科技新进展：熔融金属测温取样智能化操作关键技术与系统的研发及应用

一、研究的背景与问题

当前新一轮科技革命和产业变革加速演进，新一代信息技术、生物技术、新能源、新材料等与机器人技术深度融合，机器人产业迎来升级换代、跨越发展的窗口期。目前工业机器人在汽车制造、电子、机械加工等行业已经取得了广泛应用，但在钢铁冶金等原材料工业中的应用还相对较少。原因在于：原材料工业多为高温、高粉尘、高辐射、重载等恶劣高危的工作环境，普通工业机器人不能直接应用；原材料工业非结构化工作环境中不确定性因素较多，可重复性和规律性不强，需要机器人具有更高的自主性和智能化程度，普通工业机器人难以胜任；需要深刻理解生产和工艺流程，才能使机器人与其它成套设备协调作业，以满足工艺流程的需求。

在冶金行业中，金属冶炼过程中需要对熔融金属的温度及成分进行检测，近些年国内外公司及研究机构研发出智能测温取样机器人系统来实现熔融金属测温取样自动化作业，但因该系统在作业环境动态变化、复杂、非结构化的情况下的精准性和成功率不足、对变化的工艺和场景的适应能力不够、缺乏钢铁冶金恶劣高危重载生产环境下的系统安全性和可靠性，故目前尚未能完全实现测温取样智能化、无人化作业。本项目通过研究熔融金属测温取样智能化操作的关键技术与系统，解决面向恶劣、高危、非结构化环境下的熔融金属智能测温取样作业行业共性痛点问题，对于提高生产效率，引领冶金行业智能化、绿色化发展具有重要意义。

面向动态复杂非结构化作业环境和恶劣高危重载作业环境下的熔融金属智能测温取样作业的需求痛点，项目研究需要解决以下三个方面的关键技术问题：（1）在作业环境动态变化、复杂、非结构化的情况下如何保证测温取样系统的精准作业和成功率；（2）测温取样系统对变化的工艺和场景的适应能力；（3）钢铁冶金恶劣高危重载生产环境下，测温取样系统的安全性和可靠性。

二、解决问题的思路与技术方案

本项目以研究熔融金属测温取样智能化操作的关键技术与系统，解决面向恶劣、高危、非结构化环境下的熔融金属智能测温取样作业行业共性痛点问题为目标，制定了合理的技术解决方案。

研究基于冶炼工艺的决策模型，对多任务进行科学调度分配，实现机器人与周边设备之间的协同控制；开发测枪智能感知及控制技术，减小机器人作业过程中末端执行器受周围环境因素的影响，提高动态复杂非结构化作业环境下测温取样系统作业的精准性。

研究炉口状态监测技术、熔融金属液面检测技术等机器人感知技术，融合多模态感知信息智能决策规划机器人作业轨迹；开发机器人的接插刮剥主动柔顺控制模型，根据接插刮剥作业过程控制调节策略，实现探头接插刮剥过程的柔顺作业。

研究测温取样机器人数字孪生技术，实现系统快速部署集成、方案离线验证、系统问题溯源，提高系统异构环境适应性及可靠性；开发安全耦合控制机制，保障恶劣高危重载作业环境下测温取样系统作业安全性和可靠性；开发自冷却、自适应和多层次防护的设备可靠性技术，解决测温取样系统各项设备在高温、高粉尘、强电磁等恶劣高危重载工作环境下作业可靠性问题。

三、主要创新性成果

金属冶炼过程中需要对熔融金属的温度及成分进行检测，面向恶劣、高危、非结构化作业环境下，如何保障测温取样系统的作业精准性和成功率、提高动态环境适应能力、加强系统安全性和可靠性，是行业共性痛点难题。项目通过熔融金属测温取样智能化操作关键技术与系统研发及应用，解决了熔融金属智能化测温取样作业难题，项目主要创新成果如下：

1、提出动态复杂非结构化作业环境下测温取样系统高精准智能作业方法。结合冶炼工艺，实现机器人与周边设备的协同控制，提高系统作业效率，机器人测枪延长杆智能感知及控制，提高探头接插、刮剥的精准性和一致性，增强动态复杂非结构环境测枪自适应能力。

2、提出基于多模态信息感知融合的测温取样系统智能决策机制。综合运用机器人多模态感知信息，智能决策机器人作业轨迹，自主选择机器人测枪最佳插入路径，探头主动柔顺接插刮剥，提高动态复杂场景下的测温取样系统自适应能力及作业效率。

3、开发恶劣高危重载作业环境下测温取样系统的可靠性技术。搭建机器人数字孪生机制及安全耦合控制机制，提高系统异构环境适应性，保障恶劣高危重载作业环境下测温取样系统作业安全性和可靠性；开发多层次防护装置等，提高测温取样系统各项设备在高温、高粉尘、强电磁等恶劣工作环境下作业可靠性。

四、应用情况与效果

本项目先后在中冶陕压、宝钢德盛、重庆钢铁、新疆八钢、山钢日照、云南仙福钢铁、安徽首矿大昌钢铁等钢厂进行推广和应用，实现了钢铁冶金工艺全流程中电炉、精炼炉、连铸中间包等工位的熔融金属智能测温取样操作，引领了测温取样机器人的技术发展方向，保障了工人健康和劳动安全，降低了工人工作强度，提高了生产效率和产品质量，提升了钢铁冶金智能化水平，项目研究成果经行业专家鉴定达到国际先进水平。

在中冶陕压电炉应用中，具备自动测温、自动取样、炉口堆渣检测、炉口检测定位功能，解决了电炉测温取样工序自动化作业的难题，实现了电炉测温取样作业的智能化操作，现场应用效果图如图1所示。

图1 中冶陕压电炉智能测温取样

在宝钢德盛LF精炼炉应用中，解决精炼炉测温取样智能化作业问题，具备自动测温、自动取样、探头自动接插、探头自动刮剥、钢水液面检测、炉口检测定位的功能，同时采用了单机多工位技术，使单套设备可在多工位之间转移、作业，提高系统降本增效。项目中使用了测温取样系统智能决策机制，提高系统对变化的工艺和场景的适应能力。项目实施后，实现了精炼炉测温取样作业精准化、智能化地稳定运行，现场应用效果图如图2所示。

图2宝钢德盛LF精炼炉智能测温取样

在重庆钢铁集团有限公司连铸机平台应用中，解决了连铸机智慧浇铸难题。项目开发的机器人作业系统一机多用，可执行测温取样、长水口更换、添加覆盖剂等多种作业任务，可通过机器人末端执行器的快速更换来完成不同作业任务，其中测温取样板块具备自动测温、自动取样、探头自动接插、探头自动刮剥的功能。项目实施后，有效解决了连铸平台中间包测温取样自动化作业难题，现场应用效果图如图3所示。

图3 重钢连铸平台智能测温取样

信息来源：中冶赛迪技术研究中心有限公司