Глава 9. Роботизированные технологические комплексы в металлургии

9.1. Особенности роботизации металлургического производства

Черная металлургия - одна из ведущих отраслей промышленности, перед которой в одиннадцатой пятилетке поставлены большие задачи по повышению качества выпускаемой продукции, производительности труда, внедрению прогрессивных технологических процессов, комплексной реконструкции, модернизации и автоматизации производства.

Процессы металлургического производства реализуются в агрегатах как непрерывного, так и периодического действия. Агрегатами непрерывного действия являются агломерационные машины, доменные печи, установки непрерывной разливки стали, методические и другие проходные и протяжные печи для нагрева и термической обработки металла. К агрегатам периодического действия относятся мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы.

Тенденция развития основных металлургических агрегатов характеризуется увеличением их емкости и мощности, оснащением все более совершенным оборудованием, системами автоматического управления.

Развитие черной металлургии в настоящее время можно характеризовать высокими темпами роста объемов производства, непрерывным расширением сортамента,'опережающим ростом производства прогрессивных видов проката, труб, метизов. За годы девятой и десятой пятилеток были выполнены работы, направленные на создание комплексных систем автоматизации металлургических агрегатов и разработку уникальных средств контроля важнейших технологических параметров: высоких температур, состава металлов и материалов, геометрических размеров изделий.

Увеличение объема доменных печей, повышение их производительности потребовало изменения, методов подготовки, дозировки и доставки шихты на колошник. На сверхмощных доменных печах вагон-весы и скиповые подъемники уступили место транспортной загрузке материалов в печь. Создана система автоматического управления шихтоподготовкой и шихтоподачей с применением ЭВМ и бесконтактных схем управления всеми механизмами загрузки. Внедрена АСУТП конвертерной плавки, обеспечивающая статистическое управление последней. Продолжаются работы по созданию более совершенной, динамической системы управления конвертерной плавкой с использованием зондовых методов контроля содержания углерода и температуры металла без повалки конвертера. Действуют системы оптимального управления нагревом металла перед прокаткой. На крупных широкополосных станах внедрены системы автоматического регулирования толщины полосы.

В числе других направлений работ по комплексной автоматизации отрасли на ближайшие годы намечены разработка механизмов и устройств для автоматического отбора и подготовки представительных проб шихтовых материалов в потоке (доменное производство), внедрение измерительных зондов для контроля температуры и содержания углерода в ванне и устройств для контроля шлакообразования (кислородно-конвертерное производство), создание установок для контроля температуры металла и футеровок печей (электросталеплавильное производство), разработка и внедрение АСУТП действующих агрегатов основных переделов металлургического производства на основе совершенствования его технологии и модернизации оборудования с применением промышленных роботов и манипуляторов.

Сложность металлургического производства, разнообразие технологических процессов, особые условия, в которых они протекают - все это предопределяет наличие участков, не охваченных средствами автоматизации, где по тем или иным причинам все еще применяется ручной труд. Замена ручного труда машинным становится особенно необходимой в связи с проблемой недостатка трудовых ресурсов. Роботизация ручного труда позволит также повысить культуру производства, создаст новые возможности совершенствования основного технологического процесса и его управления.

В металлургии наибольшие затраты труда приходятся на долю цехов, выпускающих конечную продукцию. В связи с постоянным увеличением доли качественных конструкционных и легированных марок сталей в общем объеме выпускаемого проката, повышением требований к его качеству и товарному виду постоянно увеличивается объем работ на участках подготовки и отделки готовой продукции прокатных цехов. Однако механизации, а тем более роботизации, трудоемких операций на этих участках до последнего времени уделялось недостаточно внимания. В частности, именно недостаточный уровень механизации участков отделки является одной из причин зачастую невысокого качества выполнения отделочных операций и необходимости участия в них большого числа производственных рабочих,

В настоящее время разработаны конструкции машин и устройств для клеймения проката в потоке станов, обвязки бунтов проволоки, рулонов полосы, абразивной зачистки, правки круглых и квадратных заготовок. Однако широкое их внедрение задерживается из-за сложности конструкции, недостаточной надежности, трудностей, связанных с диспропорциями пропускной способности участков и ограниченностью производственных площадей. Такие же операции, как зачистка, смотка, сортировка, штабелировка, увязка, упаковка, навешивание бирок, а также операции по транспортировке, складированию и отгрузке готовой продукции, с большим трудом поддаются автоматизации. Для этих операций с успехом могут быть применены робототехнические системы.

Машинная оснастка отделочных и адьюстажных работ в прокатном производстве различна даже в сравнимых по оборудованию и технологии цехах. Анализ обеспечения металлургического производства средствами механизации показал, что более 70 % их разрабатывается и изготавливается на самих металлургических предприятиях, около 3 % - на заводах Черметремонта, 27 % - на машиностроительных предприятиях. Изготовление исполнительных устройств силами самих предприятий обусловливает невысокую экономическую эффективность от их внедрения.

В металлургическом производстве насчитывается большое число операций, выполняемых в настоящее время с помощью тех или иных механизмов и машин с участием оператора, которые с успехом могут быть поручены роботам с супервизорным управлением [50]. Рассмотрим несколько примеров таких операций.

Доменные печи снабжены системами автоматического дозирования и подачи шихты. Замер уровня шихты осуществляется специальными зондами. Тележка с трубой-зондом и поддерживающими каретками перемещается по направляющим с помощью электрической лебедки, управляемой оператором. Аналогичные зондовые установки используются для замера температуры и отбора проб металла из ковшей и конвертера.

Ковши, применяемые для транспортировки жидкого чугуна, а также конвертеры ремонтируют с помощью торкретирования. Оператор вводит фурму в рабочее пространство, включает подачу кислорода и торкретировочной массы, нанося покрытие на футеровку и передвигая торкретировочную машину вперед и назад и вращая фурму.

Трудоемкой операцией является также операция скачивания шлака из чугуновозных ковшей и миксера. Механизмы должны работать в зоне высоких температур. Шлак с поверхности жидкого металла сгребается скребками. Необходимая траектория перемещения скребка, подвешенного к хоботу, получается при движении каретки с приводом, расположенным на поворотной консоли.

Скрап для загрузки в мартеновские печи подают тележками. Мульды со скрапом с вагонных платформ перегружают на тележки электромостовыми кранами общего назначения. При этом строповку, отцепку, ориентирование относительно места установки производят вручную.

В прокатном производстве получили распространение машины огневой зачистки, обеспечивающие высококачественную сплошную зачистку поверхности металла непосредственно в технологическом потоке прокатного стана. Однако сплошной зачисткой нельзя устранить все поверхностные дефекты. Их приходится удалять ручной зачисткой. Организация этой операции связана с дополнительными затратами времени на зачистку, транспортировку, раскладку и осмотр слябов. В этой связи ставится вопрос о роботизации операции выборочной зачистки металла с использованием при этом автоматического дефектоскопа для выявления и фиксирования местоположения дефектов на поверхности слябов.

К трудоемким операциям в прокатных цехах относятся также загрузка заготовок в нагревательную печь и выгрузка их из печи, кантование металла, сортировка изделий, удаление обрези. Эти операции необходимо роботизировать в первую очередь. В качестве примера можно отметить, что на Харьковском заводе ПТО им. В. И. Ленина внедрен механизированный технологический комплекс термической резки листового проката, в котором операции подачи листа со стеллажа на рольганг-тележку, подачи листа в зону резания гильотинных ножниц, установки листа по упору ножниц выполняются промышленными роботами.

Оснащение прокатных цехов мощными современными отделениями отделки является главным условием дальнейшего повышения качества выпускаемой продукции. Существенного повышения производительности труда можно достичь наряду с совершенствованием технологии прокатки и основного технологического оборудования внедрением широкой роботизации отделочных операций:

• связанных с подготовкой исходного металла, непосредственно влияющих на качество готового проката (отделка поверхности слитков и полупродуктов);
• предназначенных для доведения прокатанной на стане продукции до надлежащего качества и товарного вида.

Степень прогрессивности технологического процесса определяется не только достигнутым технико-организационным уровнем, но и структурой применяемого оборудования, а значит, и направленностью роботизации. Последняя должна проводиться с учетом тенденций развития металлургической промышленности и достижений робототехники. Основной задачей роботизации при этом является создание роботизированных технологических комплексов, исключащих участие человека в процессе производства. Системный подход к решению этой проблемы следует развивать в следующих направлениях:

• автоматизации действующих цехов на базе типовых роботизированных технологических ячеек;
• создания новых комплексно-автоматизированных цехов на основе прогрессивной технологии, форм организации производства и широкого применения промышленных роботов.

Первое направление предусматривает внедрение роботов и манипуляторов прежде всего для исключения ручного труда. При этом одновременно модернизируют морально устаревшее оборудование, производят его перекомпоновку, которая необходима для стыковки роботов с обслуживаемым оборудованием.

При развитии второго направления стыковку роботов с обслуживаемым технологическим оборудованием осуществляют на этапе проектирования цеха. При этом предусматривают создание соответствующих транспортных систем для связи отдельных технологических ячеек.

Анализ подлежащих роботизации участков и цехов металлургического производства позволяет сделать вывод, что выпускаемые серийные промышленные роботы мало пригодны для использования в данном производстве, например, ввиду наличия во многих случаях значительных динамических нагрузок, связанных с необходимостью не простого перемещения некоторой детали в пространстве, а выполнения дополнительной механической работы. Созданные в основном для использования в машиностроении, серийные роботы, как правило, не приспособлены также для работы в агрессивных средах и при высоких температурах, характерных для металлургического производства. Большинство из них обладают излишне высокой для такого производства точностью позиционирования, достигаемой за счет соответствующего усложнения конструкции и системы управления. В металлургическом же производстве высокая точность позиционирования нужна только при отдельных операциях (перевалка валков, установка оправок, кассет с клеймами, затворов ковшей), зато предъявляются повышенные требования к грузоподъемности, величине перемещений и надежности, особенно захватных устройств. При этом от грузозахватных устройств требуется возможность работы с горячим металлом, полная автоматизация операций взятия и освобождения груза (пакета, рулона, бунта), приспособляемость к возможным изменениям габаритов груза, применимость к существующему оборудованию и полное удовлетворение требованиям техники безопасности. Опыт механизации транспортных операций на складах заготовок и готовой продукции сортопрокатных и других цехов показывает, что на многих участках металлургического завода преимущественной может оказаться портальная компоновка роботов, требующая наименьших производственных площадей и обеспечивающая свободный доступ к рабочей зоне сверху. К преимуществам захвата сверху можно отнести:

• удобство дистанционного управления грузозахватным устройством;
• минимальные затраты времени на захват и освобождение;
• выполнение погрузочно-разгрузочных работ практически без риска повреждения грузов и транспортных средств.

Такие устройства могут быть магнитного, вакуумного, механического и магнитно-механического типов. Электромагнитные захваты обеспечивают взятие грузов неопределенной формы, возможность регулирования грузоподъемности, но при транспортировании, например, пакета листов в поле магнита может находиться лишь ¹/₃ его высоты, а остальные листы удерживаются обвязочной лентой, что небезопасно. Разработка новых конструкций захватных устройств для нужд металлургического производства - одна из важных проблем при его роботизации.

Современные роботы с программным управлением не в состоянии производить "осмысленный" захват металла, поскольку не учитывают наличие облоя, заусенцев, забоин и других случайных изъянов, а также загрязненность заготовок и установочных мест. При этом выполнение таких операций, как торкретирование, маркировка, сортировка и другие, требует от робототехнической системы некоторого поиска перед непосредственным захватом, а также наличия развитой информационной системы, обеспечивающей надежную связь с внешними устройствами, датчиками, путевыми включателями, пультом управления, возможность синхронной работы группы однотипных устройств. Принципиальным здесь является также то обстоятельство, что металлургические процессы протекают в условиях повышенной априорной неопределенности. В этих сложных, зачастую изменяющихся во времени производственных условиях требуются робототехнические системы, обладающие достаточно развитой адаптацией. Наличие последней позволит решить задачу роботизации большинства характерных для металлургии технологических операций.

Таким образом, задача разработки и внедрения созданных специально для металлургии роботов и робототехнических систем является крайне актуальной.