状态。但是每个模具之间磨损程度不同，且每次更换新模具都会导致定位间距的变化，增加了直线铸型机准确定位难度。5.3直线铸型机准确定位设计针对于难定位问题，提出主动轴上外部添加编码器配合控制策略的方案来实现直线铸型机的准确定位。5.3.1编码器选择目前应用广泛的编码器主有增量式、绝对式和混合式编码器三种。直线铸型机为模具承载装置，不仅定位要求高，而且在使用过程中多为单向转动，需要记录直线铸型机的位置坐标信息，且在每次重新上电后不重新进行零点寻找，鉴于以上所有要求，最终采用多圈绝对式光电编码器作为直线铸型机的位置检测元件。经比较选用法国雷恩的90空心轴系列多圈绝对式编码器。直线铸型机主动轮牙盘直径为1180mm，周长为3705mm。编码器选择为13位的绝对式编码器，每圈分为8192份，定位测量精度为3705/8192=0.45mm，传感器满足定位精度的要求。5.3.2直线铸型机停止目标位置要实