智能化在铝加工中的现状及展望

何向问

(中色科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

本文中所提的铝加工指以电解铝液、重熔用铝锭或再生铝作为原料经熔炼铸造和后续加工获得板带箔、管棒型材产品的这一阶段。铝加工行业中，通过不同的加工工艺，可得到四类不同的铝加工产品：铝板带箔，铝挤压材，铝铸锻件和铝线杆。将这四类初级产品分别经过精深加工可得到不同的终端产品,服务于各个行业，如航空航天、交通运输、市政工程和日用家具等。

铝加工行业的智能化一方面是通过各种工艺设备的智能化来实现，另一方面是通过信息化系统来实现。这些信息化系统，搭载在各种工艺设备之上，通过智能信息采集、生产应用和企业管理在不同的层面发挥作用，交织成网，共同为实现整个铝加工厂的智能化做出贡献。

1 铝加工行业智能化的背景及必然性

1.1 智能化工厂在全球范围内兴起

2000年以后，世界各地工业领域的智能化发展进入新的阶段，各种智能化战略密集推出。2011年美国实施“先进制造伙伴计划”战略，2013年德国提出“工业4.0”计划，2014年英国开展“高价值制造”战略，2015年日本颁布“机器人新战略”，2016年欧盟颁布“数字化欧洲工业计划”。可以看到，各制造业强国陆续制定智能化战略，不断推出新举措，通过政府、行业组织、企业等协同推进智能制造发展，以提升工业制造实力，培育行业竞争优势。我国也在2015年正式发布《中国制造2025》文件，标志着国家决心从制造业大国向制造业强国大步迈进。

1.2 智能化技术蓬勃发展

在这过去的十年间，人工智能、物联网、大数据、云计算、机器人、虚拟现实、增强现实、混合现实和工业互联网等技术的发展为智能化工厂的发展提供了有力保障。正是有了这些智能化技术的发展，才使铝加工厂的智能化有了可能。

1.3 铝加工行业发展的内部需要

铝加工行业作为一个工艺流程明显、生产复杂多变的行业，通过传统的生产方式单独进行设计、组织生产管理、完成产品服务已经进入了一个瓶颈期。大宗产品的加工费持续走低，高端定制产品的质量不够稳定,使人们不得不寻求一个突破口，智能化生产以其特有的优点为这种突破提供了可能。

短期来看，智能化生产可以提高生产效率、减少劳动定员、优化资源配置，为大宗产品的生产进一步降低成本；可以提高生产的安全性、可靠性并实现快速的数据收集与反馈，为高端定制产品质量的稳定性提供保障。长远来看，人们不断的发展智能化主要是为实现三个目标：①解放人的体力劳动；②部分解放人的脑力劳动；③全面解放人类或模糊人员和机器工作的界限，实现人机协作。这些目标的实现是智能化发展的必然，也是铝加工发展的必经之路。

2 铝加工行业智能化现状

铝加工车间根据工艺的不同主要分为熔铸车间、压延车间、挤压车间等，各车间目前的自动化生产状况不尽相同。以熔铸车间为例，其主要产品是板带箔、管棒型材的坯料。熔铸车间一般是铝加工开始的第一个车间，其对安全性和可靠性的要求较高，但目前它的自动化程度又较低。因此，以下将着重介绍其中一些工艺及生产的智能化现状。

2.1 熔铝炉、保温炉内操作

(1)加料。以电解铝液的加料为例，电解铝液的加料大多是通过铝液包倾倒入熔铝炉中。一种是直接采用天车将铝液包吊起，由人工转动圆盘把手将铝液倒入炉中。这种方法比较危险，人员在天车吊起的铝液包边操作，一旦出现脱钩等意外，后果不堪想象。另一种是通过炉边的倾翻装置倾翻铝包将铝加入炉中，这种方法使铝液包在倾倒的过程中不再悬空，且倾翻时也不再需要人员靠近操作，安全性有了较大提升。目前国外比较先进的是采用电解铝液抬包车直接自动将铝液倒入炉中，避免了整个过程中铝液包的吊运，整个过程可以在一辆铝液抬包车上进行，安全性和人员的操作环境均有了大幅提升，如图1所示。

(2)精炼。精炼时的操作环境一般伴随着高温粉尘，是人员操作环境相对较为恶劣的一个工艺过程。打开炉门加入一些辅料如精炼剂或人工用一根钢管深入炉内精炼，向里面喷入惰性气体或者精炼剂。这两个操作，人员都要暴露在炉门前受到高温的炙烤和烟气的侵害，工作环境极其恶劣。目前已有较为先进的精炼方法，通过炉底透气砖精炼(图2)、炉侧旋转除气装置(图3)进行精炼等。

(3)扒渣。早期由于炉型较小，各企业一般都是采用人工扒渣，但这种方式人员的劳动强度较大，工作环境相当恶劣。后来随着炉型的增大，人工扒渣很难实现，同时为降低人员的劳动强度，很多厂家通过叉车改装的扒渣车进行扒渣，是目前使用最多的一种扒渣方式。更为先进的是采用专用轮式扒渣车(或轨道式扒渣车)进行扒渣。这种方式占用较小的扒渣空间，同时对操作人员的保护做的更好。

(4)搅拌。目前铝熔体搅拌常采用的方法有机械搅拌、气体搅拌和磁力搅拌等，各种搅拌方式及其自动化程度见表1。机械搅拌由人工或扒渣车驱动扒渣头或由电机驱动泵体搅动铝熔体；气体搅拌一般都伴随着精炼过程而进行，通过气体和钢管或转子搅动铝熔体，但有时需要打开炉门导致热量散失；磁力搅拌采用电磁搅拌装置、电磁泵等磁力装置产生电磁力搅动铝熔体，避免了铁质工具和熔体接触，减轻了工人的劳动强度，降低了炉内热量的损失，是目前较为流行的搅拌方式。目前的铝熔体搅拌一般由多种搅拌方式组合进行，倾向于采用自动化且不用开启炉门的方式进行。

表1 各种搅拌方式及其自动化程度

2.2 铸造前后相关工艺操作

目前国内外多数工厂的铸造过程基本已实现了自动化铸造，铸造时液面控制、铸造速度、水流量、水温的检测和熔铝炉、保温炉之间的连锁等均由PLC集中控制。但仍有较多的操作主要采用人工，如铸造结束后清理结晶器、清理引锭头、铸锭挂吊环(主要是圆锭)和移放铸锭卸吊环(主要是圆锭)等。

铸造前后的这些相关工艺操作，一般都是非标操作，实际生产中，产品的变化、漏铝或铸造缺陷等相互组合，使可能面临的情况更加复杂，因此目前一般都需要人员根据情况进行判断再操作，尚没有实现自动化。假以时日，生产中积累了较丰富的数据库，相信智能化的实现也是可以期待的。

另外铸锭上下锯切机、进出均热炉前后的堆垛码料，目前尚以人工为主。但部分厂家在铸锭放上锯切机之后，锯切、堆垛、均热、拆垛、打捆、称重、贴标、装车等过程均已采用全自动化取代人工操作，如图4、图5所示。

2.3 车间物料的转运和储存

目前一般都是通过天车、叉车、平板车和大卡车等传统工具进行运输，一些较为先进的铝板带生产厂家引入了智能平面库和立体库技术(图6)，同时采用智能化系统统一调配，利用智能天车或AGV(ACT)小车完成物料的运输和周转(图7)。

板带车间和管棒车间的应用和熔铸车间大部分生产现状类似，此处不再赘述。

2.4 铝加工行业智能化现状总结

通过前面的描述，可以看出国内加工行业的智能化现状有如下特征：(1)各车间单体设备的智能化程度已经较高；(2)各独立设备间通过辊道、链条、轨道小车、天车、AGV/ACT小车进行物流连接；(3)各设备的组合应用和生产车间内所有设备的协调工作正通过不同的管理系统进行信息连接；(4)智能化需求点主要体现在生产线的智能化、仓储与物流的智能化、生产过程管控的智能化和生产数据采集的智能化几个方面。

3 铝加工行业智能化的展望

根据前述智能化发展的三个目标将铝加工行业的智能化分为三个阶段，我们就近期、中期和远期分别进行展望。

第一阶段：实现设备和生产线的自动化、连续化生产，解放人的体力劳动；第二阶段：实现各相应管理层级之间、设备之间和人员与设备之间的信息共享并辅助简单的生产和管理决策，解放人大部分的脑力劳动;第三阶段：实现人员和设备间无差别的信息交互，或通过人工智能代替人完成较为复杂的决策工作，以全面解放人类或模糊人员和机器工作的界限，实现充分的人机协作。这三个阶段，由近期至远期，智能化程度由简单到复杂，需要在不断的发展中逐步完善，每个阶段需要通过不同的手段来实现。

第一阶段生产的自动化和连续性，可通过如下手段实现：①使用自动化程度高的单体设备；②使用设备组合替代较为复杂的人工操作；③使用智能单元或生产线。

第二阶段要实现数据的收集、积累、交换和共享，最终使管理系统能做出简单的决策，部分解放人脑。可通过如下手段来实现：①使用MES、ERP等管理系统管理设备、能源和产品；②使用互联网技术将各种管理系统、管理软件、管理平台与设备可采集的信息相连接，将设备和设备、设备和有权限的人员之间的信息及时互联互通；③使用带有各种智能传感器的各种元器件充实数据库。

第三阶段人机间的自然融合，及时远程响应现场作业要求，或由人工智能自主做出行动决策，可通过如下手段来实现：①使用AR、VR和MR技术实现事故模拟、培训等训练；②使用远程遥控技术和智能机器人实现危险操作；③使用数字孪生技术实现铝加工厂的全生命周期模拟。

这三个阶段的发展是铝加工智能化发展的三个必经阶段，目前尚处在自动化、连续化生产的推广和信息共享、智能决策的起步阶段，人机融合和完全的自主决策仍属于概念阶段。

铝加工的智能化发展综合来看，目前仍处在较低水平，但是我们也相信，科技的发展是阶梯式的，经过近些年各项智能化支撑技术的发展和积累，铝加工智能化的跨越式发展并不遥远。

4 结束语

通过前文的描述和工厂的实际情况，总结一些铝加工生产智能化应遵循的基本原则。

第一，规模不宜太小。很多智能化的设备和系统都需要较大的投入，规模如果太小，没有规模效应会导致项目短期收益率太差不能支撑。

第二，产品种类和工艺不宜过于复杂。如果生产产品的种类特别多，工艺又很复杂，那么生产中就有很多种组合方式。这会导致智能化设计过程中产生很多冗余设计，仅仅是为了保证可能性，最终使成本和产出不成比例。

第三，适度原则。智能化生产的最终目的是车间无人化生产，决策只由少数人参与。但是智能化的要求是永无止境的，尤其是在安全方面。所以各个企业可以根据自身生产的特点，选择把有限的钱花在最能体现智能化价值的地方，不要盲目追求全方位的智能化。

随着智能化技术在铝加工生产中的深入渗透，铝加工行业将掀起一波新的浪潮。近期来看，智能化技术在铝加工行业应用的巨大优势将会促使新建铝加工企业将智能化设计考虑在内，同时吸引众多现存企业进行技术升级改造，通过技术升级提高生产率、减少人工成本、提高产品质量，使中国的铝加工行业竞争力得到整体提升；远期来看，智能化新技术的应用使铝加工行业在经济性、安全性、可靠性和可持续性上持续向前进步，最终无限靠近无人化和自主决策，从而解放人类去做更多创造性的活动。