钢铁行业机器人应用及前景展望

供稿|苏亚红，刘航，朱晓波 / SU Ya-hong, LIU Hang, ZHU Xiao-bo

全球工业已进入“4.0”时代(应用数据改进生产的人工智能时代)，钢铁企业对工业机器人的需求也与日俱增，据统计全球冶金行业的机器人销售量位居第三，2011—2016年年均增长率为15%[1]。我国是世界上最大的机器人消费国，2016年全球机器人销量为29万台，2017年1—11月我国工业机器人产量达11.8万台。为了推动工业机器人产业的发展，我国出台了工业转型升级、发展高端制造装备、智能制造装备等一系列有利于机器人发展的政策规划。2013年12月，工信部发布了“关于推进工业机器人产业发展的指导意见”，要求到2020年工业机器人行业的技术创新能力和国际竞争能力明显增强，高端产品市场占有率提高到45%以上，机器人密度(每万名员工使用机器人台数)达到100以上，基本满足国防建设、国民经济和社会发展需要。

目前，我国钢铁行业工业机器人应用还处于起步阶段，除宝钢股份直属厂部相对领先，其次为南钢(20台)和沙钢(27台)，其他企业虽有涉及，但都不超过10台，也没有形成批量化、系统化应用。据调研，宝钢股份直属厂部每万名工人机器人使用量约为135.5台，而全国钢铁行业平均每万名工人机器人使用量仅为4台以下。我国钢铁企业工业机器人应用呈现为不平衡、不充分发展的格局。

国外钢铁企业机器人应用的影响

降低生产成本

为了优化原材料消耗以降低冶炼成本，确保成品质量，应用工业机器人对原材料使用量进行选择可以降低冶炼成本。例如，年产粗钢1200万t的俄罗斯马格尼托哥尔斯克钢铁公司通过使用智能计算机器人对铁合金使用量进行优化，使铁合金消耗量平均下降5%，相当于每年节约430万美元[2]。

提高准确率和精度

韩国浦项钢铁公司光阳厂3号连续镀锌生产线通过应用工业机器人控制涂层厚度，使得涂层重量偏差精度提高了93%，从人工控制涂层重量偏差7 g/m2提高到人工智能系统控制下的0.5 g/m2。

节约人员成本

据世界钢动态公司称，随着钢铁行业的整合和生产改进，从1972年到2012年全球钢铁产业就业水平已经下降约50%，而如果利用人工智能的话，钢铁产业就业人数将从直接从业200万人和间接从业400万人进一步减少[2]。例如，奥地利奥钢联集团2017年宣布在其多纳维茨钢厂符合工业4.0原则的未来项目中投资1亿欧元，用于2019年将投产的年产能95万t的高度自动化、全数字连铸生产线，以及致力于开发更轻、更强钢种的研究中心。该项新技术意味着奥钢联将仅需要14名员工每年就能生产50万t某种类型的线材。

提高生产质量

钢铁生产过程中在一些关键岗位使用工业机器人可以提高精度、降低错误率。早在2006年康力斯公司就开发使用了标记机器人，不仅工作可靠、精确度高、标记简洁而且速度远远快于人工标记。2008年，达涅利自动化公司也开发了用于连铸结晶器保护渣管理的工业机器人，可以完成自动加渣，一方面可以减少在危险区域配备操作人员数量，另一方面可以接近难以靠近的区域，使保护渣加入更加均匀，从而确保浇注过程中保护渣润滑效果，改善了产品质量。该机器人安装在了意大利ABS钢厂“Luna”连铸机上，应用效果很好。

提高安全性

钢铁生产工序长，生产环境多为高温、多尘、重载，工况条件恶劣，因此在保证产品质量的前提下还要确保员工的身体健康和人身安全。一些存在危险性的岗位可以用机器人来替代，机器人可处理重复性和劳动密集型工作。机器人的投入和使用不仅改善了人员操作环境，提高了安全性，而且还可以提高工作效率。

早在2008年，浦项钢铁公司就在光阳厂新2流板坯连铸机上应用了第一套LiquiRob机器人系统，可以执行连铸过程中的所有任务，可以自动取样、检测中间包钢水温度以及自动配置结晶器保护渣、除渣等，甚至还可以进行改造以及执行其他功能，如钢包长水口处理和钢包氧枪处理。采用该机器人系统后，操作人员不必在危险的连铸工作区操作，由此大幅度改善了安全工作条件。

2014年西门子冶金技术部为安赛乐米塔尔Gent公司提供一台连铸平台工业机器人。该机器人被安装在二号板坯连铸机上，可以自动执行许多具有潜在危险性的任务，包括中间包取样、测温和测氢以及钢包滑动水口烧氧操作等。

2015年普锐特为奥钢联林茨钢厂3座转炉的探头操作和检测工作开发了机器人操作系统，避免了操作人员从事危险区域的工作，而且提高了副枪作业率和操作安全性。

达涅利自动化开发了用于电炉取样全自动控制的拟人化机器人(Q-Robot MELT)，以减少在电炉附近的工作人员数量。该机器人可以完成电炉钢水测温、取样，以便进行钢水化学成分分析、氧碳含量检测等。另外达涅利自动化还开发了用于撇去锌锅锌渣的机器人(Q-Robot ZINC)。该机器人可以不间断地去除锌渣，而且能够自动适应镀锌工艺参数的变化。通过机器人准确地去除锌渣，不仅可以降低锌量消耗(因人工操作会导致撇渣时带走更多的锌液)，缩短设备投资回收期(回收期不到半年)，而且可以提高镀层质量。有效改善了该区域的生产操作安全性，减少了工作人员体力劳动，增加了锌收得率。机器人可以根据实际工艺条件自动调整清洁动作频率，目前该类型机器人在意大利阿维迪公司也得到了很好的应用[3]。

提高生产效率

应用工业机器人可以提高生产效率。例如，2014年底由达涅利自动化开发的应用于意大利ABS钢厂的自动去除棒材毛刺机器人大大提高了生产效率，去除钢坯毛刺效率高达90 t/h，即每18 s处理一根钢坯，且保持24 h不间断运行。该机器人还具有双去毛刺刀具的自动更换装置，当一个刀具磨损后，处于空闲状态的备用刀具会自动替换。因为在轧制产品(如扁坯、大型棒材以及方坯)切割边缘处，气割和锯切会使钢坯产生严重的毛刺，这些硬毛刺如果不加以处理则会损坏超声波无损检测控制设备的橡胶保护盖，而且角部毛刺还会导致轧制产品的表面缺陷。通过利用3D立体影像和机器学习技术准确定位圆棒六自由度轮廓，可以去除大量不同的、任意定位形状(圆形、方形等)的毛刺，而通过人工抛光去除毛刺是不可能的，因为人工操作不可能与现代生产线的高效率保持一致[4]。

我国钢铁行业机器人应用存在的问题

钢铁企业的个性化需求

钢铁生产虽然是流程行业，但不属于标准化的流程行业，装备、技术、厂房、操作标准等方面的个性化程度较高。这就意味着钢铁行业工业机器人的应用需要解决复杂环境条件的制约，并满足各种个性化的需求。

企业信息化基础参差不齐

我国钢铁企业的发展环境和背景各不相同，导致钢铁企业之间的发展水平差距很大，企业处于不同的发展阶段。例如，我国拥有像宝钢这样的堪称全球最先进的钢铁企业，但同时也存在大量相对落后的钢铁企业，其生产装备、现场管理、信息化水平、节能环保等方面都存在较多欠缺，还未达到推进智能制造的发展阶段。尤其是在信息化方面，多数钢铁企业不具备应用工业机器人的基础。

钢铁企业资金紧张

我国较多钢铁企业连年亏损，企业资金链紧张。情况稍好些的钢铁企业也仅能维持生产运营，将资金投入到信息化建设和工业机器人应用集成领域存在较大困难。

用工与效率的矛盾

在我国钢铁产量和需求处于峰值区的背景下，考虑钢铁企业劳动生产率不断提升以及去产能工作的深入开展，我国钢铁行业整体面临用工需求逐渐减少，行业职工总量存在整体过剩的局面。但与此同时，很多钢铁企业还面临在高技能、工作环境恶劣、重体力劳动等岗位招工困难的情况。工业机器人的应用必然会替代大量的工作岗位，这一方面意味着钢铁行业拥有巨大的工业机器人应用空间，另一方面这个替代的进程也会在一定程度上影响社会就业，从而影响社会稳定。钢铁行业与汽车、电气等制造业相比，其制造过程往往存在高温气体、高温液态金属、粉尘、腐蚀性液体等极端条件，工作环境较为恶劣。在这种恶劣的工作环境中，一方面存在用工业机器人替代人工减少安全隐患的需求，另一方面也对工业机器人的防护提出了更高的要求。

信息化高端人才短缺

钢铁企业信息化人才队伍主要是由自动化和装备等科室的相关人员或冶炼、轧制等相关专业人才转岗而来，虽然近几年补充了一些专业的信息化人才，但整体而言，信息化人才短缺、队伍整体水平不高、缺乏理论知识和创新能力等问题始终是钢铁企业发展智能制造的重要制约因素。且这一问题正在随着行业亏损、员工待遇下降等问题而更加明显地显现出来。

机器人开发与应用，面临专业门槛高、个性化定制难、应用批量小等特点，这些都会加大工业机器人制造、集成企业进入这一产业链的难度。

我国钢铁行业机器人应用预测

目前钢铁行业对工业机器人应用是高精度低容错的岗位工作以及提高生产效率的要求。正在形成的刚性需求是招工困难或使用人工性价比较低的岗位，未来有可能转化为刚性需求的主要是单纯出于安全考虑的岗位。从需求的刚性来讲，在降低成本的基础上，质量效益偏好＞减员偏好＞安全偏好。

第一个应用场景是处于行业领先水平的钢铁企业对机器人的需求，其出发点是希望通过机器人提高生产效率和操作精度，从而提高企业经济效益。这种需求是刚性需求，而且可以带来立竿见影的效果，但我国类似的企业数量相对较少。

第二个应用场景是通过机器人取代招工困难的工作岗位，主要集中在重体力劳动、工作环境存在安全风险的岗位。由于招不到人，这种需求也是刚性需求，而且会随着招工越来越困难，而变得更加急迫。这一需求不会因为钢铁企业规模和效益的差别而体现出较大的差别，我国类似的企业数量相对较多。

通过对我国钢铁企业调研分析，一个年产量800万t以深加工钢材为主要产品的全流程钢厂，包括焦化、烧结、炼铁、炼钢、热轧、冷轧等工序，其机器人应用需求量约为348台。按照全国8亿t粗钢产量、人均产钢量约500 t/a进行估算，钢铁行业总的机器人使用量有望达到8000～10000台。

综合来看，我国钢铁行业对机器人的需求已经开始增长，但还远未达到高峰期。预计钢铁行业的机器人应用会在最近3～5年逐步释放。与此同时，多数机器人的使用寿命在5～8年，因此，钢铁行业的机器人应用在5年后将持续处于高峰期，并形成稳定的需求规模。

随着我国钢铁工业对工业机器人的需求与日剧增，对机器人用钢质量提出新的要求和新的商机。例如，随着工业机器人的发展和数量的增加，机器人用电机所需的电工钢将呈上升趋势。据预测未来机器人对电工钢的新需求将超过10万t以上[5]。

结束语

摄影 杨 栋

全球工业已进入“4.0”时代，但我国钢铁企业工业机器人应用还处于起步阶段，而且呈现不平衡、不充分发展的格局。从国外工业机器人的开发和应用实例来看，对钢铁生产影响主要表现为：可以降低生产成本，提高准确率和精度，减少从业人员数量、节约人员成本，提高产品质量、精度和防错率，改善职工工作条件，提高安全性，提高生产效率。我国钢铁行业在工业机器人开发及应用方面也存在一些问题，比如行业特殊性、发展阶段和信息化基础参差不齐、资金紧张、人员总量过剩和结构性短缺并存、信息化高端人才短缺等。通过调研分析，预计未来3～5年是我国钢铁行业工业机器人应用的高峰期，总用量将达到8000～10000台；同时给机器人用钢需求市场带来商机，仅电工钢需求就达到10万t以上。

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

[2] 赵芸芬. 钢铁行业人工智能：钢厂拥抱大数据和机器人. 世界金属导报，2017-9-5(A06)

[3] 意大利阿维迪订购达涅利热镀锌生产线Q-锌锅机器人系统. 世界金属导报，2013-12-16

[4] 快速机器人轧制：用于冷坯可视化自动去毛刺机器人. 世界金属导报，2017-2-28(B16)

[5] 陈卓. 我国机器人的发展对电工钢需求浅析. 世界金属导报，2015-9-7