球化劑計量投料裝置的設計

周蘭美

(常州工業職業技術學院 現代裝備制造學院，江蘇 常州 213164)

引言

球墨鑄鐵是通過在鐵水中加入球化劑和覆蓋劑，進行球化和孕育處理得到的具有球狀石墨的鑄鐵[1]。球化處理是生產球墨鑄鐵的主要環節，球化處理效果好壞直接影響著球墨鑄鐵的產品質量[2]。球化處理的方法主要有沖入法、壓力加鎂處理法、轉包法、喂絲法等[3]。國內主要采用沖入法的球化處理方法。

沖入法是先把球化包預熱，然后把稱量好的球化劑加入球化包一側的堤壩中，用硅鐵合金覆蓋壓實，再加入覆蓋劑，再壓實，最后進行球化處理[4]。現在很多企業的球化劑和覆蓋劑一般由人工用鐵锨估計重量，然后倒入桶中，再倒入預熱的球化包中。在此過程中，預熱的球化包溫度高達700 ℃，工人有燙傷的危險；加入球化劑過程中有粉塵析出，工作環境惡劣；一些球化包尺寸大，高度大，工人需站在高處倒入球化劑，工人勞動強度大，計量不準確，球化率低[4]。

基于上述問題，一些廠家和學者就球化劑的計量、配比和加入方法進行了研究，申請了很多專利，比如周蘭美[5]、李洪軍[6]、尹建國[7]、陳明[8]設計了球化劑投入裝置，內容都是涉及球化劑自動稱重和自動投入的，只是結構各不相同。

本研究設計的球化劑計量投料裝置，采用PLC控制，下方的稱重傳感器通過接線盒，在顯示器上實時顯示當前重量，計算機實行遠程控制。在稱重前進行去皮處理，然后累計稱重計量球化劑和覆蓋劑的重量，并且稱重磅體自動加入和壓實球化劑和覆蓋劑，計量準確，安全可靠，工作效率高。

1 球化劑計量投料裝置的結構設計

球化劑計量投料裝置主要包括壓實氣缸、覆蓋劑料倉、球化劑料倉、伸縮導料管和球化包、稱重磅體，如圖1所示。球化劑料倉和覆蓋劑料倉的出口有2個調速閥，由抱緊氣缸控制開口大小。球化劑料倉和覆蓋劑料倉的下方有振動氣缸，球化劑料倉和覆蓋劑料倉的結構完全對稱。球化包內側有堤壩，球化包放在磅體上稱重，磅體上有圓弧形凸臺，防止球化包放偏。磅體的下方有前后對稱的6個稱重傳感器，稱重傳感器通過接線盒在顯示屏上實時顯示當前重量，計算機實行遠程控制。由于預熱的球化包內溫度很高，所以伸縮導料管和壓實氣缸中活塞桿的下端使用高溫防火材料制成。球化包外壁溫度不是很高所以稱重磅體采用一般的防火隔熱材料即可，下面的稱重傳感器采用高溫型的。

1.球化劑料倉 2、6.下位傳感器 3、7.振動氣缸 4、8.抱緊氣缸 5.覆蓋劑料倉 9.氣缸 10.活塞桿 11.球化包 12.稱重磅體 13～15.稱重傳感器 16.接線盒 17.實時顯示屏 18.伸縮導料管 19.計算機 20.凸臺圖1 球化劑計量投料裝置

球化劑計量投料裝置工作原理：預先在計算機中設定球化劑和覆蓋劑的重量，先由工人用叉車把球化包放到稱重磅體12上，球化包11前面與圓弧形凸臺20緊密接觸，使球化包11準確定位；此時顯示器執行去皮處理，稱重復位為0，然后伸縮導料管18慢慢下降進入球化包11右側凹坑中，球化劑料倉1下面的抱緊氣缸4中活塞桿向右完全縮進，調速閥打開至最大，同時振動氣缸3振動，球化劑自動進入球化包11中；球化劑的重量通過稱重磅體12下面的稱重傳感器和接線盒16傳送到顯示屏17，顯示屏17實時顯示球化劑的重量，當球化劑重量達到球化劑預設的80%時，抱緊氣缸4中的活塞桿向左運動，此時調速閥門關小，球化劑緩慢進入球化包11中；當重量達到預設值時，抱緊氣缸4中的活塞桿完全伸出，調速閥立即關閉，然后氣缸9中的活塞桿10向下運動，壓實球化劑；球化劑壓實后活塞桿10快速返回后，覆蓋劑料倉5下面的抱緊氣缸8中活塞桿向左完全縮進，調速閥打開至最大，同時振動氣缸7振動，覆蓋劑自動進入球化包11中；覆蓋劑的重量通過磅體下面的稱重傳感器和接線盒16傳送到顯示器17，顯示器17實時顯示覆蓋劑的重量，當覆蓋劑重量達到預設的80%時，抱緊氣缸8中的活塞桿向右運動，此時調速閥門關小，覆蓋劑緩慢進入球化包11中；當覆蓋劑重量達到預設值時，抱緊氣缸8中的活塞桿完全伸出，調速閥立即關閉，然后氣缸9中的活塞桿10向下運動，壓實覆蓋劑，最后活塞桿10快速返回復位，伸縮導料管18向上復位。叉車把球化包11移走，進行球化。

2 控制系統設計

2.1 料倉下料速度的控制

球化劑料倉調速裝置由抱緊氣缸來完成，調速過程如圖2所示。

圖2 球化劑料倉調速過程

抱緊氣缸的工作原理如圖3所示，工作狀態如表1所示，表中“+”表示電磁鐵通電，“-”表示電磁鐵斷電。當球化劑計量投料系統沒有啟動或凸臺定位器沒有精確定位時，電磁換向閥5和7復位，原始狀態下，抱緊氣缸3完全伸出，球化劑料倉的放料倉門處于關閉狀態；當一旦系統啟動后，CT3通電，液壓缸解鎖，CT2通電，抱緊氣缸3的活塞桿完全縮回，倉門處于全打開狀態；當稱重達到設定閾值的80%時，CT2斷電，CT1通電，抱緊氣缸3的活塞桿向外伸出，當碰到抱緊氣缸3上面的磁性開關M時，CT1，CT3斷電，活塞桿在此鎖定，此時倉門關小，球化劑達到減緩下降的效果。當稱重達到設定值時，CT3通電，活塞桿解鎖，然后CT1通電，調速氣缸快速完全伸出，把倉門關閉。

1.單向減壓閥 2、4.單向節流閥 3.抱緊氣缸 5、7.電磁換向閥 6.氣源圖3 抱緊氣缸的工作原理圖

表1 抱緊氣缸的工作狀態

2.2 氣動控制系統設計

氣動控制系統原理圖如圖4所示，氣動振動器3和19能有效防止球化劑和覆蓋劑粘附在倉料內壁，抱緊氣缸6，10控制球化劑和覆蓋劑的下料速度，氣缸8控制球化劑和覆蓋劑的壓實，氣源1、電磁閥2控制氣動振動器3的進氣，電磁閥18控制氣動振動器19的進氣，電磁閥16，17控制抱緊氣缸6的活塞桿伸出和縮進，電磁閥13，14控制抱緊氣缸10的活塞桿伸出和縮進，電磁閥15控制氣缸8的活塞桿伸出和縮進[9-11]。

球化劑計量投料裝置的各個工作部件是按一定的時間和順序工作的，其各個動作由氣壓控制系統中電磁閥CT1～CT9的狀態決定。電磁閥何時通電、何時斷電是在PLC程序控制下執行的，因此設計合理的PLC程序是關鍵的一步。在編制PLC的梯形圖和功能圖之前，應該先進行I/O地址分配[12]，如表2所示。

1.氣源 2、18.二位二通電磁換向閥 3、19.氣動振動器 4、12.單向減壓閥 5、7、9、11.單向節流閥 6、10.抱緊氣缸 8.氣缸 13、17.三位五通電磁換向閥 14、16.二位三通電磁換向閥 15.二位五通電磁換向閥圖4 氣動控制系統

表2 PLC輸入輸出配置

3 試驗結果

為了驗證所設計的球化劑計量投料系統計量的準確性，在樣機進行測試，樣機實物如圖5所示。

圖5 樣機實物圖

假設測量25 kg，首先安排工人用原先鐵鏟簸箕計量，然后再在磅體上精確稱重實際重量，記錄在“人工測量值”這一列；接著用設計的球化劑計量投料系統來測量，首先在電腦里設定重量25 kg，再看無線顯示屏上實際測得的數值，并記錄在“自動控制測量值”這一列，測量結果見表3。

表3 人工測量和自動測量比較 kg

由表3可知，人工計量、稱量裝置的稱量平均值為24.885 kg，標準差為 0.46 kg，最大相對誤差為 3.2%；球化劑計量投料系統的稱量系統，稱量平均值為25.037 kg，標準差為 0.05 kg，最大相對誤差為 0.32%。試驗結果表明，采用所述的球化劑計量投料系統，計量誤差大幅度降低，相對誤差較小，球化后白口傾向明顯減小，球墨鑄鐵韌性增強，球化率從原先85%提高到92%，可以滿足生產要求。

4 結論

經過試驗分析可知，本研究設計的球化劑計量投料系統采用PLC控制，可以遠程控制、計量、投料和壓實球化劑與覆蓋劑，整個過程高度自動化，可以省去專門添加球化劑的工人，成本降低，球墨鑄鐵的球化率提升，產品質量提高。本系統結構緊湊，安裝方便，經濟性好，經過在廠里實際使用，反映良好，推廣價值大。