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熔煉澆注是鑄造過程最重要的生產(chǎn)工序之一，它實(shí)現(xiàn)了鑄造原材料的升華，使材料工藝轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品，是最富有價(jià)值的生產(chǎn)活動(dòng)。熔煉生產(chǎn)工序包括配料稱料、熔煉出鐵、澆注鐵液處理三個(gè)主要工序。

熔煉過程的參數(shù)主要包括重量、溫度、速度、成分，這些直接決定了產(chǎn)品質(zhì)量。熔煉參數(shù)主要依靠手工計(jì)算與填寫，據(jù)統(tǒng)計(jì)，熔煉質(zhì)量損失高居生產(chǎn)班組第一位，主要質(zhì)量問題包括：鐵液重量誤差、批量冷隔缺陷溫度超差、材質(zhì)成分不合格等。

經(jīng)分析，產(chǎn)生上述質(zhì)量問題的因素有：（1）過程數(shù)據(jù)的計(jì)算、記錄由操作人員手工操作和填寫，如稱料重量、溫度、澆注速度等，實(shí)際操作過程中很容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤、記錄失真等情況；（2）由于一人一崗，且一直以來均為夜班作業(yè)，作業(yè)過程監(jiān)管力度存在先天不足，關(guān)鍵工序參數(shù)無驗(yàn)證，常出現(xiàn)超出執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)范圍的情況；（3）熔煉生產(chǎn)過程連續(xù)性、計(jì)劃性、追溯性不強(qiáng)，信息傳遞不及時(shí)。

筆者公司開發(fā)的熔煉生產(chǎn)信息系統(tǒng)串聯(lián)了熔煉工序的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，可判斷數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳遞和使用。

1.1 料單規(guī)則

鑄鐵的發(fā)展史主要是以提高其強(qiáng)度作為驅(qū)動(dòng)力的，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，依然如此。熔煉料單是決定鑄件材質(zhì)與強(qiáng)度的配方，決定了鑄鐵的具體牌號(hào)和合金比例，是指導(dǎo)熔煉生產(chǎn)的重要作業(yè)文件。

我國(guó)是鑄件特別是鑄鐵件的生產(chǎn)大國(guó)。筆者公司鑄件產(chǎn)品材質(zhì)主要包括灰鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵三大類，由于蠕化率控制難度大，因此對(duì)料單的精確度要求比較高，蠕墨鑄鐵料單為整爐定量料單；球墨鑄鐵和灰鑄鐵為百公斤料單，熔煉生產(chǎn)班組根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃，自行放大比例。

為提高料單轉(zhuǎn)化的精確度，統(tǒng)一BOM料單的操作（見圖1），在系統(tǒng)內(nèi)開發(fā)了BOM清單功能，同時(shí)優(yōu)化了料單的格式和內(nèi)容，規(guī)定了10余種物料的計(jì)算規(guī)則，數(shù)據(jù)保留至小數(shù)點(diǎn)后兩位。BOM料單生產(chǎn)后，可以根據(jù)材質(zhì)進(jìn)行命名保存，在熔煉生產(chǎn)過程中進(jìn)行選用。

圖1 信息系統(tǒng)BOM料單示例截圖

1.2 熔煉生產(chǎn)計(jì)劃

熔煉生產(chǎn)計(jì)劃不同于生產(chǎn)計(jì)劃，需要對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行轉(zhuǎn)化。具體來說，就是熔煉生產(chǎn)計(jì)劃要計(jì)算出每種材質(zhì)對(duì)鐵液的需求，再轉(zhuǎn)化成開爐數(shù)量。

為了降低開爐成本和提高熔化效率，根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)量和材質(zhì)，以開滿爐為基本要求，實(shí)現(xiàn)鐵液利用率的穩(wěn)步提升。在熔化工位設(shè)置工控，工位操作人員下發(fā)電子計(jì)劃時(shí)可確認(rèn)以下信息：

（1）產(chǎn)品澆注噸位。根據(jù)產(chǎn)品信息和澆注數(shù)量，系統(tǒng)能計(jì)算出鐵液重量，操作人員僅需判斷爐內(nèi)是否可以熔煉其重量，這就實(shí)現(xiàn)了鐵液利用率的最大化。

（2）選用合金。一鍵選擇BOM料單，關(guān)聯(lián)到稱料工位，系統(tǒng)根據(jù)料單計(jì)算得出生鐵、回爐料、廢鋼等合金的重量，操作人員根據(jù)系統(tǒng)重量稱料、加料。

（3）熔煉參數(shù)控制。系統(tǒng)生成該產(chǎn)品熔煉技術(shù)要求，關(guān)聯(lián)到后道工序，對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)行區(qū)間監(jiān)測(cè)，一旦數(shù)據(jù)超出公差范圍，系統(tǒng)會(huì)做出警示，提醒操作人員對(duì)物料進(jìn)行調(diào)整，并記錄。

為增強(qiáng)熔煉生產(chǎn)計(jì)劃對(duì)整個(gè)熔煉生產(chǎn)過程的指導(dǎo)性，優(yōu)化了熔煉生產(chǎn)作業(yè)流程，將合金配料稱重調(diào)整到第二工序，并識(shí)別和明確了各個(gè)工序的作業(yè)參數(shù)（見圖2）。

圖2 熔煉生產(chǎn)工藝全流程參數(shù)管控追溯規(guī)劃

鑄造生產(chǎn)過程中，鐵液的液態(tài)結(jié)構(gòu)與所使用的爐料及鐵液溫度有直接關(guān)系。在相同碳當(dāng)量的前提下，初生奧氏體的量還受鑄鐵中碳、硅含量的影響，合金元素的加入精確度要求比較高。同時(shí)，熔煉參數(shù)的偏差會(huì)使鐵液材質(zhì)發(fā)生變化，直觀表現(xiàn)為鑄件報(bào)廢。因此，熔煉生產(chǎn)過程重點(diǎn)對(duì)重量、成分及溫度、速度進(jìn)行了精細(xì)化管控。

2.1合金稱重

在熔煉生產(chǎn)計(jì)劃下發(fā)后，配料工位根據(jù)生產(chǎn)信息，按照順序進(jìn)行配料稱重，再加入到爐內(nèi)。

熔化效率這項(xiàng)指標(biāo)，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，根據(jù)鑄件的重量，熔爐的出鐵量應(yīng)便于調(diào)節(jié)，即具有一定的“柔性”，這似乎與熔化效率有一定的矛盾，但生產(chǎn)上有時(shí)又必須充分予以考慮，依靠手工計(jì)算顯然存在不足。

熔爐內(nèi)的爐料主要包括生鐵、廢鋼、回爐料、電解銅等10余種，根據(jù)鑄件材質(zhì)類型和質(zhì)量要求，部分合金加入重量要求精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。系統(tǒng)根據(jù)BOM料單和熔煉計(jì)劃，會(huì)自動(dòng)生成各類合金所需要的重量。此外，系統(tǒng)能夠讀取加入合金的重量，包括生產(chǎn)過程的微調(diào)記錄，追溯性得到進(jìn)一步提升。同時(shí)還消除了操作人員繁瑣的計(jì)算和失誤（見圖3）。

圖3 稱重誤差提示

2.2 溫度與速度控制

在鐵液處理合格后，下一步便是出爐澆注，這時(shí)的出爐溫度和澆注溫度是控制的關(guān)鍵點(diǎn)。溫度過高容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)縮松、粘砂等缺陷，溫度過低容易導(dǎo)致鑄件出現(xiàn)冷隔、氣孔等缺陷。因此，鐵液溫度能夠直觀地決定鑄件質(zhì)量。

（1）在熔煉技術(shù)中根據(jù)產(chǎn)品的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)鐵液溫度有比較明確的區(qū)間要求(例：澆注溫度1 390～1 410 ℃)，但在實(shí)際操作過程中，溫度的控制難度比較大，很容易出現(xiàn)實(shí)際出鐵溫度和澆注溫度與要求不符的情況，而手寫澆注記錄是事后填寫，準(zhǔn)確性不高，從而導(dǎo)致質(zhì)量問題追溯性和改進(jìn)依據(jù)不足。

產(chǎn)品參數(shù)維護(hù)進(jìn)入系統(tǒng)后，系統(tǒng)會(huì)提醒出爐操作人員溫度數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，只有符合區(qū)間值才能進(jìn)行下一步操作。同時(shí)系統(tǒng)還會(huì)記錄異常數(shù)據(jù)，例如該爐鐵液溫度調(diào)整了幾次，便于后期的質(zhì)量追溯和分析，有利于增強(qiáng)操作人員的責(zé)任心和追溯產(chǎn)品的質(zhì)量。

（2）澆注速度是影響澆注質(zhì)量的最后一個(gè)環(huán)節(jié)。鑄鐵件產(chǎn)品的澆注通常是按照溫度區(qū)間下線，快速完成澆注，因此常說低溫快澆好，鑄件質(zhì)量高。澆注時(shí)間過長(zhǎng)，容易使整包鐵液的溫度下降，導(dǎo)致鑄件凝固出現(xiàn)冷隔缺陷。

實(shí)際生產(chǎn)過程中，澆注時(shí)間根據(jù)鑄件鐵液的需求量確定：中大型鑄件要求快澆，因?yàn)闈沧⑾到y(tǒng)橫截面大，有足夠的鐵液流通區(qū)域；小型鑄件，則需要慢一點(diǎn)，否則流速過大會(huì)導(dǎo)致壓力大，容易出現(xiàn)抬箱，鐵液從分型面縫隙中噴射出來，導(dǎo)致泄露。在澆注時(shí)，操作人員在工控傳遞澆注開始和澆注結(jié)束兩個(gè)信號(hào)，系統(tǒng)將同步記錄該產(chǎn)品的澆注時(shí)間（見圖4）。

圖4 澆注節(jié)拍

為有效管理熔煉生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，確保鐵液質(zhì)量，在車間設(shè)置了生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心顯示屏，主要內(nèi)容包括生產(chǎn)計(jì)劃完成情況、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、環(huán)境溫濕度等。其中，生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)包括了生產(chǎn)批號(hào)和鐵液的重量、溫度、成分等信息（圖5）。

圖5 生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心

通過各個(gè)工位的工控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取與聯(lián)網(wǎng)記錄，不僅可以真實(shí)地記錄過程參數(shù)，幫助操作者提高工藝紀(jì)律執(zhí)行效率和技能操作水平，還可以將生產(chǎn)參數(shù)展示出來，及時(shí)發(fā)現(xiàn)參數(shù)異常并加以解決。

根據(jù)熔煉過程的參數(shù)管理要求與工位設(shè)計(jì)，確定了熔煉生產(chǎn)5個(gè)工位的硬件功能，對(duì)稱重、測(cè)溫、氣溫、濕度、速度等設(shè)備進(jìn)行了聯(lián)網(wǎng)改造。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)規(guī)定了工位的作業(yè)半徑、網(wǎng)口接入、電源、運(yùn)行環(huán)境和其他硬件，根據(jù)預(yù)期過程參數(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)讀取、對(duì)參數(shù)進(jìn)行區(qū)間監(jiān)測(cè)等效果。設(shè)備功能詳細(xì)清單如圖6所示。

圖6 設(shè)備功能清單

本項(xiàng)目操作界面根據(jù)工位做內(nèi)容設(shè)計(jì)，操作人員經(jīng)過培訓(xùn)后很容易上手，操作流程簡(jiǎn)單，硬件均采用工業(yè)級(jí)觸摸操作，并且為延長(zhǎng)硬件的使用壽命，還做了防水與防塵處理。

目前熔煉生產(chǎn)過程參數(shù)基本得到優(yōu)先管理，從前端的數(shù)據(jù)維護(hù)導(dǎo)入到后端應(yīng)用，已經(jīng)貫通。同時(shí)解決了鐵液爐前光譜顯示的問題，便于操作人員根據(jù)光譜數(shù)據(jù)對(duì)鐵液進(jìn)行調(diào)整。

后期將以此項(xiàng)目為載體，設(shè)計(jì)常州朗銳鑄造有限公司樹脂砂車間的生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理中心，集成生產(chǎn)信息、物料信息、工裝模具信息和質(zhì)量信息為一體的數(shù)據(jù)中心，達(dá)到信息及時(shí)傳遞、問題及時(shí)暴露、改進(jìn)及時(shí)響應(yīng)的目的（圖7）。

圖7 生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成

通過設(shè)計(jì)熔煉生產(chǎn)參數(shù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線下達(dá)生產(chǎn)計(jì)劃，對(duì)合金稱料、鐵液測(cè)溫、出鐵、澆注等工序進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)設(shè)有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和判斷功能，實(shí)現(xiàn)了熔煉生產(chǎn)全過程數(shù)據(jù)的信息化、可視化，達(dá)到熔煉數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，熔煉質(zhì)量趨于穩(wěn)定的目的。