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熔煉澆注是鑄造過程最重要的生產工序之一，它實現了鑄造原材料的升華，使材料工藝轉變?yōu)楫a品，是最富有價值的生產活動。熔煉生產工序包括配料稱料、熔煉出鐵、澆注鐵液處理三個主要工序。

熔煉過程的參數主要包括重量、溫度、速度、成分，這些直接決定了產品質量。熔煉參數主要依靠手工計算與填寫，據統計，熔煉質量損失高居生產班組第一位，主要質量問題包括：鐵液重量誤差、批量冷隔缺陷溫度超差、材質成分不合格等。

經分析，產生上述質量問題的因素有：（1）過程數據的計算、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，實際操作過程中很容易出現計算錯誤、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，關鍵工序參數無驗證，常出現超出執(zhí)行標準范圍的情況；（3）熔煉生產過程連續(xù)性、計劃性、追溯性不強，信息傳遞不及時。

筆者公司開發(fā)的熔煉生產信息系統串聯了熔煉工序的數據，通過系統監(jiān)測，可判斷數據的準確性，并對數據進行有效傳遞和使用。

1.1 料單規(guī)則

鑄鐵的發(fā)展史主要是以提高其強度作為驅動力的，隨著人類社會的發(fā)展，依然如此。熔煉料單是決定鑄件材質與強度的配方，決定了鑄鐵的具體牌號和合金比例，是指導熔煉生產的重要作業(yè)文件。

我國是鑄件特別是鑄鐵件的生產大國。筆者公司鑄件產品材質主要包括灰鑄鐵、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，熔煉生產班組根據生產計劃，自行放大比例。

為提高料單轉化的精確度，統一BOM料單的操作（見圖1），在系統內開發(fā)了BOM清單功能，同時優(yōu)化了料單的格式和內容，規(guī)定了10余種物料的計算規(guī)則，數據保留至小數點后兩位。BOM料單生產后，可以根據材質進行命名保存，在熔煉生產過程中進行選用。

圖1 信息系統BOM料單示例截圖

1.2 熔煉生產計劃

熔煉生產計劃不同于生產計劃，需要對生產計劃進行轉化。具體來說，就是熔煉生產計劃要計算出每種材質對鐵液的需求，再轉化成開爐數量。

為了降低開爐成本和提高熔化效率，根據產品的數量和材質，以開滿爐為基本要求，實現鐵液利用率的穩(wěn)步提升。在熔化工位設置工控，工位操作人員下發(fā)電子計劃時可確認以下信息：

（1）產品澆注噸位。根據產品信息和澆注數量，系統能計算出鐵液重量，操作人員僅需判斷爐內是否可以熔煉其重量，這就實現了鐵液利用率的最大化。

（2）選用合金。一鍵選擇BOM料單，關聯到稱料工位，系統根據料單計算得出生鐵、回爐料、廢鋼等合金的重量，操作人員根據系統重量稱料、加料。

（3）熔煉參數控制。系統生成該產品熔煉技術要求，關聯到后道工序，對關鍵數據實行區(qū)間監(jiān)測，一旦數據超出公差范圍，系統會做出警示，提醒操作人員對物料進行調整，并記錄。

為增強熔煉生產計劃對整個熔煉生產過程的指導性，優(yōu)化了熔煉生產作業(yè)流程，將合金配料稱重調整到第二工序，并識別和明確了各個工序的作業(yè)參數（見圖2）。

圖2 熔煉生產工藝全流程參數管控追溯規(guī)劃

鑄造生產過程中，鐵液的液態(tài)結構與所使用的爐料及鐵液溫度有直接關系。在相同碳當量的前提下，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，熔煉參數的偏差會使鐵液材質發(fā)生變化，直觀表現為鑄件報廢。因此，熔煉生產過程重點對重量、成分及溫度、速度進行了精細化管控。

2.1合金稱重

在熔煉生產計劃下發(fā)后，配料工位根據生產信息，按照順序進行配料稱重，再加入到爐內。

熔化效率這項指標，在實際生產過程中，根據鑄件的重量，熔爐的出鐵量應便于調節(jié)，即具有一定的“柔性”，這似乎與熔化效率有一定的矛盾，但生產上有時又必須充分予以考慮，依靠手工計算顯然存在不足。

熔爐內的爐料主要包括生鐵、廢鋼、回爐料、電解銅等10余種，根據鑄件材質類型和質量要求，部分合金加入重量要求精確到小數點后兩位。系統根據BOM料單和熔煉計劃，會自動生成各類合金所需要的重量。此外，系統能夠讀取加入合金的重量，包括生產過程的微調記錄，追溯性得到進一步提升。同時還消除了操作人員繁瑣的計算和失誤（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，這時的出爐溫度和澆注溫度是控制的關鍵點。溫度過高容易導致鑄件出現縮松、粘砂等缺陷，溫度過低容易導致鑄件出現冷隔、氣孔等缺陷。因此，鐵液溫度能夠直觀地決定鑄件質量。

（1）在熔煉技術中根據產品的材質和結構特點，對鐵液溫度有比較明確的區(qū)間要求(例：澆注溫度1 390～1 410 ℃)，但在實際操作過程中，溫度的控制難度比較大，很容易出現實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，準確性不高，從而導致質量問題追溯性和改進依據不足。

產品參數維護進入系統后，系統會提醒出爐操作人員溫度數據標準，只有符合區(qū)間值才能進行下一步操作。同時系統還會記錄異常數據，例如該爐鐵液溫度調整了幾次，便于后期的質量追溯和分析，有利于增強操作人員的責任心和追溯產品的質量。

（2）澆注速度是影響澆注質量的最后一個環(huán)節(jié)。鑄鐵件產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，鑄件質量高。澆注時間過長，容易使整包鐵液的溫度下降，導致鑄件凝固出現冷隔缺陷。

實際生產過程中，澆注時間根據鑄件鐵液的需求量確定：中大型鑄件要求快澆，因為澆注系統橫截面大，有足夠的鐵液流通區(qū)域；小型鑄件，則需要慢一點，否則流速過大會導致壓力大，容易出現抬箱，鐵液從分型面縫隙中噴射出來，導致泄露。在澆注時，操作人員在工控傳遞澆注開始和澆注結束兩個信號，系統將同步記錄該產品的澆注時間（見圖4）。

圖4 澆注節(jié)拍

為有效管理熔煉生產過程的各種參數，確保鐵液質量，在車間設置了生產數據中心顯示屏，主要內容包括生產計劃完成情況、生產過程數據、異常數據、環(huán)境溫濕度等。其中，生產過程數據包括了生產批號和鐵液的重量、溫度、成分等信息（圖5）。

圖5 生產數據中心

通過各個工位的工控，實現數據的讀取與聯網記錄，不僅可以真實地記錄過程參數，幫助操作者提高工藝紀律執(zhí)行效率和技能操作水平，還可以將生產參數展示出來，及時發(fā)現參數異常并加以解決。

根據熔煉過程的參數管理要求與工位設計，確定了熔煉生產5個工位的硬件功能，對稱重、測溫、氣溫、濕度、速度等設備進行了聯網改造。

根據生產現場規(guī)定了工位的作業(yè)半徑、網口接入、電源、運行環(huán)境和其他硬件，根據預期過程參數實現系統讀取、對參數進行區(qū)間監(jiān)測等效果。設備功能詳細清單如圖6所示。

圖6 設備功能清單

本項目操作界面根據工位做內容設計，操作人員經過培訓后很容易上手，操作流程簡單，硬件均采用工業(yè)級觸摸操作，并且為延長硬件的使用壽命，還做了防水與防塵處理。

目前熔煉生產過程參數基本得到優(yōu)先管理，從前端的數據維護導入到后端應用，已經貫通。同時解決了鐵液爐前光譜顯示的問題，便于操作人員根據光譜數據對鐵液進行調整。

后期將以此項目為載體，設計常州朗銳鑄造有限公司樹脂砂車間的生產數據管理中心，集成生產信息、物料信息、工裝模具信息和質量信息為一體的數據中心，達到信息及時傳遞、問題及時暴露、改進及時響應的目的（圖7）。

圖7 生產數據集成

通過設計熔煉生產參數管理系統，實現了在線下達生產計劃，對合金稱料、鐵液測溫、出鐵、澆注等工序進行數據采集和聯網，同時設有數據監(jiān)測和判斷功能，實現了熔煉生產全過程數據的信息化、可視化，達到熔煉數據準確，熔煉質量趨于穩(wěn)定的目的。