摘要：針對客戶調(diào)壓鑄造爐對真空壓力控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，本文介紹了相應(yīng)的解決方案和驗證試驗。方案的技術(shù)核心是基于高速動態(tài)平衡法，采用大流量壓力控制裝置，與傳感器和真空壓力控制器組成PID閉環(huán)控制回路，其特點是可快速實現(xiàn)設(shè)定壓力控制，且可節(jié)省工作氣體。此解決方案可以推廣應(yīng)用在其他形式的反重力鑄造設(shè)備的真空壓力控制系統(tǒng)。

1. 項目概述和技術(shù)要求

反重力鑄造是以外部作用力驅(qū)動金屬液，使其沿反重力方向進(jìn)入型腔并完成充型和補縮的鑄造方法。反重力鑄造根據(jù)原理可以分為真空吸鑄、低壓鑄造、差壓鑄造和調(diào)壓鑄造。調(diào)壓鑄造作為反重力鑄造方法之一，其設(shè)備最為復(fù)雜，但功能最強大。其充型穩(wěn)定性、充型能力和順序凝固條件均優(yōu)于其他反重力鑄造，可鑄造壁厚更薄，棒徑更小且力學(xué)性能更好的大型薄壁件和棒狀鑄件。造成該設(shè)備復(fù)雜的主要原因是其不僅能實現(xiàn)正壓控制，還能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓控制，要求具有準(zhǔn)確的真空壓力測量和控制裝置。

目前有客戶設(shè)計了一種用于鑄造均勻無偏析棒材的調(diào)壓鑄造爐，如圖1所示，要求我們配套相應(yīng)的真空壓力控制系統(tǒng)，真空壓力控制系統(tǒng)的具體工作流程如下：

（1）物料甜裝完畢合爐后，啟動機械泵抽真空至0.1Pa量級時啟動分子泵。

（2）真空度達(dá)到5×10-3Pa以上后開啟加熱工序。

（3）熔煉溫度到達(dá)1450℃時，關(guān)閉抽真空系統(tǒng)，控制壓力控制系統(tǒng)進(jìn)行充氬氣，使壓力在4s內(nèi)上升至0.25MPa。

由此確定的真空壓力控制指標(biāo)為：

（1）真空壓力范圍： 5×10-3Pa ~ 0.25MPa。

（2）壓力控制：4s內(nèi)達(dá)到0.25MPa。

（3）壓力恒定精度：優(yōu)于±2%。

針對上述調(diào)壓鑄造爐對真空壓力控制系統(tǒng)的技術(shù)要求，本文將介紹相應(yīng)的解決方案。解決方案的技術(shù)核心是采用大流量氣體壓力控制裝置，與壓力傳感器和真空壓力控制器組成PID閉環(huán)控制回路，其特點是所采用的高速動態(tài)平衡法不僅可以快速實現(xiàn)設(shè)定壓力控制，而且還節(jié)省工作氣體。此解決方案可以推廣應(yīng)用在其他形式的反重力鑄造設(shè)備的真空壓力控制系統(tǒng)。

2. 解決方案

本文提出的解決方案如圖2所示，其結(jié)構(gòu)非常簡單，但功能強大。

圖2所示的解決方案具有以下幾方面的功能和特點：

（1）壓力傳感器盡可能被安裝在靠近鑄造爐，以更準(zhǔn)確的測量鑄造爐內(nèi)的壓力變化。

（2）解決方案采用了先導(dǎo)閥驅(qū)動結(jié)構(gòu)，即采用同樣的先導(dǎo)閥可以驅(qū)動不同流量的背壓閥，這樣可根據(jù)不同鑄造爐腔體大小選擇合適的背壓閥，滿足不同反重力鑄造設(shè)備中高速和準(zhǔn)確的壓力控制要求。

（3）采用上述方案，可以滿足所有反重力鑄造設(shè)備中的壓力控制要求，最關(guān)鍵的是可以在正壓控制過程中達(dá)到很高的速度，可以在幾秒內(nèi)達(dá)到設(shè)定正壓壓力值并保持穩(wěn)定。

（4）此解決方案的另外一個特點是節(jié)省工作氣體，整個正壓壓力控制過程中除所需的充氣量之外，只泄露很少氣體就可以達(dá)到設(shè)定壓力并保持恒定，非常適合高價值惰性氣體工作環(huán)境。

（5）解決方案采用了功能強大的超高精度真空壓力控制器，針對反重力鑄造中的升液階段、充型階段、結(jié)殼增壓階段、結(jié)殼保壓階段、結(jié)晶增壓階段、結(jié)晶保壓階段等不同的壓力變化過程，可進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)定程序控制，并可同時存儲多條工藝壓力控制程序曲線以供調(diào)用。真空壓力控制器帶標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS通訊協(xié)議，可方便的與上位機連接和組網(wǎng)控制。

（6）此解決方案結(jié)構(gòu)簡單且壓力控制精度高，非常適用于大工件的多位并聯(lián)加壓鑄造中的多點壓力同步控制，避免形成不合理的壓差。

（7）此解決方案具有很強的擴展性，如可以通過連接液面位置傳感器等來更精密的控制鑄造工藝壓力變化。

3. 高速壓力控制考核驗證

在反重力鑄造工藝中，壓力的高速是一個技術(shù)難點。為此，我們對上述解決方案中的壓力控制速度進(jìn)行了考核試驗，試驗裝置如圖3所示。

考核試驗裝置完全按照圖2所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建，其中的鑄造爐用一個三通管件進(jìn)行模擬，整個考核裝置的實驗?zāi)康氖球炞C解決方案能否在極快的速度內(nèi)實現(xiàn)設(shè)定壓力控制。

為了實時檢測壓力變化，在考試試驗裝置中的壓力傳感器上還連接了一個高精度的數(shù)據(jù)采集器，用了50ms的采樣速率進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集器連接計算機，計算機通過采集軟件獲得壓力隨時間的變化曲線，由此來觀察壓力控制的快速響應(yīng)細(xì)節(jié)。

在圖3所示考核試驗裝置上，我們采用人工設(shè)定的方法對真空壓力控制器輸入設(shè)定值，由控制器完成壓力調(diào)節(jié)和控制，由此來對一系列設(shè)定壓力值進(jìn)行了定點控制試驗，并還分別進(jìn)行了升壓和降壓過程的試驗，結(jié)果如圖4所示。

為了量化壓力控制速度和控制精度，將試驗結(jié)果中的任選一個壓力點的控制結(jié)果進(jìn)行單獨顯示，如圖5所示。從圖5所示的結(jié)果可以看出，壓力從1.8 Bar 升到2.6 Bar用時不到1秒，達(dá)到±1%以內(nèi)的控制穩(wěn)定性則用時不到1.5秒，而在2秒之后可以達(dá)到±0.5%的控制穩(wěn)定性。其他壓力設(shè)定點的控制結(jié)果基本都相差無幾，證明了此方案完全可以達(dá)到快速準(zhǔn)確的壓力控制。

4. 結(jié)論

針對反重力鑄造工藝中的壓力控制，本文提出的壓力控制解決方案可實現(xiàn)高速和高精度的壓力控制，可在幾秒的時間內(nèi)實現(xiàn)±1%以內(nèi)的控制精度，完全能夠滿足客戶對壓力高速控制的技術(shù)要求。同時，整個解決方案非常簡單但功能強大和極易拓展應(yīng)用，完全能滿足目前各種精密反重力鑄造工藝中對壓力準(zhǔn)確控制的要求，特別是適用于大尺寸工件反重力鑄造中多個溶體保溫爐的同步壓力控制。