耐火磚自動液壓機關鍵技術分析

秦 杰

（佛山市恒力泰機械有限公司，廣東佛山 528137）

0 引言

耐火磚是耐火材料大類里的定型制品，是高溫行業非常重要的基礎材料，廣泛用于冶金、化工、建材等行業。耐火磚使用粉料壓制成型，主要特點是制品厚度大、成型壓力高（220 MPa），要求壓制后體積密度大且均勻，同時制品的尺寸精度要求高，因此對成型設備提出了很高的要求。目前生產耐火磚的主流設備是摩擦壓力機，存在生產效率、自動化程度低、噪聲大、能耗高等缺點。耐火磚自動液壓機是耐火磚成型生產的新型先進設備[1]，也是生產線上的關鍵核心設備，是機、電、液，計算機控制技術與耐火磚工藝技術相結合的現代高科技產品，克服了傳統摩擦壓機生產耐火磚存在的一系列問題，在生產效率、成品率、安全性、環保、節能方面都具有明顯優勢。因此，耐火磚自動液壓機逐漸替代傳統摩擦壓力機已成為一種趨勢。當前國產的耐火磚自動液壓機相對于國際先進的同類產品在整機穩定性、控制精度、關鍵性能等方面還有一定的差距，本文對耐火磚自動液壓機一些關鍵技術的分析介紹，為以后優化提升耐火磚自動液壓機提供了一些方向和思路。

1 能承受高集中載荷、滿足雙向加壓的主機結構及實時速度同步控制技術

耐火磚壓制成型工藝常用的加壓方式包括單向加壓、雙向加壓[2]。傳統的雙向加壓一般指壓機設有上下油缸，上下油缸同時加壓的雙向加壓方式，其優點是比起單向壓機方式，成型的磚坯密封更加均勻，密度一致性高，原理對比如圖1所示。

圖1 單向、雙向加壓效果對比

圖2 傳統雙向加壓原理示意圖

圖3 新式雙向加壓原理示意圖

然而，傳統的雙向加壓原理（如圖2 所示）在應用時需要在設備的上、下部均設置有加壓油缸，2 個主缸的壓力以及速度難以保證同步，同時下部的油缸難以檢修，給客戶帶來不便。根據相對運動原理，研究形成了新式的雙向加壓原理，如圖3所示。應用時通過控制上模與模框的運動速比，使上模運動速度是模框運動速度的2 倍（v1＝2 ×v2），可以實現雙向加壓效果。

新的雙向加壓主機實際結構如圖4 所示，耐火磚壓制成型工藝的成型壓力較高，遠高于其他類型的磚坯，同時耐火磚當中的一部分為楔形磚。壓制楔形磚時會產生很大的偏載，因此耐火磚自動液壓機的主機機架最好采用四梁四柱的梁柱式預應力結構[3]，同時四根立柱導向，能承受高集中載荷，在承受側向力大的情況下，依然能保證可靠性和較好的導向精度，還保證了很強的抗疲勞能力和整體剛性。機架設計采用理論計算—有限元分析[4]—應力測試的閉環方法，保證設計結果的準確性，分析示例如圖5所示。

圖4 雙向加壓主機結構圖

圖5 機架有限元分析

當前耐火磚自動液壓機的雙向加壓控制方法一般是通過設定上模（上動梁）速度及模框（下動梁）的速比（速比＝上模速度／模框速度），算出模框（下動梁）的跟隨速度，模框再根據此速度運動。這種控制方式有以下不足：速比設定后，實際上上模壓制過程是一個變速壓制過程，模框無法有效地按實時的跟隨速度運動；根據速比算出來的速度為固定值，不是實際的實時運動速度，當實際值與設定值偏差較大時，雙向加壓效果差；系統有嚴重的滯后性，當加壓速度較快時，模框還沒來得及響應，加壓就基本結束了，這種情況雙向加壓效果也是較差的。

為解決一般控制方法產生的弊端，研究了一種真正實現雙向加壓的智能控制方法，此控制方法通過傳感器采集壓機上模（上動梁）的實時速度，除以設定的速比（通常設定為2），從而算出模框（下動梁）的實時跟隨速度指令，再通過閉環控制進行實時跟隨。另外此控制方法可通過設備上一次的運行情況，智能地調整閉環控制算法的前饋環節，有效減少系統的滯后，做到模框按上模一半的速度實時同步跟隨，實現較好雙向加壓的效果。

圖6 填料裝置示意圖

圖7 雙軸攪拌器的攪拌結構

2 容積式精確填料技術

生產耐火磚原料種類較多，粉料的均勻性對成型產品的質量影響很大，所以采用容積式填料必須在粉料的傳送過程中[5]盡量保證粉料的均勻性和穩定性，填料裝置示意圖如圖6所示。為完成最終的精確填料，首先要保證進入料倉（圖6中件5）中的粉料初步均勻，不能產生較大的偏析，也就是盡量減少粉料的粗細顆粒分離，為此研究了一種料倉的自動稱重裝置（專利號ZL201821238243.9）。該裝置可以實時檢測料倉中的粉料量，當采用輸料皮帶向料倉中送料時，可以比較精準地控制料倉中料位的變化范圍，這樣就可以減少因粉料堆積產生的偏析現象，另外還可以在料倉中增加一個初級攪拌裝置，進一步減少偏析，提高粉料的均勻性；第二個重要措施是在粉料進入最后的專用攪拌器（圖6 中件8）精確攪拌之前，通過專用的碎料器（圖6 中件7）對粉料進行初步破碎處理，減少粉料中的結團現象；最后經過破碎處理的粉料進入專用攪拌器[6]進行精細攪拌，通過離散元仿真軟件EDEM對一種常用的專用攪拌器[7]（圖7）進行仿真并優化其內部結構尺寸，使粉料在攪拌器內攪拌后各部分分布均勻，然后攪拌器在向模具填料的過程中同時進行順時針和逆時針的攪拌動作，最終保證落入模腔的粉料盡量均勻一致，從而提高壓制產品的尺寸精度和體積密度的均勻性。

3 填料深度及制品高度尺寸自動控制技術

耐火磚的壓制厚度尺寸較大，同時受工藝控制水平的影響，粉料永遠存在一定程度的不均勻性。在成型的高度方向，磚坯的尺寸控制是比較困難的，當前耐火磚自動液壓機磚坯尺寸控制一般是根據上一次壓制的磚坯尺寸自動加減填料深度，自動加減值人為設定。這種控制方式有以下不足：一是自動加減的值需人為設定，對操作人員的要求較高；二是磚坯尺寸偏差波動比較大時，無法快速調整至正常；三是適應性較差，無法自動適應不同的粉料，變換原料時需更改不同的自動加減值。

通過研究，使用了一種能夠智能調整填料深度的控制方法，可以大大提高磚坯的高度尺寸控制精度。此控制方法通過收集前一組壓制完成磚坯的高度尺寸和填料深度信息，自動計算出當前粉料的壓縮比與磚坯的誤差值，再根據這兩個值自動計算調整后的填料深度，從而達到自動調整磚坯高度尺寸的效果；在極端情況下，此控制方法也可根據磚坯尺寸并結合實際的壓制力，智能判斷并準確調整填料深度，達到快速調整的效果。此控制方法可適應各種粉料特性的磚坯，提高產品合格率，且此控制方法無需人為設定任何調整參數，簡化操作，提高壓機系統的智能化程度。

4 提高模具使用壽命技術

圖8 模具結構示意圖

在壓制過程中，上模和模套（圖8）有相對運動，為了保證正常壓制，設備首先必須能夠防止因錯誤的參數設置而導致磚坯成型不在模腔內，減少廢品的產生和模具損壞，為此研究應用了一種防止自動液壓機壓制時模具損壞的控制方法（專利號ZL201611129842.2），控制流程如圖9 所示，分別設有保護襯板的最小位移S1、上模與模框的相對位移S2、模框下降的安全位移S3、上模加壓速度v1、模框下降速度v2、模框速度系數K、主缸目標壓力P1、主缸實時壓力P以及壓制時間T。S1與S3根據模具的襯板尺寸而定；S1設置為模具襯板上邊比較薄部分的高度；S3是在S1的基礎上加上一定的安全距離；S2為上模與模框的相對距離，即上模進入模腔的距離，此值在壓制過程中實時變化；模框下降速度v2則是根據上模設定速度v1乘以系數K而得，壓制時間T從壓制開始進行計時，主缸實時壓力P為實時檢測的主缸壓力值。壓制時系統根據S1、S2及S3的大小，判斷模框狀態。當S2≥S3時，模框下降；當S2＜S3，模框停止等待；當S2＜S1，且P＞0.5 MPa，模框停止壓制結束。

圖9 防止壓制時模具損壞的控制流程

該技術通過采用上述方案，能有效控制壓制時模框的位置，避免磚坯在模具襯板上端成型，達到防止壓制時模具損壞和減少產生廢品的效果。

圖10 模具磨損

耐火磚成型工藝要求表面壓強可達220 MPa，同時尺寸精度及邊角的形狀要求比較嚴格，所以上模芯與模腔的配合間隙是比較小的，由于高壓壓制時粉料的摩擦擠壓，若長期壓制同一規格的產品時，同時長期在同一位置完成加壓成型會造成模腔較快的嚴重磨損，效果圖如圖10所示。為提高模具壽命，降低生產成本，研究了一種延長耐火磚自動液壓機模具壽命[8]的技術，該技術通過控制模框自動調節壓制位置的方法來降低模具的損耗，控制流程圖如圖11所示。控制方法中分別設有模框位置調整范圍、模框位置調整變化量、調整周期和復位。模框位置調整范圍限制著模框，可自動調整的區間；模框位置調整變化量反映每次壓制模框的調整幅度，變化量越大調整越多；調整周期反映模框調整的頻率；復位則可以在任意時候恢復到初始狀態。該技術能自動調節壓制時模框的位置，避免長期在模具模腔的同一位置進行壓制，使模腔內磨損均勻，達到延長模具壽命的效果，同時有效地控制壓制位置，使磚坯質量穩定。

圖11 提高模具壽命的控制方法流程

5 降低模具使用成本技術

當前耐火磚自動液壓機的料車安裝方式一般是普通固定模式，如圖12所示。料車直接用螺釘固定到壓機下動梁上，料車安裝面上一般有很短的長條孔，可通過調節螺釘進行少量調整，一般調整范圍為20 mm 左右。這種方式有以下不足：

圖12 料車高度人工調整

（1）料車高度調節范圍太小，只能適應固定較大厚度的模具模框，不能適應厚度較小的模具模框，在生產薄的耐火磚時也只能用較厚的模框，而模框是整個模具中成本最大的零件，這樣就造成生產成本較高；

（2）自動化程度低，需人工進行調節，調節費時費力，過程比較繁瑣；

（3）無法做到左右同步調整，較難保證左右兩邊的調整高度一致，從而導致料車安裝后左右方向一邊高一邊低，一定程度上會影響布料的精度，從而影響產品質量。

為克服以上弊端，研究使用了一種能夠電動調節料車高度的裝置，如圖13所示，專利號201921200154.X。該裝置采用電機經減速機通過螺紋傳動來驅動料車，料車的高度調節范圍大，調節高度變化量最大可達220 mm，從而可適應較大厚度差的模具模框，在生產厚度較小的耐火磚時采用小厚度的專用模具模框，可以大大降低模具成本，同時提高了自動化程度。由于提升了料車調節精度，進而也提高了填料的精度。

圖13 料車高度自動調整

6 結束語

以上關鍵技術通過在YPR系列耐火磚自動液壓機上實際應用，使生產的產品尺寸精度提高、體積密度均勻、磚坯單重偏差小，提升了生產產品的品質穩定性，同時降低了操作、調節難度和客戶的生產成本。耐火磚自動液壓機目前在國內雖然不是主流設備，但隨著設備綜合性能的提升和使用成本的降低，其在耐火材料行業的應用必然越來越普及。