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专题解读

工业机器人在钢铁行业的应用研究

  随着德国的“工业4.0”、美国的“先进制造业国家战略计划”、日本的“科技工业联盟”以及中国的“中国制造2025”这些国家级战略的相继提出和不断深化,全球制造业正在向着自动化、数字化、网络化和智能化及绿色化方向发展。作为先进制造业典型代表的工业机器人产业正呈现爆炸式增长的态势。

  工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能、控制技术等多种学科的先进技术于一体的具有自动定位控制、可重复编程的、多功能的、多自由度的复杂智能机器。自20世纪60年代初以来,历经几十年的发展,工业机器人得到了广泛的应用,其优势主要体现在工作效率高、稳定可靠性好、重复精度好、能在高危环境下作业等方面。对于劳动力成本逐年上升的钢铁行业,使用机器人替代人工劳动是钢铁行业发展的大趋势和未来方向。

  一、 钢铁行业问题分析及发展趋势

  (一)钢铁行业问题

  近年来,我国钢铁行业数字化网络化水平显著提升,但钢铁生产过程中资源消耗、能耗依然过大,工艺技术与装备缺乏自主创新,环保节能技术水平应用推广不够,对资源、能源、环境形成较大压力。

  钢铁产品结构失衡,低端产能过剩、高端供给不足,部分经济建设、国防安全急需高性能钢材暂不能全面生产。钢铁行业急需提高生产高端产品的能力。

  钢铁生产过程与产品质量控制能力不足,生产效率急需提升,自动化、智能化水平还不够,生产过程存在大量人工干预,导致产品质量不稳定,生产效率相对较低。

  (二)行业发展趋势

  根据当前钢铁行业的问题,未来几年钢铁行业的发展包含以下几个方面:一是产业结构继续优化,产品质量不断提升;二是钢铁行业工业化、信息化深度融合,尤其是物联传感技术、人工智能技术及深度学习算法等应用将更加广泛;三是生产操控更加智能,尤其是对于工作环境恶劣、劳动强度大、危险系数高的工作岗位基本实现无人化。

  不难看出,作为流程性制造企业的钢铁行业,随着智能化应用逐步普及,借助智能化手段实现全行业资源配置整体优化,提高效率与质量,已经成为公认的发展趋势。

  三、机器人在钢铁行业的应用

  (一)机器人组成

  机器人主要由安装架、机器人定位系统、伺服驱动系统、机器抓手、控制系统、安全防护装置等组成。

  1、机器人安装架

  安装架用于支撑机器人,保证机器人快速寻位运动时的稳定。安装架需要有很好的刚性。因而我们以焊接钢架结构作为支撑架。

  2、机器人定位系统

  机器人定位系统是整台设备的核心,包含视觉定位、无线网络、射频识别等相关知识。定位问题也可以描述为确定机器人局部坐标系统在全局坐标系中对应关系的过程,即确定机器人的位姿。

  3、伺服驱动系统

  机器人每个运动轴配有一台伺服电机及一台减速机。机器人电动伺服驱动系统是利用各种电动机产生的力矩和力,直接或间接地驱动机器人本体以获得机器人的各种运动的执行机构。

  4、机器抓手

  有夹持动作的机器人通常配备机械手。机械手压力可调,配备压力缓冲阀,保证夹持动作平稳。抓手上装有感应机构,能够自动感知物体,并通知控制中心进行物体抓放。

  5、控制系统

  控制系统由大型PLC、触摸屏组成。系统拥有强大的Profibus通讯功能。能够将数据实时传输给以太网,能够将控制指令以总线的方式发送给伺服系统,使运动流畅。系统通常可预置多种工件程序,更换品种时可在触摸屏上调用相应程序。

  6、安全防护装置

  机器人需要具有故障提示及报警功能,出现故障时需要准确反映出故障具体位置,便于迅速排除故障。

  (二)机器人应用的必要性

  在钢铁行业,工业机器人替代人工作业主要具有以下优势:

  1、替代劳动强度大岗位。对于重复性强、劳动强度大的作业,机器人作业可以大大减轻劳动者强度,避免重复劳动造成伤害。比如行车,扒渣、搬运等岗位。

  2、替代危险系数高岗位。对于钢铁行业一些存在有毒有害气体和高温恶劣环境的作业,用机器人代替人工作业,能保护劳动者不受恶劣环境伤害,同时提高作业标准和劳动效率。如测温取样、焊接、喷涂等岗位。

  3、替代工作环境恶劣岗位。对于钢铁行业一些粉尘多、恶劣环境的作业,用机器人代替人工作业,如原燃辅料料厂的混匀、堆取料,车间清扫等岗位,可以保护劳动者不受恶劣环境伤害,同时提高作业标准和劳动效率。

  4、对于质量检测、温度测量、样品检测等标准作业,机器人作业可以避免人为失误造成误判、错判、测量不准确等,利于实现标准化作业。

  5、通过工业机器人实现传统工艺的数字化、信息化,借助机器人的通信能力,实现数据流“不落地”,极大地提高产线信息传递及时性、准确性。

  (三)机器人在钢铁行业应用示例

  目前,钢铁行业应用机器人的环节主要集中于以下几个方面:

 

序号

工序

名称

描述

1

原料厂

皮带巡检机器人

实现传送带自动巡检,减少巡检岗位。

2

焦化

测温机器人

实现全自动焦炉火道测温,并将测量结果与控制系统互联互通,实现节能降耗。提高了焦炉生产效率,减少岗位设置。

 

3

化验室区域

 

原燃料自动取样机器人

实现原燃料自动取样,配合风动送样系统,实现原燃料无人取样。

理化检验全自动分析中心

配合风动送样系统、自动分析仪器,实现样盒自动拿取、开盖,样品传送、制备、表面识别、分析、归档。

 

4

炼钢区域

 

精炼自动测温取样机器人

实现精炼环节钢水液面高度、温度测量,定点、定深取样。

炼钢全自动检验中心

配合风动送样系统、自动分析仪器,实现样盒自动拿取、开盖,样品传送、制备、表面识别、分析、归档。

5

连铸区域

自动加渣机器人

实现结晶器自动加渣。

测温取样机器人

实现连铸机测温取样。

钢包受包侧机器人

钢包SN液压罐拆装、钢包长水口拆装。

6

热轧区域

钢包受包侧机器人

钢包SN液压罐拆装、钢包长水口拆装。

7

冷轧区域

 

自动拆捆带机器人

 

自动识别带头方向、捆带数量、自动起带、剪切、捆带收集。

钢卷内圈点焊机器人

自动寻找带头位置,将塌芯压实、点焊,利于无人天车作业及下工序开卷作业。

自动贴标机器人

 

在钢卷内、外圈表面粘贴标签,配合天车夹钳扫描系统,实现钢卷信息自动核对。

钢卷套筒自动搬运机器人

实现来料套筒自动分类码放,按生产计划自动匹配、运输、上料。

连退自动取样机器人

实现样板自动分捡、码放,激光打码,废板自动收集。

钢卷边部质量检测机器人

通过对钢卷侧面成像,利用图像分析技术,实现钢卷边部质量判定。

硅钢性能化验室全自动制样机器人

通过多台机器人、激光制样机、激光打码协作,实现硅钢样品自动搬运、加工、打码、分类。

锌锅捞渣机器人

 

将锌渣从锌锅自动捞出,取代传统人工作业,杜绝现场高温有毒有害区域对人体产生伤害。

8

库区

无人行车

实现行车精准定位、自动优化路径、降低行车工劳动强度、提高效率。

 

  (四)机器人投入效益估算

  机器人的投入使用会为钢铁企业带来经济和社会两个方面的效益。以镀锌线锌渣打捞机器人为例进行效益估算。

  目前国内自主产权的改造型锌渣打捞机器人为关节型机器人,主体部分一般采用能够稳定控制动作精度的高端六轴六度关节,并配套安全防护、锌渣检测等功能,成本在150万元~200万元,投入后预期能够实现的经济效益可从以下几个方面进行测算(测算基于河钢数据):

  1、 减少锌锭消耗量

  在自动化锌渣打捞的基础上,通过减少控渣来源:竞彩足球计算器 时间与保持最佳捞渣频次等手段,减少锌渣打捞量。捞锌渣机器人每天实现锌渣打捞量减少100kg以上,即实现镀锌生产线锌锭消耗减少36t/年。按照锌锭单价1.5万元/t计算,可以通过降低生产成本实现的预期经济效益=1.5万元/t×36t/年=54万元/年。

  2、降低人工成本

  在自动化锌渣打捞的基础上,可以通过工业机器人替代人工2名,按照每名工人工资8万元/年,即可降低工人的工资性成本8×2=16万元/年。

  3、减少质量异议

  在自动化锌渣打捞的基础上,减少人工捞渣对锌池液面的影响。同时,进一步研究锌渣厚度与镀锌板表面质量的关系,降低由于锌渣缺陷导致的镀锌板质量异议。按照月减少质量异议1起以上,由此可以产生的预期经济效益为4万元/月,即48万元/年。

  4、增加设备维护保养费用

  采用捞锌渣机器人,需要每年进行的维护和保养费用约计为2万元/年。同时,工业机器人需要的日常用电和公辅消耗,费用约计为1万元/年,即使用机器人增加的成本为3万元/年。

  经过上述计算,镀锌线锌渣打捞机器人应用的预期的综合经济效益能够达到每年100万元以上。

  社会效益方面,工业机器人的应用可以提升装备水平,减轻工人劳动危险性和劳动强度,节约锌锭资源等。

  四、结论

  工业机器人的应用不仅可以提高生产效率,降低生产成本,提高控制精度及操作的稳定性,而且可以将工作人员从环境恶劣、劳动强度大、危险系数高的工作中解脱出来,使工人将精力投入到更高附加值的产品和服务中。随着信息一代信息技术及人工智能的发展,会有越来越多的机器人身影出现在钢铁企业生产过程中。工业机器人也将为钢铁行业带来更多的效益。