Повышение эффективности и качества управления литейными процессами связано с решением задач измерения и контроля различных технологических параметров, влияющих на протекание процессов или являющихся основными показателями качества. К таким параметрам в литейном производстве относятся:
-
уровень загрузки шихтовых материалов в плавильных агрегатах, а также в бункерах шихтовых и смесеприготовительных отделений;
-
уровень жидкого металла в литейных формах;
-
масса, расход, плотность, концентрация и химический состав различных материалов;
-
влажность, температура, сыпучесть или формуемость смесей;
-
химический состав и температура расплавов и др.
Контроль этих параметров затруднен, так как кроме обычных требований по точности, быстродействию, чувствительности, стабильности характеристик, предъявляемых ко всем датчикам, к датчикам, устанавливаемым в литейных цехах, предъявляются дополнительные требования по прочности, стойкости к агрессивным материалам, высоким температурам, запыленности, вибрации и т. д.
Контроль важнейших технологических параметров в процессах литья решен не полностью, и требуется дальнейшая разработка новых методов и средств измерения и контроля, использующих результаты статистических исследований, расчета параметров по косвенным показателям с применением управляющих контроллеров, современной компьютерной техники и др.
Датчики уровня
Датчики уровня материалов в литейном производстве широко используют в системах управления процессами составления и загрузки шихты в плавильные агрегаты, смесеприготовления и заливки расплавов в формы.
Основное требование к датчикам уровня — высокая надежность в работе, так как ложное срабатывание или выход из строя приводит к аварийной ситуации в технологическом процессе: переполнению или опорожнению бункеров, плавильных агрегатов, переливу или недоливу металлов в форму и др.
В системах управления процессом подготовки шихты и загрузки плавильных агрегатов в литейном производстве применяют шомпольные, лебедочные, рычажные, контактные, термостатические, фотоэлектрические и другие датчики уровня.
Шомпольный датчик уровня шихты конструктивно выполнен в виде стального шомпола, перемещающегося в контролируемой полости вагранки. Шомпол сочленен с коромыслом, которое приводится в движение электромагнитом и возвращается в исходное положение пружиной.
При подаче в электрическую схему напряжения от двигателя вращается кулачок, периодически замыкающий контакт, находящийся в цепи промежуточного реле. Реле при срабатывании включает электромагнит, который вводит шомпол в контролируемую зону вагранки.
Если шихта в контролируемом пространстве отсутствует, шомпол при своем движении замыкает контакт в цепи сигнального реле, которое выдает командный импульс на загрузку шихты в вагранку.
Лебедочный датчик уровня представляет собой вращающийся блок с гибким тросом, на одном конце которого подвешен груз. Блок установлен в специальном пустотелом колене над завалочным окном вагранки. Для предохранения колена от воздействия высоких температур его постоянно продувают сжатым воздухом.
Работа датчика и системы загрузки сблокирована таким образом, что разгрузка колоши начинается при поднятом грузе, а опускание груза начинается только после разгрузки очередной колоши.
Рычажной датчик уровня состоит из рычага, установленного в чугунном кирпиче вагранки, и штока с пружиной, на конце которого смонтированы пусковые контакты. При полностью загруженной вагранке рычаг входит в полость кирпича и контакты размыкаются. При опускании шихты ниже рычага последний отжимается пружиной, контакты замыкаются и подают сигнал на загрузку очередной колоши.
Описанные датчики имеют простую конструкцию и могут быть изготовлены в любом литейном цехе. Однако наличие подвижных частей снижает их надежность в условиях повышенной температуры, загазованности и запыленности. Более надежны датчики, основанные на использовании физических свойств шихтовых материалов и отходящих газов, к ним относятся электроконтактные, термостатические, фотоэлектрические, радиоактивные, манометрические и др.
Электроконтактный датчик уровня шихты имеет простое конструктивное и схемное выполнение, что обусловило широкое применение его в системах загрузки.
Датчик состоит из четырех изолированных асбестовой набивкой контактов, установленных в чугунных кирпичах верхней части кладки вагранки. Уровень расположения контактов совпадает с заданным контрольным уровнем шихтовых материалов.
Наружные концы контактов соединены попарно и включены в цепь сигнального реле. Если уровень шихты находится в заданных пределах, контакты через шихту замыкают цепь обмотки сигнального реле. При опускании уровня ниже заданного реле отключается и подает сигнал на загрузку шихты.
Термостатический датчик уровня шихты основан на использовании термостата. При загрузке или при опускании уровня шихты процессе плавки ниже заданного ваграночные газы беспрепятственно поднимаются вверх, не попадая в термостат. Когда шихта достигнет заданного контрольного уровня, слой шихты создает сопротивление свободному прохождению горячих газов вверх и часть газов попадает в канал термостата, который выдает сигнал на прекращение загрузки.
Радиоактивный датчик уровня основан на поглощении шихтой радиоактивного излучения. Так как поглощающая способность шихтовых материалов в десятки раз превосходит поглощающую пюсобность воздушной среды, то при опускании шихты ниже контрольного уровня возрастает интенсивность облучения счетчиков, и электронный прибор выдает управляющий сигнал в систему загрузки. В качестве источника излучения используют радиоактивный кобальт.
Датчики уровня сыпучих и жидких материалов в бункерах
Для контроля уровня шихтовых и формовочных материалов в бункерах широко применяют электродные и емкостные сигнализаторы. В основу работы таких сигнализаторов положена зависимость электрического сопротивления (электрической емкости) между электродами от свойств среды.
Кондуктометрический сигнализатор обеспечивает надежный контроль уровня сыпучих материалов в бункерах с сопротивлением сигнальной цепи не более 25 мОм. Для двухпозиционного контроля и сигнализации уровня применяют двухэлектродные сигнализаторы с двумя выходными реле.
В смесеприготовительных отделениях литейных цехов наряду с электронными сигнализаторами применяют радиоактивные, а также механические датчики уровня.
Среди механических датчиков наиболее распространены мембранные датчики благодаря простоте конструкции и удобству в обслуживании.
Мембранный датчик состоит из упругого элемента с прижимной рамкой и микровыключателями. Устанавливают его в стенке бункера. При уровне контролируемого материала выше прижимной рамки сигнализатора давление от материала передается упругому элементу (мембране), который, деформируясь, нажимает на шток микровыключателя, замыкающего цепь сигнализатора.
Датчики наличия материалов на конвейерах
Датчики наличия материалов на конвейерах поточно-транспортных систем, а также на ленточных, пластинчатых, вибрационных питателях позволяют обеспечить контроль и бесперебойность работы систем управления процессами составления шихты и смесеприготовления.
В системах шихтовки плавильных агрегатов применяют электромеханический датчик наличия шихты на питателе, представляющий собой установленную над питателем металлическую гребенку, пластины которой закреплены в шарнирах и отклоняются в зависимости от толщины материала на питателе.
Известны и другие конструкции электромеханических датчиков, однако их применение ограничено из-за малого срока службы и необходимости подбора в каждом конкретном случае размеров и материала щупа.
Электроконтактные датчики (сигнализаторы) отличаются от электромеханических повышенной надежностью и взаимозаменяемостью.
Среди бесконтактных датчиков особое место занимают емкостные датчики наличия материала на конвейере, отличающиеся простотой конструкции чувствительного элемента и высокой надежностью.
Чувствительный элемент емкостного датчика состоит из двух плоских изолированных металлических пластин, устанавливаемых в одной плоскости под несущей лентой конвейера. В качестве измерительной схемы используют, как правило, автогенератор, в цепь обратной связи которого подключен чувствительный элемент.
При появлении материала на ленте конвейера изменяется емкость чувствительного элемента, что приводит к срыву колебаний автогенератора и срабатыванию сигнального реле.
Датчики контроля заполнения литейных форм
В система управления процессом заливки жидкого металла в литейные формы имеет большое значение контроль заполнения форм.
Электромагнитный датчик представляет собой электромагнит с включенным в цепь его катушки реле. Устанавливают его над литейной формой. При заполнении формы металл поднимается и заполняет замкнутую по контуру канавку.
При прохождении в катушке электромагнита переменного тока в замкнутом витке жидкого металла индуктируется ЭДС и появляется магнитное поле, взаимодействующее с полем электромагнита. Это приводит к изменению индуктивного сопротивления катушки, и выходное реле выдает сигнал о заполнении формы и прекращении заливки.
Фотометрический датчик включает фильтр инфракрасного излучения, установленный над выпором литейной формы, приемник и усилитель с сигнальным реле.
При заполнении формы жидким металлом световые лучи попадают светофильтр и затем на приемник. Выходной сигнал приемника усиливается усилителем и подается на обмотку сигнального реле, которое выдает соответствующую команду в систему заливки. Датчики эффективны при использовании их для контроля заливки песчано-глинистых форм большой металлоемкости.
Датчики влажности
Датчики влажности применяют в системах управления процессом смесеприготовления для получения формовочных и стержневых смесей с заданными технологическими свойствами.
Кондуктометрический датчик влажности выполнен в виде металлического щупа, устанавливаемого в бегунах или загрузочной воронке. Применение датчика совместно с устройствами коррекции по температуре позволяет стабилизировать свойства смеси.
Емкостный датчик влажности представляет собой конденсатор, электродами которого являются катки бегунов и изолированное от корпуса бегунов металлическое кольцо, установленное в выточке днища бегунов по внутреннему диаметру вращения их катков.
Для непрерывного автоматического контроля влажности движущихся материалов представляют интерес емкостные проточные датчики, позволяющие обеспечить бесконтактное измерение влажности движущихся материалов.
Следует отметить, что существующие электрические методы контроля (кондуктометрический, емкостный, индуктивный и др.) можно применять только в тех случаях, когда остаются постоянными такие факторы, как зерновой состав смеси, содержание связующего и добавок, равномерность их распределения, степень уплотнения, температура.
Добиться постоянства указанных параметров при отсутствии систем подготовки и стабилизации свойств исходных материалов позволяют методы контроля качества формовочной смеси в процессе ее приготовления по основным технологическим свойствам: формуемости, уплотняемости, текучести, сыпучести и др.
Датчики температуры
Для контроля температуры жидких металлов широко используют контактные и бесконтактные методы. Измерения, основанные на применении термопар погружения и пирометров различных конструкций.
Термопары погружения, рассчитанные на длительное применение, содержат термоэлектроды защитный чехол и водоохлаждаемую арматуру. Термоэлектроды, как правило, изготовляют из платинородновой проволоки.
Термопара с автоматическим приводом дает хорошую воспроизводимость показаний при многократном периодическом использовании без замены термоспая и защитного колпачка. В большинстве случаев такие термопары используют при контроле температуры ванны жидкой стали в электропечах.
Измерение температуры жидких расплавов контактными методами (термопарами погружения) затруднено из-за недостаточной стойкости защитных наконечников, изменения градуировочной характеристики термопары и других причин. Кроме того, кратковременные периодические измерения не могут дать правильного представления о температурном состоянии всей массы жидкого чугуна.
Поэтому в литейном производстве распространены бесконтактные методы контроля температуры, что дает возможность проведения длительных непрерывных измерений и использования их результатов в системах управления.
Промышленное внедрение бесконтактных методов позволяет исключать влияние на результаты измерения шлаковых и других пленок на поверхности чугуна, а также параметров промежуточной среды (запыленности, загазованности и т. п.). При бесконтактном измерении температуры применяют пирометры, которые визируют на струю или поверхность металла в зависимости от расположения плавильного агрегата или ковша.
Датчики химического состава
В литейном производстве наибольшее распространение получили химические и физико-химические методы контроля химического состава сплавов.
Для сокращения продолжительности подготовительных операций и проведения анализов разрабатывают организационные и технические мероприятия, позволяющие ускорить процесс анализа.
В этом свете особое значение приобретают вопросы механизации и автоматизации подготовки проб, их транспортировки в лабораторию, а также создания устройств регистрации и передачи данных анализа в системы управления.
Наряду с химическими и физико-химическими методами в последние годы применяют физические методы экспресс-анализа: термографический, спектральный, магнитный и др.