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随着机械化程度越来越高PLC应用技术发展很快。PLC是一种数字运算操作 的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其 内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术等操作指令，并通过数字、 模拟式的输入和输出控制各种机械或生产过程。
PLC的主要优点有：通用性好、
可靠性好、环境适用性好、抗干扰性能强、功能强、结构简单、使用方便、体积 小、重量轻、功耗低。由于PLC具有上述一系列有点，因此在工业控制方面 PLC 已广泛应用于化工、轻工、机械、电子、建筑、交通、运输等各行业。用
PLC
控制系统代替体积大、投资大、功耗大的继电器一接触器系统是今后发展的趋势。 按照PLC的控制类型不同，PLC应用于以下几个方面：
（1） 逻辑控制。这是PLC最基本的控制，可用以取代继电气控制和二极管 矩阵式顺序控制，如铣床、电梯起重机等的电气控制。
（2） 模拟量控制。PLC具有D/A、A/D转换及算术运算等功能，可实现模拟 量控制，有的PLC还具有PID运算的功能，可以用于闭环的位置控制、速度控制、 和过程控制。
（3） 数字控制，PLC能和机械加工中的数字控制及计算数控组成一体，实 现数值控制。
（4） 机器人控制，对于机器人，很多工厂也选用 PLC来控制，自动的处理 它的各种机械动作。
（5） 多级控制系统。高工能的 PC既有较强的通讯联网功能，PC与PC，PC 与远程I/O、PC与上位计算机之间可以通讯，从而可以形成多级控制系统，通常 采用多台PC分散控制，由上位计算机集中管理，这样的系统又称为分布式控制 系统。机床的电气控制是PLC应用的重要领域之一，PLC是实现机电一体化的重 要手段，它既能改造传统的机械产品使之成为机电一体化新一代产品，
又试用于
生产控制。根据以往 PLC应用于老企业旧设备的技术改造上取得可喜的经济效 益。将以X62W厅能升降台铣床为列，对其应用于 PLC完成电气控制系统的自动 化
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改造。目的在对原有的机床实现功能扩展， 改进其基于PLC的设计理念，使其 渗透到其他机床的电控系统的自动化改造， 不断推出PLC控制的新产品，推动我 国自动化发展。
X62W万能升降台铣床是一种高效率的加工机械，在机械加工和机械修理中 得到广泛的应用。万能铣床的操作是通过手柄同时操作电气和机械，以达到机电 紧密配合，完成预定的操作，是机械和电气联合动作的典型控制， 是一种自动化 程度较高的组合机床。但是在电气控制系统中，故障的查找和排除是非常困难的， 特别在继电器接触式控制系统中，由于电气控制线路触点多、线路复杂、故障率 高、检修周期长，给生产与维护带来诸多不便，严重的影响生产。由于存在以上 问提和为了提高企业设备利用率没提高产品的质量和自动化程度，
应用PLC技术
对其进行改造。由于PLC是把自动化技术、计算机技术、通讯技术融为一体的， 因此PLC具有多种控制功能及优点。根据实际改造过程中具体情况主要应用于 PLC以下三个方面的优点：
（1） 控制系统中的构成简单、灵活。在由 PLC构成的控制系统中，只需 要
在PLC的端子上接入相应的输入和输出信号线即可，当控制要求改变，需变 更控制
系统的功能时，可以通过编程器在线或离线修改程序来实现。
（2） 抗干扰能力强，可靠性能高。传统的继电器控制使用了大量的机械触
头，线路复杂，触头在开闭时易受电弧的损害，寿命短。而PLC采用微电子技术， 其无故障时间一般都在2万小时以上，大量的开关动作由触电的电子电路完成， 大部分继电器和繁杂的线路被软件程序所取代。 同时PLC在制造工艺上加强了抗 干扰从而避免了输入、输出部分窜入的感染信号而引起的误动作。
PLC还采取了
屏蔽、滤波等措施，有效的防止了空间电磁干扰，对高频干扰信号起到良好的抑 制作用。因此，PLC可靠性大大提高。
（3）PLC的编程方法简单，使用方便。PLC采用面向控制过程，面向问题 的“自然语言”编程与使用汇编语言编程相对比容易掌握。例如目前大多数
PLC
均采用的梯形图语言编程方法，既继承了传统的控制线路的清晰直观感， 又考虑 到大多数电气技术人员的读图习惯及应用计算机水平，很容易被电气人员所接 受，易于编程，程序改变时也容易修改，灵活方便。这种面向控制过程，面向问 题的编程方
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法，与目前计算机控制常用的汇编语言相比， 虽然PLC内部增加了解 释程序，增加了程序执行时间，但对大多数的机电控制设备来说是微不足道。
而
且还可采用PLC的顺序功能图，语句表的编程方法。这些编程方法都具有易于修 改、直观、灵活方便等特点。而PLC的输入输出接口已做好，可以直接与控制现 场的用户设备直接连接。输入接口可以与各种开关和传感器连接， 输出接口具有 较强的驱动能力，可以直接与继电器、接触器、电磁阀等连接，使用很方便
。
此外，PLC还具有自动诊断、监测功能、体积小维护方便、耗能低、机构 紧凑、紧固耐用等优点。因此，PLC是实现机电一体化的理想控制设备。当然， PLC也非十全十美，其缺点是：
（1） 工作速度较计算机速度慢，输出对输入的响应有滞后现象。 （2） 使用中，高档的PLC，要求使用者具有相当的计算机知识。 （3） 价格比继电器控制要高，比一般的单机版系统。
对X62W万能升降台铣床电气控制系统的改造可以从以下几个方面入手： （1） 根据对主电路和控制电路的分析简述铣床的工作原理及电气控制要 求.包括器件选型。
（2） 用PLC改造该铣床电控系统的硬件设计部分，包括 PLC选型，具体 I/O地址分配，PLC控制系统的外部接线图。
（3） 用PLC改造该铣床电控系统的软件设计部分。 主要实现对原有功能的 扩展。既满足不同生产状态下，不同生产要求系控制。 （4） 结束部分。通过用具运行调试程序得出设计结论。
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2 X62w王能升降台铣床的工作原理、电气控制要求
2.1工作原理
X62w万能升降台铣床的外部结构如图1所示，它主要有1床身、2主轴、3 刀竿、4悬梁、5支架、6工作台、7回转盘、8横溜板、9升降台、10底座等几 个部分组成。在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下运动。在升降台上 面的水平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动（前后移动）的溜板。溜板上 面有可转动的回转盘，工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直于主轴轴线 方向移动（左右移动）。工作台上有T形槽用来固定工件。这样，安装在工作台 上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置或进给。
铣床的主轴旋转运动称为主运动，他有顺铣和逆铣两种方式，所以要求主 轴有两个旋转方向。为了加工前对刀和提高生产效率， 要求主轴停止迅速，所以 电气线路要有制动措施。铣床的进给运动有六种：即工作台前后（横向）运动， 左右（纵向）运动和上下（垂直）运动。六个方向上都能快速移动。
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2.2电气线路概述
该铣床由三台异步电动机拖动，M1为主电动机(功率为7.5KW 1450r/min)， 通过组合开关SA5改变电源相序实现主轴正、反两个旋转方向。为了准确停车， 主轴电动机采用电磁离合器制动。 M2为进给电动机，他通过操纵手柄和机械离 合器相配合实现前、后、左、右、上、下，六个方向上的进给运动和进给方向的 快速移动。进给的快速移动是通过牵引电磁铁和机械挂档来完成。为了扩大其加 工能力在工作台上可加圆形工作台，圆形工作台的回转运动是由进给电动机经传 动机构驱动的。M3为冷却泵电动机，三台电动机都有可靠的短路保护和过载保 护。
根据加工工艺要求，该电动机具有如下电气连锁措施 ：
(1) 为了防止刀具和机床的损坏，要求只有主轴旋转后才允有进给运动和进 给方向的快速移动
(2) 为了降低表面加工粗糙度，只有进给停止后主轴才能停止或同时停止， 该机床在电气上采用了主轴和进给同时停止的方式。 但是由于主运动的惯 性很大，实际上保证了进给运动先停止、主轴运动后停止的要求。
(3) 六个方向的进给运动同时只有一种运动产生， 该机床采用了机械操纵手 柄和行程开关相配合的办法实现六个方向进给运动的互锁。
(4) 主轴运动和进给运动采用变速孔盘来进行速度选择， 为了保证变速齿轮 进入良好啮合状态，两种运动都要求变速后做瞬时点动
(5) 当主电动机或冷却泵电动机过载时， 进给运动必须停止，以免损坏刀具 和机床.
2.3主电路分析
X62W厅能升降台铣床共有三台笼型三相异步电动机，均为直接启动。 M1为 主电动机，功率为7.5KW M2为进给电动机，功率为1.5KW拖动工作台移动，M3 为冷却泵，功率为0.75KW三相交流电源隔离开官 Q引入，主电动机的保护是 熔断器FU1,其过载保护是热继电器 KR1 KM1为主电动机M1启动接触器。进给 电动机M2的短路保护是熔断器FU2,其过载保护是KR2 KM2 KM3是电动机M2 正、反转接触器。M3的过载保护是KR3 KR5是电动机M3的启动接触器。主电 路如图2所示
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图2
2.3.1主电动机的控制线路
控制电路的电源由控制变压器输出110V供电。控制线路如图3所示。 (1)
主电动机的启动 主电动机启动前应首先选择
好主轴的转速没然后将组 合开关Q1搬到接通位置，主轴换向的转换开关 SA5搬到所需的转向。这时按下 启动按钮SB1或按下启动按钮SB2接触器KM1得电吸合，KM1的主触点闭合接 通电动机的定子绕组，主电动机启动。 KM1的辅助动合触点的线圈闭合将自锁，
辅助动合触电闭合工坐台的进给线路提供了电源。
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(2) 主电动机的制动为了主轴能准确的停车又能减少电能的损耗，主轴制 动采用了电磁离合器的制动方式。电磁离合器的直流由整流变压器 TR的二次侧 经桥式整流获得。当主轴制动停车时，按下 SB3或SB4,这时接触器KM1释放， M1定位绕组脱离电源，离合器 YC1线圈通电，主轴制动停车。
(3) 主轴变速是瞬时点动变速时，首先将变速手柄拉出，然后转动蘑菇型 变速手轮，当选好合适的转速后，将变速手柄复位，在手柄复位过程中，压动行 程开关ST7,接触KM1线圈瞬时接通，主电动机做瞬时点动，以达到齿轮的良好 啮合。当电动机的转速升的很高，在齿轮没有啮合好时可能是齿轮打牙。 当瞬时 点动一次没有
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实现良好啮合是齿轮打牙，可以重复进行瞬时点动动作。
（4）主轴换刀 在主轴上刀或换刀时，主轴的意外转动都将造成人身事故 。
因此在上刀或换刀时，应使主轴处于制动状态，控制线路中采用了停止按钮动合 触点两端并联一个转换开关SA2-2触点，在换刀时使它处于接通状态。当上刀或 换刀结束后，将SA2搬到断开位置，这时SA2-2触点断开，SA2-1触点闭合，为 主轴启动做准备。
2.3.2进给电动机的控制
进给运动在主轴启动方可进行工作台的左、右、上、下、前、后、运动是通 过操作手柄和机械联动机构控制相应的行程开关是进给电动机正传或反转来实 现的。行程开关ST1和ST2控制工作台的向右向左运动，ST3和ST4控制工作台 的向前、向下、和向后、向上运动。
（1） 工作台的左右（纵向）运动 工作台的左右运动由纵向手柄操纵，当 手柄搬向右侧时，手柄通过联动机构接通纵向进给离合器， 同时压下了行程开关 ST1的动合触点闭合，使进给电动机的正转接触器 KM2线圈得电，进给电动机正 转，带动工作台向右运动。当纵向进给手柄搬到左侧时，行程开关
ST2被压下，
行程开关ST1复位，进给电动机反转接触器KM3线圈得电，进给电动机反转，带 动工作台向左运动。SA1为圆形工作台转换开关，这时 SA1要处于断开位置，它 的 SA1-1，SA1-3接通，SA1-2 断开。
（2） 工作台上、下（垂直）运动和前、后（横向）运动
工作台的上下和 前
后运动又垂直和横向进给手柄操作。 该手柄搬向上或搬向下时，机械上接通了 垂直进给离合器；当手柄向前或向后时，机械上接通了横向进给离合器：手柄在 中间位置时，横向和垂直进给离合器均不接通。
在手柄搬到向下或向前位置时手柄通过机械联动机构使 ST3被压下，ST3的 动合触点接通，动断触点断开。这时进给电动机正转接触器线圈的电， 电动机正 转，带动工作台向下或向前运动。
当手柄搬到向上或向后位置时 ST4被压下，ST3复位，ST4常开触点接通， 进给电动机反转接触线圈得电，电动机反转带动工作台向上或向右运动。手柄搬 到向下或向前压动行程开关ST3与搬到向上或向后压动行程开关 ST4均是通过机 械联动机构实现的。
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（3） 进给变速时的瞬时点动 进给变速必须再进给操作手柄放在零位时进 行。它和主轴变速一样，进给变速时，为了使齿轮进入良好啮合状态，也要做变 速后的瞬时点动，在进给变速时，首先将进给变速的蘑菇型手柄拉出，当选好合 适的进给速度后，将手柄继续拉出，再拉出行程开关 ST6被压动，ST6常开触点 接通，常闭触点断开，这时进给电动机正传接触器 KM2线圈得电，进给电动机瞬 时正转。在手柄推回原位时ST6复位进给电动机停止。一次瞬时点动齿轮仍未进 入啮合状态，可以再重复进行一次，直到进入良好的啮合状态为止。
（4） 进给方向上的快速移动 快速按钮配合实现的。
当在某一方向有进给后，按下快速按钮SB5或SB6快速移动接触器KM4动 作，接触器KM4动合触电闭合，接通快速离合器 YC3工作台在原方向上做快速 移动，松开按钮快速移动停止
（5） 进给方向上的极限位置保护 工作台再进给方向上的运动必须具有可靠 的极限位置保护，否则将造成设备或人身事故。 X62w卧式万能升降台铣床的极 限位置保护采用的是机械和电气相配合的方式。 由挡块确定各进给方向的极限位 置，当达到极限位置是，挡块将操作手柄自动的回到零位。 电气上就使在相应进 给方向上的行程开关复位，切断了进给电动机的控制电路，进给运动停止。保证 了工作台在规定范围内运动。 233圆形工作台的控制
为了扩大机床的加工能力，可在机床工作台上安装附件圆形工作台， 这样就 可以进行圆弧或凸轮的铣削加工，圆形工作台可以进行手动也可以自动， 当需要 用电器方法自动控制时，应首先将圆形工作台开关SA1搬到接通位置，这时SA1-1 的触点断开，SA1-3的触点也断开，SA1-2的触点接通。这时按下启动按钮 SB1 或SB2,主电动机启动。接着进给电动机 M2正转接触器KM2线圈得电，M2电动 机启动，带动圆形工作台做旋转运动。
圆形工作台的运动必须和六个方向的进给运动有可靠的互锁， 否则会造成刀 具或机床的损坏。为了避免这种事情发生，从电气上保证了只有纵向、横向及垂 直于手柄放在零位时才可以进行圆形工作台的旋转运动。如果某一手柄不在零
六个方向的进给快速移动是通过相应的手 柄和
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位，行程开关ST1、ST2 ST3 ST4就有一个被压下，他所对应的动断触点就 要断开，破坏了 KM2线圈的通过电路。所以圆形工作台工作时，如果搬动了任何 一个手柄，KM2线圈断电，M2电动机自动停止。
工作台进给手柄位置及其控制关系
手柄位置 电动机M2 转传动链搭合 位置开关 动接触器动 作 工作台方 向 丝杠 作 向 左右进给丝 杠 左 ST2 KM3 反转 向左 中 - 停止 停止 右 ST1 KM2 正传 左右进给丝 杠 向右 工作台上、下、中、前、后、进给手柄位置及其控制关
手柄位置 位置开关动 作 电动机M2 转传动链搭合 接触器动 作 丝杠 向 上下进给丝 杠 上下进给丝 杠 工作台运动 方向 上 ST4 KM3 反转 向上 下 ST3 KM2 正传 向下 中 停止 停止 、八 刖 ST3 KM2 正传 前后进给 丝杠 前后进给丝 杠 向前 后 ST4 KM3 反转 向后 2.4X62W万能升降台铣床电气元件
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2.4.1 X62W万能升降台铣床电器元件目录 符号 名称及用途 符号 名称及用途 M1 主电动机 SA5 主轴换向转换开关 M2 进给电动机 Q1 电源转换开关 M3 冷却泵电动机 SB1、 SB2 主轴启动按钮 KM1 主电动机起动接 触器 SB3 SB4 主轴停止按钮 KM2 正向进给电动机 启动接触器 SB5 SB6 工作台快速移动按 钮 KM3 反向进给电动机 接触器 SB7 SB8 冷却泵起停按钮 KM4 快速接触器 KR1 主电动机热继电器 KM5 冷却泵接触器 KR2 进给电动机热继电 器 ST1 工作台向右进给 行程开关 KR3 冷却泵电动机热继 电器 ST2
工作台向左进给 行程开关 FU1-FU6 熔断器 11
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符号 名称及用途 符号 名称及用途 工作台向下向前 ST3 进给行程开关 工作台向后、向上 ST4 进给行程开关 进给变速瞬时点 ST6 动开关 主轴变速瞬时点 ST7 动开关 圆形工作台转换 SA1 开关 主轴上刀制动开 SA2 关 YC2 进给电磁离合器 YC1 主轴制动电磁离合器 U 晶闸管整流器 TR 整流变压器 TD 照明变压器 TC 控制变压器 SA4 照明灯转换开关 YC3 快速电磁离合器 2.4.2元器件选型
2.4.2.1电动机的选取
根据机床技术上的要求，合理的选择电动机的功率、转速、结构形式等，而 且要考虑设备投资费用少，运行费用低的经济指标。电动机功率与电动机的允许 升温和过载能力有关，且功率因素和效益降低，不经济。若功率选小了，电动机 过载运行，超过允许升温，降低使用寿命，严重时会使用电机损坏。因此，应合 理选择电动机的功率。电动机的结构形式根据安装方式的不同，分为卧式和立式 两中种。普通铣床选择
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通用（Y系列）的卧式电动机。根据环境来选择电动机的 防护形式，在没有特殊要求的环境下一般选择防护式， 在有冷却液、易于产生铁 屑、有灰尘的环境下，采用封闭式；若在加工易燃合金或煤油冷却铁削和刀具的 环境下，则采用防爆式。电动机的转速是根据机床的要求和传动装置的具体情况 来选择的，电动机的转速越低，则体积越大，功率因数和效率越低，价格也越高。 电动机的转速过高，齿轮传动箱减速比大，效率低。以下是本次设计选用的电动 机型号。
器件 功率 型号 转速 定子电流 M1 7..5KW Y132M-4 1450r/mi n 15.4A M2 1.5KW Y90L-4 1410r/mi n 3.65A M3 0.75KW Y80-2 2825r/mi n 1.9A 2.422按钮的选取
按钮用作短时接通或断开小电流的开关。 根据电源种类、电压等级、所需触 电数，适用场合及颜色等选择。按钮的额定电压，交流 500A、额定电流5A。紧 急按钮（红）选LA19-11J型，一般按钮（绿）选 LA19-11D型。 2.4.2.3 组合开关的选取
组合开关又叫特换开关是用来作为电源开关等。也可以直接起停 5KV以下的 三相异步电动机或控制电路的转换开关等。 根据电源种类、电压等级、电动机功 率及所需触电数等选择。可以选择 HZ5B-10-R型和HS11-200/3型的组合开关即 可满足要求。
2.4.2.4行程开关的选择
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行程开关是按照机床运动部件的行程位置而动做的小电流开关， 根据运动部 件对形成开关形式的要求触电的种类和数量、 电压、电流等级来选择。可以选择 LX19A-001型的行程开关即可满足要求。 2.425熔断器的选取
熔断器用于短路保护。根据被保护的对象选择熔断器的类型、电压电流和熔 断器的额定电流。对于没有冲击电流的一般负载如照明、指示信号、电阻器等， 熔断的额定电流应稍大于或等于线路的工作电流。熔断器的种类有插入式、螺旋 式填料封闭管式及快速熔断器等。可以选择 RL1-20型的熔断器即可满足要求。 2.4.2.6 热继电器的选取
热继电器主要用来对电动机进行过载保护的。 根据电动机的额定电流选择热 继电器的型号、规格及元件的电流等级。使用时应使热继电器的整流电流等于电 动机的额定电流。可以选择JR16B-20/3性热继电器即可满足要求。
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3改造方案的确定
根据元铣床电气控制线路实现的控制要求和工人师傅的操作习惯来确定系 统的改造方案：
（1） 不改变原控制系统的电气操作方法。
（2） 不改变电气系统控制元件（包括行程开关、按钮交流接触器、中间接触 器、以上原件的数量、作用均与电气线路相同）。
（3） 原控制线路中热继电器仍用硬件控制（因过载使用几率较少） 。 （4） 原主轴和进给变速箱操作方法和结构不变。 （5） 原铣床的加工工艺方法不变。
（6） 只是将原继电器控制中的硬件改为用软件编程来替代。
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4用PLC改造X62W万能升降台铣床的电控系统硬件设计
PLC按其结构可分为整体式、模块式和叠装式三种。整体式的CPU莫块、I/O， 模块和电源装在一个箱状机壳内，机构非常紧凑，体积小，价格低。小型可编程 序控制器一般采用整体式结构。整体式可编程序控制器可提供多种不同的
I/O
点数的基本单元和扩展单元，基本单元内有 CPU模块、I/O模块和电源，扩展单 元内有I/O模块和电源，其基本单元之间用扁平电缆连接。 各种输入点和输出点 比例式固定的，有的可编程程序控制器有全输入型的扩展单元。模块式的可编程 控制器用搭积木的方式组成系统，它由框架和模块插在模块插座上，模块插座焊 在框架中的总线上。可编程控制器的电源可能是单独模块，也可能包含在
CPU
模块中。叠装式的可编程序控制器吸收了整体式和模块式可编程序控制器的优 点，它的基本单元、扩展单元和扩展模块等高等宽，但是长度不同。它们不用基 板，仅用扁平线缆连接，紧密拼装后组成一个整齐的长方体。输入、输出点的配 置也相当灵活
可编程序控制SPLC
接收现场信号
WJ
入 接 □ 部 件
中央处理 单元 （CPU板） 电源部件 PLC基本组成
输出接口部件 受控元件 4.1X62W铣床输入输出点数统计
因为在改造中不改变原有控制系统，所以PLC输入输出点数可能根据原继电 器控制电路来计算。 4.1.1 输入点数
（1）原主电动机启动按钮两个合为1个输入点，主电动机停止按钮两个合为 1个输入点，主电动机变速点动行程开关 1个，共3点。
（2） 工作台上右移行程开关1个，左移行程开关1个，前、下移行程开关1
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个。后、上移行程开关1个，工作台快速按钮两个合为1个输入点，工作台变速 冲动行程开关1个，工6点。
（3） 冷却泵启动一个，冷却泵停止1个，工2点。 （4） 圆形工作台转换开关1个。 （5） 主轴换刀转换开关1个。. （6） 安全工作照明开关1个。 输入点数共14点。
4.1.2输出点数
根据原控制器主电动机、工作台进给电动机、快速进给电磁离合器、主轴制 动电磁离合器、正常进给电磁离合器及冷却泵电动机用交流接触器， 安全工作照 明灯，铣床的各种工作状态指示灯等统计输出点数为；
（1） 主电动机运行交流接触器1个，主电动机制动电磁离合器交流接触器 1 个，共两点。
（2） 工作台进给电动机正、反转交流接触器各1个，正常进给电磁离合器交 流接触器1个，快速进给接触器1个，主电动机制动电磁离合器线圈1个，共5 点。
（3） 冷却泵电动机交流接触器1个。 （4） 安全工作照明灯1个。
（5） 主电动机正常工作、进给电动机正常工作、正常进给工作、快速进给工 作指示灯各个，共4个。
输出点数共为13点。
4.2PLC的选择
X62万能升降台铣床属于单机控制，输入、输出均为开关。改造后共需输入、 输出点数为27点。根据实际控制要求，并考虑系统改造成本及准确计算 I/O总 点数的基础上，选用三菱FX2N_32MR_0（型（继电器输出，模块式）PLC为基本
元素，I/O总点数为32点，输入点数为16点，输出点数为16点。既可满足本 次改造
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的需要，又为今后生产工艺的调整提供方便， 原系统中的外部输入、输出
设备和必要的配件保护设备保留，将原继电器控制中的硬件接线改为软件编程来 代替。具体I/O地址分配表见下表。外部接线图如图 铣床的工作流程图如图5所事。
输入继电器 X X0-X7 ； X10-X13 ； X14-X17 ； 输出继电器 Y Y0-Y7 ； Y10-Y13 ； X14-Y17 ； 4所示。X62W厅能升降台
辅助继电器M M0-M10; 定时器 T T0-T10 计数器 C C0-C10
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；；
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I/O 地址分配表
输入部份
地址 X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X10 X11 X12 X13 X14 X15 元件 SB1、SB2 SB3 SB4 SA4 SB5 SB6 SA2 SA1 ST2 ST1 ST3 ST4 ST7 ST6 SB7 SB8 功能 主电动机M1启动按钮 主电动机M1停止按钮 安全工作照明灯开关 工作台快速进给按钮 主轴换刀转换开关 圆形工作台转换开关 工作台左移行程开关 工作台右移行程开关 工作台前、下移动行程开关 工作台后、上移动行程开关 主轴变速冲动行程开关 进给变速冲动行程开关 冷却泵启动按钮 冷却泵停止按钮 19
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输出部分
地址 元件 功能 Y0 KM1 主电动机M1接触器 Y1 KM2 进给电动机M2正转接触器 Y2 KM3 进给电动机反转接触器 Y3 KM4 快速进给接触器 Y4 KM5 冷却泵电动机M3接触器 Y5 YC1 主轴制动电磁离合器线圈 Y6 YC3 工作台快速进给离合器线圈 Y7 YC2 工作台正常进给离合器线圈 Y10 EL 安全工作照明 Y11 L1 进给电动机M2正常工作指示 灯 Y12 L2 工作台正常进给工作指示灯 Y13 L3 工作台快速进给工作指示灯 Y14 L4 主电动机M1正常工作指示灯 20
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图4外部接线图
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图5 X62w万能升降台铣床工作流程示意图
5软件设计
软件编程取代继电器逻辑控制的硬件连线电路是 PLC编程方式有4种：梯形 图、指令、逻辑功能图、高级语言。尤其以梯形图和指令应用较广。梯形图是一 种图形语言，它仍沿用继电器的触点、线圈、串并联等术语和图形符号，并增加 了一些电器控制没有的符号，梯形图比较形象直观，对熟悉继电器表达方式的上 来说，易被接受，而不学习更深的计算机知识。尽管各种，
PLC的指令系统以及
指令的助记符不全相同，但梯形图的设计方法基本上是相同的。 设计梯形图一般 应遵循以下规则；
（1） 按自上而下，从左到右的顺序排列，每个继电器线圈为一个逻辑，即一 层阶梯。
（2） 梯形图中，一般情况下，某个编号（定义号）的继电器线圈只能出现 一次（即不能出现重号的继电器线圈），而继电器线的接触点则可无限使用，既 可以是常开触点，也可以是常闭触点。在某些特殊情况下，也允许出现重号的继 电器线圈，如使用多个跳转指令的程序和使用步进指令的情况。
（3） 输入继电器的线圈由输入点的外部输入信号驱动。
（4） 在每一个逻辑行上，串联接点多的电路应排在上面，如果串联接点多的 电
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路排在下面，则需要增加一条 ORST指令，这是不好的。
(5) 在每个逻辑行上，并连接点多的电路应排在左面。 (6) 不允许在一对节点上有双向的电流通过。 (7)
过很多条逻辑行都具有相同的控制条件时， 行共有的控制条件。
根据实际工艺要求及改造的需要，记住梯形图(Ladder Diagram)来编程用 户控制程序，实现单台设备或生产过程的顺序控制， 则是PLC主要功能之一。开 关量控制系统梯形图的设计方法有两种，
即经验设计法。与顺序控制设计法。在
即在
在编程中，通并联各条逻辑
可编程控制器发展的初期，沿用了设计继电器电路图的方法来设计梯形图， 一些典型电路的基础上，根据被控制系统的具体要求不断的修改和该改善梯形
图，。有时需要多次反复的调试和修改梯形图，不断地增加中间编程与原件和辅 助触电，最后才能得到一个满意的效果。 这种方法没有普遍的规律可以遵循， 具 有很大的试探性和随意性，最后的结果不是唯一。顺序设计控制法，所谓的顺序 控制，就是按照生产工艺预先规定的顺序， 在各自输入信号的作用下，根据内部 状态和时间顺序，在生产过程中各个执行机构自动的有秩序的进行操作。
就三菱
FX2N系列而言，实现顺序控制的程序设计方法主要有四种：采用起保停电路的 编程，米用以转换为中心的编程，米用步进梯形指令，(Step Ladder In structio n-STL )编程和仿步进梯形指令编程。步进梯形指令是由状态转移图 设计梯形图的一种步进指令。状态转移图直观地表示了工艺流程。
因此，采用步
进指令设计梯形图具有简单直观的特点， 使顺序控制变得容易，大大缩短了设计 者的设计时间，步进梯形图与继电器图形相比：继电器图形通常由于一些串联连 接的接点组成的简单的控制过程，这使各逻辑操作条件信号较为容易得到，而步 进梯形图主要用于顺序控制，很容易实现控制要求。
5.1梯形图的设计
首先采用“化整为零”的方法，参照 X62W的工作流程图，按被控制的对象 和各个控制功能，逐一设计出主电动机 M1的梯形图、工作台进给运动控制电动 机M2的梯形图和冷却泵电动机 M3的梯形图，在“集零为整”完善关系，设计出 整体控制梯形图。如下图所示。
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5.2编写程序
根据梯形图和三菱FX2N系列的基本逻辑指令编写程序语句表。FX2N系列可 编程控制器共有27条基本逻辑指令，此外还有一百多条功能指令。仅用逻辑指 令便可以编制出开关量控制系统的用户程序。编制程序是使用的指令：
LD:常开触点与母线连接的指令。 LDI :常闭触点与母线连接的指令。 OUT:驱动线圈的输出指令。 AND常开触点串联连接指令。 ANDI:常闭触点串联连接的指令。 OR常开触电的并联连接指令。 ORI:常闭触点并联连接指令。 ORB电路块并联连接指令。 ANB电路块串联连接指令。
梯形图
其语句表如下：
步序 0 1 LD OR 指令 X0 M0 器件号 24
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2 ANDI X4 25
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3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
OR ANDI OUT ANDI OUT LD OR ANDI OUT LD ANDI LD ANDI X12 X1 Y0 X12 M0 Y0 Y3 X1 M1 X7 X5 X13 X7 ORB LD ANDI X5 X7 ORB ANDI ANDI ANDI AND OUT LD X10 X11 X6 M1 M2 X10 25
26 27 28 ANDI LD ANDI X5 X13 X10 26
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29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 ORB LD ANDI X5 X10 ORB ANDI ANDI ANDI AND OUT LD ANDI LD ANDI X7 X11 X6 M1 M3 X6 X11 X11 X6 ORB ANDI ANDI ANDI AND OUT LD OR OUT LD X5 X10 X7 M1 Y2 M2 M3 Y1 Y1 51 52 53 OR AND Y2 X3 27
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54 ANDI X1 28
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55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 OUT LD OR AND ANDI OUT LD OR OUT LDI OUT LD OR OUT LD OUT LD OR OUT LD OUT LD OUT Y3 X14 X4 M0 X15 Y4 X1 X4 Y5 Y3 Y7 Y3 X1 Y6 Y0 Y14 Y1 Y2 Y11 Y7 Y12 Y6 Y13 77 29
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78 79 80 LD OUT X2 Y10 END 30
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6结论
本次设计在用PLC改造的机械产品，使之成为机电一体化产品方面做了有 益的探索，以X62W厅能升降台铣床为列，在分析了主电动机和控制电路后简述 了铣床的工作原理及电气控制要求，根据实际工艺过程做出相应的元器件的选 择，设计出X62W厅能升降台铣床的PLC控制I/O电路、PLC的外部接线图。在 软件设计部分设计出了梯形图、语句表。控制程序在KG50PL（实验台上模拟调试 通过。经模拟完全符合X62W厅能升降台电气控制要求。自动化控制的先进度是 体现机床自动化水平的重要标志。作为工业计算机随着计算机技术和微电子技术 的迅猛发展，PLC已成为工业控制的标准设备之一。它既能改造传统的机电设备， 又能适用于生产的自动化控制。因此PLC的灵活运用是实现机床自动化水平的有 效途径；同时体现了利用为电子技术改造机械工业的基本发展方向。今后 将朝着以下方向发展；
（1） 小规模低造价。 （2） 分散控制。
（3） 更高处理速度和更大存储容量。 （4） PLC编程软件实现多样化和高级化。
（5） DCD和PLC的控制功能将进一步融合，DCS必将被由PLC组成的控制 系统或被以PC为平台的PLC控制系统所代替。同时PLC加强了组网和通讯能力， 能实现PC之间和PC与管理计算机之间的通讯网络，形成多层分布控制系统，广 泛应用与机械柔性制造系统（FMS、机械计算机集成制造系统（CIMS以及其他 各个领域中。
PLC
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注释
符号 注释 单位 P 功率 KW FU 熔断器 KR 热继电器 SA 组合开关 Q 隔离开关 TR 变压器 ST 行程开关 32
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8参考文献
[1] 廖常初 可编程程序控制器应用技术；重庆大学出版社， [2] 齐占庆 机床电气控制技术；机械工业出版社，1999.10
2004.9
[3] 黄义源 机床设备电气与数字控制；中央广播电视大学出版社， [4] 吕锋 容文杰PLC控制系统的设计方法与技巧；河北冶金出版社
1993.2 1994.4
⑸朱学军赖惠芬陈昭荣PLC在DU型多功能组合机床电控系统改造中改造应
用；2000
⑹ 万太福 唐贤永 可变控制器及其应用；重庆大学出版社，2000
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9致谢
在本次设计中，指导教师给与我们很大的帮助，是我们顺利完成了这次毕业 设计，我再次非常感谢祝老师给我的这种无私的帮助。 同时，我也非常感谢其他 的老师和我身边的同学们，它们在我的设计中也给予我很大的帮助。
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附件：
本设计包含A1图纸两张（一张X62W型铣床电气控制线路图, 张
PLC外部接线图及梯形图）说明书一份。
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The Developme nt of Con ti nu ous Cast ing
From the Making, Shap ing and Treati ng of Steel by William McGrav— Hill Compa nies, I nc., 2002
The Developme nt of Continu ous Cast ing
,
Continuous casting was developed very rapidly after the Second World War. Steel-producers arc today gen erally convin ced that con ti nu ous cast ing is at least as econo mical as in got product ion and can match the quality of the latter across much of the product ion spectrum for high-quality steels. Continual developme nt of the tech nique aimed at improved steel characteristics is lead ing to in creas ing adopti on of the process in works produc ing special high-grade steels. The reas ons for con ti nu ous-casti ng systems are:
(1) lower investment outlay compared with that for a blooming train (mi ni-steelworks);
(2) about 10%more productivity
than with conventional ingot-casting;
(3) high degree of con siste ncy of steel compositi on along the whole length of the strand; better core quality, especially with flat strands; high in here nt surface quality, lead ing to sav ings on an otherwise expe nsive surfac ing process;
(4) high degree of automati on; (5) frie ndlier to the en vir onment; (6) better work ing con diti ons.
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Types of In stallati on The first continuous-casting
plants were aligned vertically; however,
with larger cross-sections, increasing strand-length, and, above all, with in creas ing pouri ng-rates this type of con struct ion leads to un reas on able buildi ng-heights.
These factors also lead to a con siderable
in crease in the len gth of the liquid phase which has metallurgical effects. The length of the liquid phase in a continuously-cast by the following formula:
L=D2/4x2Vc
Where D =stra nd thick ness (mm)
x = solidification characteristic (mm / min 1/2)
These values amount to 26~33 for the whole cooli ng len gth. Vc = casting rate (m /min)
Efforts to reduce build in g-height first led to con ti nu ous-cast ing
systems in which molten metal passed into a vertical mould and solidified completely before being bent or where the stra nd has bee n in the liquid
phase and later to the bow-type installation which has a curved mould and is the system most used today. Vertical systems and those in which the
strand is bent whencompletely solidified have long straight liquid phases and can lead to un acceptably high capital outlay.
However, these systems have metallurgical adva ntages from the point of view of maintenance. A vertical system in which the strand is bent while still in the liquid phase has the adva ntage that the build ing n eed not be as tall as when the
strand is bent after solidification; however, the
strand is determined
liquid-phase bending system requires higher initial outlay and greater
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maintenance costs. The bow-type system represe nts a compromise betwee n the costs of capital outlay and of maintenance and what can be achieved metallurgic ally.
Continu ous-cast ing is suitable for the product ion
of almost any
cross-secti on imag in able; square, recta ngular, polyg on al, round, and oval sections areall available. There are also some instances
prelim inary sect ions for tubes and slabs, blooms, and billets. Secti ons with a breadth /thickness ratio greater than 1.6 are normally described as slabs. Billet-machi nes produce square or n early-square, ro und, or polyg onal cross-secti ons up to 160mm across. Larger sect ions and those with a breadth /thickness ratio less than 1.6 are cast in bloom-machines.
Billets nowadays normally produced in this way range from 80 x80 to 300 x300 mm, and slabs are 50 - 350mm thick and 300 - 2500 mm wide.
Continuous-casting output-rates have risen sharply, especially in the last few years. This is esse ntially because of in crease in the breadth of the strand and in casting rate. The following per secti on per minu te:
slabs 5 tones blooms 1 tones billets 350 kg
Fin ally, we should men tio n horiz on tal con ti nu ous-cast ing systems which are already used for non-ferrous metals and cast iron and which are being further developed for steel. R. Thieima nn and R. Steffe n have produced a comprehe nsive report about the state of developme nt of horizontal continuous-casting systems for producing billets from
outputs have been exceeded
of
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un alloyed and alloy steels. Horiz on tai con ti nu ous-casti ng systems have three important advantages over conventional continuous-casting
(1) low height and cost of buildi ng;
(2) simple means of protecting the melt against reoxidatioin;
(3) no stra nd deformati on because the ferrostatic pressure is much lower. Casti ng Tech nique
Molte n steel is poured from a cast ing ladle via a tun dish in to an ope n water-cooled copper mould. At first the bottom of the mould is closed off by a start in g-bar,
which the n leads tran sport of the hot stra nd from the
system:
mould into the continuous withdrawing rolls. The strand, which starts to solidify in the mould, passes through a cooli ng system before it fin ally reaches the withdraw ing rolls, whereup on the hot stra nd takes over tran sport. The start in g-bar is separated from the hot stra nd before or after it reaches the parting device. The latter, which may either be a flame-cutter or hot shears, moves at the same rate as the hot strand and cuts it into the len gths required.
The purpose of the tun dish is to feed a defi ned qua ntity of molte n steel into one or more moulds. This can be done by using no zzles con trolled by stoppers, slide-gates, or other means. The tun dish mayin itially be cold, warm, or hot accordi ng to the n ature of its refractory lining. Where difficult steels are processed the pouri ng stream is protected aga inst oxidation between the submerged boxes. The mould not only forms the strand secti on but also extracts a defi ned qua ntity of heat, so that the stra nd shell is strong eno ugh for tran sport by the time it reaches the mould-outlet. The mould maybe madefrom copper tube or hard enable copper
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alloy, depending on the shape and size of the strand to be cast. As a rule, tubular moulds tire used for smaller secti ons. The in terior surface of themould may be coated with chronic or molybde num to reduce wear and to suit heat-transfer
from the alloy being cast. The mould is tapered to match
steel-shri nkage and cast in g-rate and the type of steel concern ed. Moulds used today range from 400 to 1200 mm in len gth overall, but their usual length is between 700 and 800 mm. The problem of steel adhering to the mould-sides is usually coun tered by oscillati ng the mould sinu soidally relative to the strand and by adding lubricant (oil or casting flux} in an attempt to cut friction between the mould and the steel. The lubricant,
particularly casti ng-flux, has an additi onal
metallurgical fun cti on. The
choice of lubricant depends on the qualities required and the casting conditions; it is particularly important that casting-flux should be chose n to match the quality-programme precisely.
The level of steel in the mould may be con trolled manu ally or by an automatic system. Either method may be used to keep the level con sta nt or to match the incoming molten steel, i. e. to accommodate variations in cast ing rate. Manual con trol is affected via the stopper in the tun dish or by vary ing the output rate. An automatic con trol system may meter radioactivity or in frared radiati on or measure temperature via a probe in the mould wall to determine the steel-level and
compensate any changes by actuat ing the stopper-mecha nism (for con sta nt pouri ng rate) or controlling the speed of the withdrawing rolls (varying casting rate).
The type of start in g-bar used for con ti nu ous-cast ing depe nds on the type of in stallati on. Rigid start in g-bars can be used in vertical systems, while articulated dummy bars or flexible strip have to be used in bowed installations. The starting bar can be connected to the hot strand in different ways, one is by welding the fluid steel using a jointing element
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(flat slab, screw, or fragment of rail) which is soluble in the
start in g-bar; ano ther is by cast ing the conn ector in a specially shaped head in the dumm^bar in a way that enables it to be released by uniatching.
The thickness of the solidified strand shell on leaving the mould depe nds first of all on how long the steel is in con tact with the mould, but it also depends on the specific thermal conductivity
of the mould and
on the amount of superheat that steel has when it enters the mould. It can be determ ined with fair accuracy using the followi ng parabolic formula:
C=x. T
where C is the thick ness of the stra nd shell (mm) x is the solidification characteristic (mm/min1/2) t is the solidification time (min)
The solidification characteristic in and near the mould lies between 20 and 26, depe nding on the operati ng
con diti ons;
for the sec on dary
cooling-area the figure is 29 -33. The thickness of the solidified strand shell on leaving the mould is about 8 10% of the strand-thickness, depe nding on casti ng rate. A sec on dary cooli ng-area un der the mould speeds up completion of the solidification
process. The coolant usually is water
but water / air mixture or compressed air is also sometimes used. The
sec on dary cooli ng area is divided into several zones to suit coola nt flow rates. The necessary quantity of water is sprayed over the entire strand by spray-bars. The ferrostatic pressure may be so high in relation to the stra nd cross-sect ion and the casti ng rate that the stra nd has to be
supported to preve nt buckli ng. The equipme nt for this is expe nsive in pla nts produci ng blooms and especially slabs.
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Process Con trol
For productivity and quality reasons there is a trend in modern steelmak ing to tran sfer time-c on sumi ng operati ons, such as temperature adjustme nt, deoxidatio n and alloyi ng, from the furn ace to the ladle treatment stations. These treatments are particularly
important where the
con ti nu ous casti ng process is invo Ived because temperature and compositi on must closely be con trolled.
The temperature control of molten steel as it enters the mould needs to be more accurate in the continuous casting process than in conventional casting. Too high a superheat can cause breakouts or a dendritic structure, which is often associated with poor internal
quality. On the other hand,
too low a temperature may cause casti ng difficulties due to no zzle clogg ing and result in dirty steel. The steel temperature in the tun dish normally lies between 5 and 20
°C above the liquids for slab casting and
depends
between 5 and 50C for billet or bloom casting. This differential
on steel grade and, for example, is about 45t for sta ini ess steel slab casti ng from small fur naces.
In order to keep the steel temperature within the prescribed limits during the whole cast, temperature uniformity
in the ladle is of paramount
importanee. Stirring is required before casting in order to destroy any temperature variations in the ladle, and rinsing is sometimes used. The heat is flushed with either nitrogen or argon, injected by means of a porous plug at the bottom of the ladle or through a hollow stopper rod at a separate rinsing stati on.
Con trol of chemical compositi on can be performed duri ng vacuum or rinsing treatments. On the basis of the analysis of a sample or of an electromotive force oxyge n activity measureme nt made after homoge neity
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of the metal is attained, trimming additions can be calculated to ensure
correct deoxidation. The best way to introduce trim deoxidants is at a high velocity (powder injection with inert gas, wire feeding or bullet shooting) while stirring the bath. Decreasing the need for alloys by careful exclusion of furnace slag from the ladle simplifies trimming.
Vacuum treatme nt is versatile and useful to achieve for good ladle metallurgy. Low-pressure treatme nt, however, is the on ly way to remove hydroge n before casti ng or to decarburize to extremely low levels.
Mould-level control
The most vital part of the control of a continuous casting machine is to ensure that the withdrawal of the cast and the partially-cooled billet is such as to keep the liquid level in the mould constant (within a few centimeters). This is done in two ways.
(1) The tun dish is weighed and the rate of feed to the tun dish from
the ladle varied automatically to keep the total tun dish weight con sta nt. In this way the rate of feed from the tun dish is con sta nt.
(2) The rate of withdrawal of the partially cooled billet is con trolled so as to keep the level of liquid steel in the mould roughly con sta nt.
In the early days of continuous casting the level of the top of the
liquid steel in the caster was maintained constant by an operator viewing it and adjusti ng the tun dish stopper accordi ngly.
It is nowno rmal to have
a means of finding the level using a measuri ng in strume nt and automatically adjusting the level. The table below lists several ways in which the level is detected. Two of them, the gamma-ray (radioactive) and the in frared methods will be described in detail.
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The operation is self-evident from this diagram. The infrared device
was developed in order to avoid the use of powerful radioactive isotopes. The detector views the junction of the metal level with the back wall of the mould. As the metal level rises within the field of view more radiati on is received by the sin gle photocell and an in creased output is obta in ed. Special provisi ons are made to compe nsate for in terruptio n of the view of the metal. The photocell unit receives the in frared radiati on and provides an electrical signal to the control unit, which is in turn conn ected to the operator's unit and the casti ng-mach ine drives. The operator can select automatic or manual control and he receives indication of the operat ing rod from sig nal lamps. The radiati on emitted from the liquid steel is collimated
through a slotted mask and the n focused on to
a photo detector by a cylindrical lens. The light is filtered to eliminate radiati on below a wavele ngth of 1 mm, so reduci ng in terfere nee from ambie nt light and oil flames.
The entire system is duplicated within the had with two detectors and two fit beams n ormally arran ged to view either side of the steel stream. It is possible to adjust the spaci ng betwee n the two areas see n by the photocells by cha nging the slot spac ing in the mask.
There are three photo detectors fitted for each cha nn el: the first measures the metal level using the beam described above; the sec ond receives no light and en ables temperature drift compe nsati on; and the third looks through the slot at a small region above the normal metal level and between the main beam and the metal stream. Its purpose is to detect the metal stream if it wan ders from a cen tral positi on and is in dan ger of interfering with the main beam. The balanee between the two main beams
and the threshold level of the stream detectors can be adjusted with small pote ntiometers moun ted in the back of the un it.
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The level signal detected by each channel is fed, after temperature
compensation, to a simple circuit which selects the largest signal. Thus the unit always controls on the higher of the two level signals. If the stream-se nsing photocell sees that the teem ing stream is movi ng towards the detecti on beam it blocks the sig nal and the unit switches to con trol on the other channel. There is an additional feature that if both channels are blocked together, for example by a fan-shaped metal stream, the unit switches to a memory, equivale nt to the fast detected metal level, and preve nts a sudde n loss of con trol. As the memory decays the metal level gradually drops allow ing the operator ample time to in terve ne.
The un it gives a smooth tran siti on from manual to automatic con trol by preventing automatic operation if there would be a large jump in
withdrawal speed at changeover. It does not provide bumpless transfer when cha nging from automatic to manu al. There is also protecti on aga inst cha nging to automatic whe n there is a cable fault.
The control system receives the chose n level sig nal and, followi ng
proporti onal and in tegral acti on, outputs a voltage sig nal directly to the withdrawal drive un it. The drive creates a withdrawal speed proporti onal to this voltage sig nal.
Ben efits of Con ti nu ous Casti ng Sequenceof Operations-prior ingots provided the only starting
to the development of continuous casting, material in wrought-steel products. The
typical sequenee of operations from the steelmaking furnace to the rolling mills was:
(1) Tapp ing liquid steel into in got molds.
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(2) Tran sferri ng ladle to pouri ng platform and teem ing liquid steel into in got molds.
(3) Tran sferri ng filled molds to stripp ing area for in got removal.
(4) Tran sferri ng and chargi ng in gots into soak ing pits and heat ing to rolli ng temperature.
(5) Removal of heated ingots from soaking pits and transfer to primary mill for rolli ng into semi-fi ni shed shapes.
(6) Transferring semi-finished shapes to subsequent rolling mills.
Using con ti nu ous cast ing, the follow ing much shorter seque nee of operati ons is required:
(1) Tapping liquid steel from a steelmaking furnace into a ladle.
(2) Transferring the ladle to a casting platform and continuously casting liquid steel into semifinished shapes.
(3) Transferring the semi-finished shapes to rolling mills.
The ben efits derived from the shorter seque nee of operatio ns provided the main impetus for the adopti on of con ti nu ously casti ng; in creased yield; improved product quality; en ergy sav in gs; less polluti on; and reduced costs.
Yield In creased yield from liquid steel in the ladle to the
semi-finished rolled shape results from a reduction in scrap generation in three areas: the primary rolli ng
mill; the pouri ng operatio n; and in got
heating. The major contribution to the improved yield is the absence of crop losses corresp onding to the in got top and bottom locati on whe n an in got is rolled in the primary mill. Reduct ion in yield losses associated
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with the pouri ng operatio n in eludes \scrap. Scali ng losses associated with in got heati ng in the soaking pit are a Quality Metallurgical quality improvements include less variability in chemical composition and solidification
characteristics.
In additi on to improved segregati on characteristics of carb on, sulfur and alloying elements across the section of a continuously cast shape, there is also less variability
along the length of the cast shape. (In casting
a heat into in gots there are a multitude of in dividual in gots each with their associated vertical
segregation
and structural variability,
whereas a continu ous cast stra nd is not only as one in got but also an in got which has less variability in a vertical
direct ion.)
In moder n con ti nu ous
cast ing, the surface quality of the cast shape is superior to that of a semi-finished rolled shape with respect to surface defects such as seams and scabs, and, consequently, conditioning
requirements and yield losses
are minimized. A majority of continuously cast steels can be further processed without any conditioning.
Thus, an improved, more uniform
finished product can be obtained with fewer internal and surface defects.
En ergy En ergy sav ings are achieved with continu ous cast ing because of the elim in atio n of the en ergy-c onsuming steps in the in got process. These include fuel consumption in soaking pits and the electric power requireme nts for operat ing the primary rolli ng mills. En ergy is also in directly saved through the in creased yield which requires the product ion of less raw steel for a comparable qua ntity of semi-fi ni shed product. !n additi on to these sav in gs, a practice in which hot con ti nu ously cast shapes are charged directly into a heati ng fur nace in the finishing mills is receiving attention. cast product is con served.
Thus the sensible heat of the
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Polluti on Con ti nu ous casti ng reduces polluti on through the elimination of ingot-processing facilities such as soaking pits.
Costs Both capital and operat ing costs are reduced with the
in stallati on of con ti nu ous casti ng in comparis on with in got process ing. Capital assets savings are attributable to the elimination of the
additi onal equipme nt required for in got process ing. Operati ng cost savings are primarily the result of lower manpowerrequirements and higher yields.
Steelmak ing
Steelmaking practices for continuously
cast steels are, with certain
excepti ons, similar to those employed for in got steels whether produced in the electric furn ace or basic oxyge n conv erters. There are two major exceptio ns:
(1) temperature con trol; (2) deoxidati on practice.
Temperature Con trol Temperature con trol is more critical tha n in in got product ion.
The tapp ing temperature is gen erally higher to compe nsate for
heat losses associated with the in creased tran sfer time to a caster and must be maintained within closer limits to avoid mold \high or premature freez ing in the tun dish no zzles, if the temperature is too low. Cast ing temperature can also affect the crystallizatio n structure of the cast product. Optimum structures are developed with low superheats which should be uniform throughout the entire cast. To meet this objective, temperature homogenization practices are employed. One practice widely employed is to stir the metal in the ladle by the in jecti on
of a small qua ntity of argon through porous plugs
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located in the bottom the ladle, or a lance which is lowered into the ladle.
Dcoxidation Continuously cast steel must be fully deoxidized (killed) to prevent the formation of blowholes or pin holes at or close to the surface of the cast product which cause seams in subseque nt rolli ng operati ons. Depe nding on the grade of steel and product applicati ons, either of two practices is employed:
(1) silicon deoxidation with a small addition of aluminum for coarse grain steels;
(2) aluminum deoxidation for fine grained steel. Silicon-killed steels are easier to cast than aluminum killed steels because deposits
of alu mina in the tun dish no zzle, which cause no zzle blockage, are avoided. For high-quality products, it is beco ming a com mon practice to employ a ladle refi ning practice prior to casti ng.
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连铸
连铸的发展
二战之后，连铸发展非常迅速—今天钢铁生产者普遍相信连铸至少和模铸一 样在经济上是合理的，并且能与大部分高质量钢的生产系列相匹配。这项技术不 断开发的目的在于改善钢的性能，这促使生产特殊高级钢时企业对其生产工艺过 程不断进行调整。使用连铸系统的理由有：
(I )和初轧机组(小型车间)相比，降低投资费用；
(2 )和传统的铸锭相比，提高10%勺生产能力；
(3 )在整个铸坯长度上钢的成分较均匀；中心质量比较好，尤其是板坯；高 的内表面质量，比其他需要昂贵的清理表而的工序节省；
⑷高度的自动化； (5) 益于保护环境；
(6) 较好的工作条件设备类型
首台连铸机是立式连铸机，可是，由于横断面的增大，注流长度的增加，而 且主要是随着浇注速度的增加，这种设备迫使厂房建筑高度增加。这些因素也导 致了具有冶金影响的液相长度的大大增加。连铸坯的液相长度由下式决定：
L=D2/4x2Vc
这里，D=W坏厚度(mm)
x=凝固特征系数(mm/min1/2)
对于全部的冷却长度这些值达到 26-33。
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Vc*坯速度（m /分）
为了减少厂房高度，首先研制出将钢水倒人立式结晶器中， 并且在弯曲之前 让钢水完全凝固的连铸系统，或弯曲时铸坯仍处在液相，这种系统随后发展为弧 形结晶器，这是目前最常用的方法。立式连铸机和那些铸坯在完全凝固时被弯曲 的连铸机都有一个长直的液相，这大大增加了成本。
然而从维修的角度看，这些系统有冶金学优点。铸坯内部仍为液相就进行弯 曲的连铸机比完全凝固后再弯曲的立式连铸机更好，
它不需要修建与立式连铸机
弧
一样高的厂房。然而，液相弯曲系统要求更高的初期投资和更大的维护费用。 形连铸机是考虑了投资费用和维护费用的折衷产物，而且可以在冶金上实现。
连铸适合于生产任何横断而的产品：正方形的、长方形的、多边形的、圆形 的、椭圆形断面都可以。也有些基本断面的例子，如管坯、板坯、大型坯、方坯。 断面宽厚比大于1.6的铸坏通常称为板坯。方坯铸机生产正方形或近于方形、圆 形或多边形断面，断面尺寸达到160mn的产品。较大断面或那些宽厚比小于 1.6 的产品用大型坯铸机生产。现在 80 x 80到300 x 300mm的方坯以及50-350mm 厚300-2,500mm宽的板坯都用这种方式生产。
连铸比已经迅速增长，尤其在最近几年。这本质上是铸坯宽度和拉坯速度的增加。 每个注流每分钟生产出的产品已超出了如下数据：
板坯5吨 大型坯1吨 方坯350kg
最后，我们应该提到水平连铸机，它已经应用于有色金属和铸铁的生产， 而 且可以进一步开发用于钢的生产。 R. Thielmann和R. Steffen 针对用水平连铸 机生产非合金钢和合金钢方坯的发展状况提出了一份综合报告。 水平连铸机比传 统连铸机有如下三个显著优势：
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(1) 低的建筑高度和建设费用： (2) 防止钢水二次氧化的方法简单；
(3) 由于钢水静压力非常低，没有铸坏变形。 浇铸技术
钢水由浇注大包注入中间包后流人敞口的水冷铜结晶器。 首先结晶器底部用 一个引锭杆塞住，然后由它将热的铸坯从结晶器拉出进人连续拉辊。 铸坯从结晶 器开始凝固，然后经过冷却系统，到达拉环辊，在拉辊中继续传送。引锭杆在进 入切割装置之前或之后与铸环分离。切割装置可能是火焰切割机或热切割机，其 行进速度与热铸坯相同，它将热铸坯切割成所需长度。
使用中间包的目的是将确定的钢水量分流到一个或多个结晶器。 这可以通过 使用塞棒、滑动水口或其他力法控制的水口来实现。 中间包的初始状态根据其耐 火衬材料的不同可以是冷的、温的或热的。对于要求严格的钢使用浸入盒保护钢 液注流以防止其氧化。结晶器不仅形成铸坯断面而且吸收一定的热量，使铸坯到 达结晶器出口时坯壳有足够的运送强度。 依据所铸铸坯的尺寸和形状，结晶器可 以用铜管或硬质铜合金制成。按惯例，管状结晶器用于较小断面。结晶器的内表 面可以使用铬或钼镀层以减少磨损并且适合于浇铸过程中从合金传热。
锥度是为了与钢的收缩、拉速和钢种匹配。现在使用的结晶器长度约为
结晶器的 400 -
1,200mm但通常在700 - 800mm之间。结晶器壁粘钢问题通常通过按正弦规律振 动结晶器和加入润滑剂(油或连铸保护渣)以消除结晶器与钢水之间的摩擦加以 解决。润滑剂，尤其是连铸保护渣，有一个附加的冶金功能。润滑剂的选择取决 于所要求的质量和连铸条件；尤为重要的是所选择的连铸保护渣必须严格与质量 工艺匹配。
结晶器内钢液面可以人工控制或进行自动控制， 两者中任何一种都可用于保 持液面稳定或满足输人的钢水量，如与拉坯速度的变化相适应。人工控制通过调 整中间包塞棒或流出速率实现。自动控制系统则可以通过放射测位仪或红外线放
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射仪或用安装在结晶器壁的测温探针测温来确定钢液面， 并且通过操作水口塞棒 机构（对于稳定流速）或控制拉辊速度（变化拉速）来补偿任何钢液面的变化。
连铸中使用的引锭杆类型取决于连铸机的类型。 立式连铸机可以使用刚性引 锭杆，而组合式的或灵活式的引锭杆必须用于弧形连铸机。
引锭杆与铸坯可以采
用不同方式连接，一种是用连接部件（平板、螺钉、碎条钢）将钢液与引锭杆焊 接在一起；另一种是在引锭杆头部铸造一个特殊连接头， 它能使引锭杆像打开扣 环那样进行脱锭。
铸坯离开结晶器时的坯壳厚度首先取决于钢液与结品器的接触长度， 它也依 赖于结晶器的具体导热系数和钢水进人结晶器时的过热度。它可以由下面的抛物 线公式进行精确计算：
C=xt
式中：C-坯壳厚度（mm）
x—凝固特性（mm/min1/2）
t-凝固时间（min）
铸坯在结晶器内或附近的凝固特性是 20到26，它取决于操作条件；二冷区 是29到33.离开结晶器时铸坯坯壳厚度约为铸坯厚度的 8-10%,它取决于拉坯速 度。结晶器下面的二冷区加速了铸坯的凝固过程。
通常使用水进行冷却，但有时
也用水和空气的混合物或压缩空气。 为了适应冷却剂的流速，二冷区被分成很多 部分。通过喷嘴将需要的水量喷到整个铸坏上。与铸坯断面和拉速有关的钢水静 压力可能会太高，以至于铸坏不得不被支撑以防止鼓肚。在生产大型坯尤其是板 坯的工厂，这种装置是很昂贵的。
工艺控制
由于生产率和质量的原因，在现代钢铁生产中，有一种转移费时操作的趋势，例 如，将温度调整、脱氧和合金从熔化炉转到钢包处理站进行。这些操作在连铸过
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程中尤为重要，因为在这个过程中要严格控制温度和成分。
连铸过程中进入结晶器的钢水温度控制要比常规铸造中的温度控制更精确。 太高的过热度能导致拉漏或一种柱状结构， 带来较差的内部质量。另一方面太低 的温度会导致水口堵塞造成浇铸困难和产生不洁净钢。板坯连铸中间包温度通常 在液相线以上5到20度，而方坯或大型坯则为5到50C。这种不同取决于钢的 等级，例如，小熔化炉中不锈钢板坯连铸过热度为 45C。
在整个浇铸过程中，为使钢水温度保持在上面所说的范围之内， 在钢包中温 度的均匀性是最重要的。在浇铸以前为了保持钢包内钢液温度的均匀， 需要搅拌， 有时也进行清洗氮气或氩气可以带走热量， 它们由钢包底部的多孔塞喷入或在独 立的清洗站通过一个中空的塞棒喷入。
在真空或清洗处理期间可以进行化学成份控制。 在钢液均匀后，进行取样分 析或用电动势法测量氧活度，在此基础上可以计算切屑的加入量以保证脱氧。 入切屑脱氧剂的最好方式是在搅拌熔池的同时保证高的速率
加
(用惰性气体进行喷
粉、喂线或喷丸)。通过小心除去钢包中的炉渣来减少对合金的需要。真空处理 是实现良好钢包冶金的一种灵活、有效的手段，而低压处理是在浇铸前将氢或碳 脱到很低的惟一方法。
结晶器液面控制
一台连铸机最重要的控制部分是保证铸坯拉出和部分冷却钢坯的生产能保 持结晶器内钢液面的稳定(在几个厘米范围内波动)。这可以通过两种方式来完 成：
(1) 称量中间包，从钢包到中间包的钢液流动速度自动变化以保持整个中间 包重量不变。通过这个方式，从中间包流出的钢液速度是不变的。
(2) 要控制部分冷却钢坯的拉出速度以保持在结晶器中钢的液面大致不变。 在连铸初期，通过操作者观察液面，并相应地调整中间包的塞棒来保持铸机 中钢的上液面不变。现在，通常用测量设备测量并自动地调整液面。 下表中列出
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了几种测量液面的方法。在此对r射线（放射线）和红外法这两种方法作详细描 述.
类型 制造者 Disti ngta n Engin eeri ng(UK) 备注 r射线 应用广泛，可靠 涡流 热敏电阻 红外 电磁线圈 NKK（日本） Un ited States Steel Sert. Da nielli 仅用在USS机器 广泛用在欧洲大陆 Con cast 由这个表可以看出各操作方法的特点。 为避免较强放射性同位素的应用，开 发了红外线设备。这种探测器检测金属液面与结晶器后壁的连接处。
当金属液面
上升到观测范围内时，单个光电元件会收到更多的反射信号， 此时输出增加。检 测中断时可以采取特殊的措施来补偿。 光电元件单元收到红外反射，输出一个电 信号给控制单元，这个控制单元接着与操作者和连铸机相联系。 操作者能够选择 自动或手动控制，并且接收某个信号灯发出的操作指示。 从液面返回的信号穿过 夹缝罩，被圆柱面透镜聚焦到光电检测器。通过过滤除去波长1mm以下的反射光， 以减少环境光和油焰的干扰。
整个系统在冒口有两个探测仪，两个固定的光束检查钢液流股的每一边。 通 过改变夹缝间隔，可以调整光电元件检测到的两个区域的间距。
在每一通道都装有三个光电检测器：第一个用上面描述的光束测定金属液 面；第二个不收到光束而能进行温度漂移补偿； 第三个通过夹缝观察正常钢液面 上方位于主光束与金属流之间的一个小区域。它的作用是当金属流偏离中心位 置，可能会干涉主光束时对其进行探测。 两个主光束与液流界面探测间的平衡能 够通过安装在单元后部的小电位计来调整。
温度补偿以后，每一通道探测到的液面信号被输进一个选择最大信号的简单电
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路。因此这个单元总是控制两个液面信号中较高一个。如果液流传感光电元件发 现液流向检测束移动时，它切断信号，并且元件转向进行控制另一个通道面。还 有另一个特征，如果两个通道都被切断，例如被一个扇形金属流切断，单元转向 记忆单元，相当于快速检查金属液面，防止突然控制失灵。在记忆单元释放时， 液面逐渐下降，使操作者有足够的时间来调整。
如果拉坯速度有一个大的跳跃，通过阻止自动运行，单元将给出一个从人工 控制到自动控制的平滑转换。在从自功到手动的改变时，不提供无振动转换。在 电缆有故障时，也有一个防止变到自动状态的保护。
控制系统收到被选择过的液面水平信号，伴随比例和积分作用，直接给拉坯 驱动单元输出一个电压信号。驱动单元产生与电压信号相对应的拉坯速度。
连铸的益处操作步骤
在连铸发展之前，只有钢锭为热加工成型的钢铁产品提供了初始原料。从炼 钢炉到轧机的典型操作步骤是：
（1） 将钢水浇入钢锭模；
（2） 钢包运到浇铸平台，将钢水注人钢锭模； （3） 将铸后锭模运到脱锭区脱锭； （4） 运送钢锭到均热炉，加热到轧制温度；
（5） 从均热炉取出加热的钢锭，运送到初轧机轧制成半成品形状； （6） 运送半成品钢到轧机。 用连铸，只需如下更短的步骤：
（1）从炼钢炉出钢到钢包；
⑵钢包运到浇注平台，连续把钢水浇成半成品形状。
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(3) 运送半成品钢到轧机
从较短的操作步骤获得的利益是人们采用连铸的主要原因；连铸增加了产 量；提高了产品质量；节约能源；减少污染和降低了成本。
产量从钢包中钢水到轧成半成品形状的产量提高在于三个方面金属废料的 减少：初轧机；浇注；钢锭加热。对产量增加贡献最大的是无需初轧时钢锭切头、 切尾。与浇铸操作有关的产量损失的减少，包括短锭，铸锭残头和一般的废钢的 减少。由钢锭在均热炉中加热引起的氧化皮烧损也被避免了。
质量冶金质量的提高包括在化学成分和凝固特征上变化小。除了在铸坯横 切面上，改善碳、硫和合金元素偏析特性以外，沿着铸坯长度方向也没有什么变 化(当将一炉钢水进行模铸时，每一支钢锭都有垂直偏析和组织变化， 而连铸坯 不仅是一块钢锭而且垂直方向上没有什么变化)
。在现代连铸过程中，铸坯表面
的质量要高于轧制半成品质量，轧制半成品的表面有例如结疤和疤痕等表面缺 陷，因此，对铸锭的精整和产量的损失均降到最低程度。
大多数连铸钢坯均无需
经过任何修整就可进一步加工。因此能得到有较少的内部和表面缺陷、性能得到 改善、更均匀的最终产品。
能量 连铸能够节约能量，因为连铸过程减少了在模铸过程中的能量消耗。 这些包括在均热炉中的燃料消耗和初轧机的电能消耗。
能量也可以通过产量增加
除此之外，人
来间接节省，因为它能减少用于生产大量半成品的原料钢的消耗。
们正在关注将热的连铸坯直接热送到精轧机加热炉的实践， 因此连铸坏的显热被 节约了。
污染连铸过程通过省略模铸工艺设备如均热炉减少了污染。
成本连铸的资金和运行成本与模铸工艺相比均减少了。资金节约归功于省 掉了模铸工艺所需要的设备。运行成本节约主要是较少的劳动力投人和较高的产 量。
炼钢
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连铸的炼钢操作与用电炉或碱性氧气转炉生产钢锭的炼钢操作相似， 仅有某 些不同，主要有两个：
(1) 温度控制； (2) 脱氧实践。
温度控制 温度控制比模铸生产更关键。出钢温度通常更高，以补偿因运送 到铸机的时间增加引起的热量损失，出钢温度要维持在一个较小的范围内，以避 免温度太高时拉漏和温度太低时中间包水口过早凝固。
浇铸温度也能影响铸坯的
晶体结构。在整个浇注过程中采用均一且低的过热度可获得铸坯最佳晶体结构。 为了达到此目的，必须进行使钢液温度均匀的操作。 广泛使用的一种方法是利用 钢包底部的多孔塞吹入少量氩气或将喷枪插人钢包液面下吹氩搅拌钢液。 脱氧连铸钢必须完全脱氧(镇静)以防止在铸坯表面或接近表面的皮下形成气 泡或气孔，气泡和气孔会导致随后轧制过程中产生裂纹。根据钢的等级和用途， 采用如下两种方法脱氧：
(1)对于粗晶粒钢加人少量铝，用硅进行脱氧；
⑵ 对于细晶粒钢进行铝脱氧。硅镇静钢比铝镇静钢更容易浇铸，因为避免
了氧化铝沉淀带来的中间包水口堵塞问题。为了生产高质量的产品，在连铸之前， 进行钢包精炼正成为一种很普遍的操作。
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[工学]x62w铣床电气线路改造和英文翻译1
