供稿|蘇亞紅，劉航，朱曉波 / SU Ya-hong, LIU Hang, ZHU Xiao-bo

全球工業(yè)已進(jìn)入“4.0”時代(應(yīng)用數(shù)據(jù)改進(jìn)生產(chǎn)的人工智能時代)，鋼鐵企業(yè)對工業(yè)機器人的需求也與日俱增，據(jù)統(tǒng)計全球冶金行業(yè)的機器人銷售量位居第三，2011—2016年年均增長率為15%[1]。我國是世界上最大的機器人消費國，2016年全球機器人銷量為29萬臺，2017年1—11月我國工業(yè)機器人產(chǎn)量達(dá)11.8萬臺。為了推動工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國出臺了工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、發(fā)展高端制造裝備、智能制造裝備等一系列有利于機器人發(fā)展的政策規(guī)劃。2013年12月，工信部發(fā)布了“關(guān)于推進(jìn)工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見”，要求到2020年工業(yè)機器人行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和國際競爭能力明顯增強，高端產(chǎn)品市場占有率提高到45%以上，機器人密度(每萬名員工使用機器人臺數(shù))達(dá)到100以上，基本滿足國防建設(shè)、國民經(jīng)濟和社會發(fā)展需要。

目前，我國鋼鐵行業(yè)工業(yè)機器人應(yīng)用還處于起步階段，除寶鋼股份直屬廠部相對領(lǐng)先，其次為南鋼(20臺)和沙鋼(27臺)，其他企業(yè)雖有涉及，但都不超過10臺，也沒有形成批量化、系統(tǒng)化應(yīng)用。據(jù)調(diào)研，寶鋼股份直屬廠部每萬名工人機器人使用量約為135.5臺，而全國鋼鐵行業(yè)平均每萬名工人機器人使用量僅為4臺以下。我國鋼鐵企業(yè)工業(yè)機器人應(yīng)用呈現(xiàn)為不平衡、不充分發(fā)展的格局。

國外鋼鐵企業(yè)機器人應(yīng)用的影響

降低生產(chǎn)成本

為了優(yōu)化原材料消耗以降低冶煉成本，確保成品質(zhì)量，應(yīng)用工業(yè)機器人對原材料使用量進(jìn)行選擇可以降低冶煉成本。例如，年產(chǎn)粗鋼1200萬t的俄羅斯馬格尼托哥爾斯克鋼鐵公司通過使用智能計算機器人對鐵合金使用量進(jìn)行優(yōu)化，使鐵合金消耗量平均下降5%，相當(dāng)于每年節(jié)約430萬美元[2]。

提高準(zhǔn)確率和精度

韓國浦項鋼鐵公司光陽廠3號連續(xù)鍍鋅生產(chǎn)線通過應(yīng)用工業(yè)機器人控制涂層厚度，使得涂層重量偏差精度提高了93%，從人工控制涂層重量偏差7 g/m2提高到人工智能系統(tǒng)控制下的0.5 g/m2。

節(jié)約人員成本

據(jù)世界鋼動態(tài)公司稱，隨著鋼鐵行業(yè)的整合和生產(chǎn)改進(jìn)，從1972年到2012年全球鋼鐵產(chǎn)業(yè)就業(yè)水平已經(jīng)下降約50%，而如果利用人工智能的話，鋼鐵產(chǎn)業(yè)就業(yè)人數(shù)將從直接從業(yè)200萬人和間接從業(yè)400萬人進(jìn)一步減少[2]。例如，奧地利奧鋼聯(lián)集團2017年宣布在其多納維茨鋼廠符合工業(yè)4.0原則的未來項目中投資1億歐元，用于2019年將投產(chǎn)的年產(chǎn)能95萬t的高度自動化、全數(shù)字連鑄生產(chǎn)線，以及致力于開發(fā)更輕、更強鋼種的研究中心。該項新技術(shù)意味著奧鋼聯(lián)將僅需要14名員工每年就能生產(chǎn)50萬t某種類型的線材。

提高生產(chǎn)質(zhì)量

鋼鐵生產(chǎn)過程中在一些關(guān)鍵崗位使用工業(yè)機器人可以提高精度、降低錯誤率。早在2006年康力斯公司就開發(fā)使用了標(biāo)記機器人，不僅工作可靠、精確度高、標(biāo)記簡潔而且速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于人工標(biāo)記。2008年，達(dá)涅利自動化公司也開發(fā)了用于連鑄結(jié)晶器保護渣管理的工業(yè)機器人，可以完成自動加渣，一方面可以減少在危險區(qū)域配備操作人員數(shù)量，另一方面可以接近難以靠近的區(qū)域，使保護渣加入更加均勻，從而確保澆注過程中保護渣潤滑效果，改善了產(chǎn)品質(zhì)量。該機器人安裝在了意大利ABS鋼廠“Luna”連鑄機上，應(yīng)用效果很好。

提高安全性

鋼鐵生產(chǎn)工序長，生產(chǎn)環(huán)境多為高溫、多塵、重載，工況條件惡劣，因此在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下還要確保員工的身體健康和人身安全。一些存在危險性的崗位可以用機器人來替代，機器人可處理重復(fù)性和勞動密集型工作。機器人的投入和使用不僅改善了人員操作環(huán)境，提高了安全性，而且還可以提高工作效率。

早在2008年，浦項鋼鐵公司就在光陽廠新2流板坯連鑄機上應(yīng)用了第一套LiquiRob機器人系統(tǒng)，可以執(zhí)行連鑄過程中的所有任務(wù)，可以自動取樣、檢測中間包鋼水溫度以及自動配置結(jié)晶器保護渣、除渣等，甚至還可以進(jìn)行改造以及執(zhí)行其他功能，如鋼包長水口處理和鋼包氧槍處理。采用該機器人系統(tǒng)后，操作人員不必在危險的連鑄工作區(qū)操作，由此大幅度改善了安全工作條件。

2014年西門子冶金技術(shù)部為安賽樂米塔爾Gent公司提供一臺連鑄平臺工業(yè)機器人。該機器人被安裝在二號板坯連鑄機上，可以自動執(zhí)行許多具有潛在危險性的任務(wù)，包括中間包取樣、測溫和測氫以及鋼包滑動水口燒氧操作等。

2015年普銳特為奧鋼聯(lián)林茨鋼廠3座轉(zhuǎn)爐的探頭操作和檢測工作開發(fā)了機器人操作系統(tǒng)，避免了操作人員從事危險區(qū)域的工作，而且提高了副槍作業(yè)率和操作安全性。

達(dá)涅利自動化開發(fā)了用于電爐取樣全自動控制的擬人化機器人(Q-Robot MELT)，以減少在電爐附近的工作人員數(shù)量。該機器人可以完成電爐鋼水測溫、取樣，以便進(jìn)行鋼水化學(xué)成分分析、氧碳含量檢測等。另外達(dá)涅利自動化還開發(fā)了用于撇去鋅鍋鋅渣的機器人(Q-Robot ZINC)。該機器人可以不間斷地去除鋅渣，而且能夠自動適應(yīng)鍍鋅工藝參數(shù)的變化。通過機器人準(zhǔn)確地去除鋅渣，不僅可以降低鋅量消耗(因人工操作會導(dǎo)致撇渣時帶走更多的鋅液)，縮短設(shè)備投資回收期(回收期不到半年)，而且可以提高鍍層質(zhì)量。有效改善了該區(qū)域的生產(chǎn)操作安全性，減少了工作人員體力勞動，增加了鋅收得率。機器人可以根據(jù)實際工藝條件自動調(diào)整清潔動作頻率，目前該類型機器人在意大利阿維迪公司也得到了很好的應(yīng)用[3]。

提高生產(chǎn)效率

應(yīng)用工業(yè)機器人可以提高生產(chǎn)效率。例如，2014年底由達(dá)涅利自動化開發(fā)的應(yīng)用于意大利ABS鋼廠的自動去除棒材毛刺機器人大大提高了生產(chǎn)效率，去除鋼坯毛刺效率高達(dá)90 t/h，即每18 s處理一根鋼坯，且保持24 h不間斷運行。該機器人還具有雙去毛刺刀具的自動更換裝置，當(dāng)一個刀具磨損后，處于空閑狀態(tài)的備用刀具會自動替換。因為在軋制產(chǎn)品(如扁坯、大型棒材以及方坯)切割邊緣處，氣割和鋸切會使鋼坯產(chǎn)生嚴(yán)重的毛刺，這些硬毛刺如果不加以處理則會損壞超聲波無損檢測控制設(shè)備的橡膠保護蓋，而且角部毛刺還會導(dǎo)致軋制產(chǎn)品的表面缺陷。通過利用3D立體影像和機器學(xué)習(xí)技術(shù)準(zhǔn)確定位圓棒六自由度輪廓，可以去除大量不同的、任意定位形狀(圓形、方形等)的毛刺，而通過人工拋光去除毛刺是不可能的，因為人工操作不可能與現(xiàn)代生產(chǎn)線的高效率保持一致[4]。

我國鋼鐵行業(yè)機器人應(yīng)用存在的問題

鋼鐵企業(yè)的個性化需求

鋼鐵生產(chǎn)雖然是流程行業(yè)，但不屬于標(biāo)準(zhǔn)化的流程行業(yè)，裝備、技術(shù)、廠房、操作標(biāo)準(zhǔn)等方面的個性化程度較高。這就意味著鋼鐵行業(yè)工業(yè)機器人的應(yīng)用需要解決復(fù)雜環(huán)境條件的制約，并滿足各種個性化的需求。

企業(yè)信息化基礎(chǔ)參差不齊

我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展環(huán)境和背景各不相同，導(dǎo)致鋼鐵企業(yè)之間的發(fā)展水平差距很大，企業(yè)處于不同的發(fā)展階段。例如，我國擁有像寶鋼這樣的堪稱全球最先進(jìn)的鋼鐵企業(yè)，但同時也存在大量相對落后的鋼鐵企業(yè)，其生產(chǎn)裝備、現(xiàn)場管理、信息化水平、節(jié)能環(huán)保等方面都存在較多欠缺，還未達(dá)到推進(jìn)智能制造的發(fā)展階段。尤其是在信息化方面，多數(shù)鋼鐵企業(yè)不具備應(yīng)用工業(yè)機器人的基礎(chǔ)。

鋼鐵企業(yè)資金緊張

我國較多鋼鐵企業(yè)連年虧損，企業(yè)資金鏈緊張。情況稍好些的鋼鐵企業(yè)也僅能維持生產(chǎn)運營，將資金投入到信息化建設(shè)和工業(yè)機器人應(yīng)用集成領(lǐng)域存在較大困難。

用工與效率的矛盾

在我國鋼鐵產(chǎn)量和需求處于峰值區(qū)的背景下，考慮鋼鐵企業(yè)勞動生產(chǎn)率不斷提升以及去產(chǎn)能工作的深入開展，我國鋼鐵行業(yè)整體面臨用工需求逐漸減少，行業(yè)職工總量存在整體過剩的局面。但與此同時，很多鋼鐵企業(yè)還面臨在高技能、工作環(huán)境惡劣、重體力勞動等崗位招工困難的情況。工業(yè)機器人的應(yīng)用必然會替代大量的工作崗位，這一方面意味著鋼鐵行業(yè)擁有巨大的工業(yè)機器人應(yīng)用空間，另一方面這個替代的進(jìn)程也會在一定程度上影響社會就業(yè)，從而影響社會穩(wěn)定。鋼鐵行業(yè)與汽車、電氣等制造業(yè)相比，其制造過程往往存在高溫氣體、高溫液態(tài)金屬、粉塵、腐蝕性液體等極端條件，工作環(huán)境較為惡劣。在這種惡劣的工作環(huán)境中，一方面存在用工業(yè)機器人替代人工減少安全隱患的需求，另一方面也對工業(yè)機器人的防護提出了更高的要求。

信息化高端人才短缺

鋼鐵企業(yè)信息化人才隊伍主要是由自動化和裝備等科室的相關(guān)人員或冶煉、軋制等相關(guān)專業(yè)人才轉(zhuǎn)崗而來，雖然近幾年補充了一些專業(yè)的信息化人才，但整體而言，信息化人才短缺、隊伍整體水平不高、缺乏理論知識和創(chuàng)新能力等問題始終是鋼鐵企業(yè)發(fā)展智能制造的重要制約因素。且這一問題正在隨著行業(yè)虧損、員工待遇下降等問題而更加明顯地顯現(xiàn)出來。

機器人開發(fā)與應(yīng)用，面臨專業(yè)門檻高、個性化定制難、應(yīng)用批量小等特點，這些都會加大工業(yè)機器人制造、集成企業(yè)進(jìn)入這一產(chǎn)業(yè)鏈的難度。

我國鋼鐵行業(yè)機器人應(yīng)用預(yù)測

目前鋼鐵行業(yè)對工業(yè)機器人應(yīng)用是高精度低容錯的崗位工作以及提高生產(chǎn)效率的要求。正在形成的剛性需求是招工困難或使用人工性價比較低的崗位，未來有可能轉(zhuǎn)化為剛性需求的主要是單純出于安全考慮的崗位。從需求的剛性來講，在降低成本的基礎(chǔ)上，質(zhì)量效益偏好＞減員偏好＞安全偏好。

第一個應(yīng)用場景是處于行業(yè)領(lǐng)先水平的鋼鐵企業(yè)對機器人的需求，其出發(fā)點是希望通過機器人提高生產(chǎn)效率和操作精度，從而提高企業(yè)經(jīng)濟效益。這種需求是剛性需求，而且可以帶來立竿見影的效果，但我國類似的企業(yè)數(shù)量相對較少。

第二個應(yīng)用場景是通過機器人取代招工困難的工作崗位，主要集中在重體力勞動、工作環(huán)境存在安全風(fēng)險的崗位。由于招不到人，這種需求也是剛性需求，而且會隨著招工越來越困難，而變得更加急迫。這一需求不會因為鋼鐵企業(yè)規(guī)模和效益的差別而體現(xiàn)出較大的差別，我國類似的企業(yè)數(shù)量相對較多。

通過對我國鋼鐵企業(yè)調(diào)研分析，一個年產(chǎn)量800萬t以深加工鋼材為主要產(chǎn)品的全流程鋼廠，包括焦化、燒結(jié)、煉鐵、煉鋼、熱軋、冷軋等工序，其機器人應(yīng)用需求量約為348臺。按照全國8億t粗鋼產(chǎn)量、人均產(chǎn)鋼量約500 t/a進(jìn)行估算，鋼鐵行業(yè)總的機器人使用量有望達(dá)到8000～10000臺。

綜合來看，我國鋼鐵行業(yè)對機器人的需求已經(jīng)開始增長，但還遠(yuǎn)未達(dá)到高峰期。預(yù)計鋼鐵行業(yè)的機器人應(yīng)用會在最近3～5年逐步釋放。與此同時，多數(shù)機器人的使用壽命在5～8年，因此，鋼鐵行業(yè)的機器人應(yīng)用在5年后將持續(xù)處于高峰期，并形成穩(wěn)定的需求規(guī)模。

隨著我國鋼鐵工業(yè)對工業(yè)機器人的需求與日劇增，對機器人用鋼質(zhì)量提出新的要求和新的商機。例如，隨著工業(yè)機器人的發(fā)展和數(shù)量的增加，機器人用電機所需的電工鋼將呈上升趨勢。據(jù)預(yù)測未來機器人對電工鋼的新需求將超過10萬t以上[5]。

結(jié)束語

攝影 楊 棟

全球工業(yè)已進(jìn)入“4.0”時代，但我國鋼鐵企業(yè)工業(yè)機器人應(yīng)用還處于起步階段，而且呈現(xiàn)不平衡、不充分發(fā)展的格局。從國外工業(yè)機器人的開發(fā)和應(yīng)用實例來看，對鋼鐵生產(chǎn)影響主要表現(xiàn)為：可以降低生產(chǎn)成本，提高準(zhǔn)確率和精度，減少從業(yè)人員數(shù)量、節(jié)約人員成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量、精度和防錯率，改善職工工作條件，提高安全性，提高生產(chǎn)效率。我國鋼鐵行業(yè)在工業(yè)機器人開發(fā)及應(yīng)用方面也存在一些問題，比如行業(yè)特殊性、發(fā)展階段和信息化基礎(chǔ)參差不齊、資金緊張、人員總量過剩和結(jié)構(gòu)性短缺并存、信息化高端人才短缺等。通過調(diào)研分析，預(yù)計未來3～5年是我國鋼鐵行業(yè)工業(yè)機器人應(yīng)用的高峰期，總用量將達(dá)到8000～10000臺；同時給機器人用鋼需求市場帶來商機，僅電工鋼需求就達(dá)到10萬t以上。

[1] International Federation of Robotics. World Robotics 2017 Industrial Robots[EB/OL].(2018-1-10). https：//ifr.org

[2] 趙蕓芬. 鋼鐵行業(yè)人工智能：鋼廠擁抱大數(shù)據(jù)和機器人. 世界金屬導(dǎo)報，2017-9-5(A06)

[3] 意大利阿維迪訂購達(dá)涅利熱鍍鋅生產(chǎn)線Q-鋅鍋機器人系統(tǒng). 世界金屬導(dǎo)報，2013-12-16

[4] 快速機器人軋制：用于冷坯可視化自動去毛刺機器人. 世界金屬導(dǎo)報，2017-2-28(B16)

[5] 陳卓. 我國機器人的發(fā)展對電工鋼需求淺析. 世界金屬導(dǎo)報，2015-9-7