ذوب رباتیک: اتوماسیون چگونه تولید آلومینیوم را تغییر شکل می‌دهد؟

به گزارش می‌متالز به نقل از ماینینگ تکنولوژی، تقاضا برای آلومینیوم سبک و بادوام رو به افزایش و تولید برای برآوردن نیاز‌ها رو به رشد است ضمن اینکه صنعت ذوب آلومینیوم با هدف ارتقای دوام، بهره‌وری و ایمنی، اتوماسیون را دنبال می‌کند.

اهمیت آلومینیوم به عنوان سنگ‌ بنای بخش‌های خودرو و ساخت‌و‌ساز در بحبوحه اختلال در تنگه هرمز نیز ملموس بود، حدود ۹ درصد از تولید آلومینیوم در منطقه خلیج فارس صورت می‌گیرد با وجود این که تنها حدود ۳ درصد از آلومینا و یک درصد از بوکسیت جهان در این منطقه تولید می‌شود، بنابراین واردات مواد خام و صادرات مواد فرآوری‌شده به مسیر کشتیرانی متکی هستند.

حملات ایران به کارخانه‌های ذوب آلومینیوم در امارات متحده عربی و بحرین باعث تعطیلی برخی از بزرگ‌ترین تأسیسات جهان شده و منطقه‌ای که سهم قابل‌توجهی از عرضه و تجارت جهانی را به خود اختصاص می‌دهد، دچار اختلال کرده است. تلفات ناشی از قطع برق، پات‌لاین‌ها (potlines) را در میانه فرآیند تولید آلومینیوم متوقف کرده است و این اتفاق خطر آسیب فیزیکی را افزایش می‌دهد.

در سراسر جهان، تولیدکنندگان در حال افزایش تولید آلومینیوم هستند، اما آماده‌سازی و تدارکات در مراحل تصفیه و ذوب دشوار است. ذوب هم‌چنان یک فرآیند خطرناک و پیچیده است و این موضوع، لزوم اتوماسیون را تقویت می‌کند.

«جان بیتی» مدیرعامل شرکت نروژی آلومات‌آی‌کیو (AlumatIQ) که در زمینه فناوری و تجهیزات ذوب رباتیک آلومینیوم فعال است، می‌گوید: آلومینیوم صنعتی با تقاضای عظیم برآورده نشده برای اتوماسیون است و رقابت بسیار کمی در این زمینه وجود دارد.

رباتیک خودکار بازدهی شبانه‌روزی را در محیط‌هایی که برای انسان بسیار خطرناک است، فراهم می‌کند. تحلیل اخیری که دیتا این‌سایتز مارکت (Data Insights Market) صورت داده «توسعه کلانی» را در بازار جهانی ربات‌های ذوب فلزات پیش‌بینی می‌کند و تخمین می‌زند که در سال ۲۰۲۵ ارزش آن ۱۰۰.۵۹ میلیارد دلار بوده باشد. این شرکت نرخ رشد مرکب سالانه (CAGR) ۱۲.۱۷ درصدی را بین سال‌های ۲۰۲۵ تا ۲۰۳۳ پیش‌بینی می‌کند که ارزش بازار را در پایان دوره به ۲۵۲.۱ میلیارد دلار می‌رساند.

این موضوع با رشد گسترده‌تر رباتیک صنعتی هم‌سو است، به طوری که گلوبال دیتا (Global Data) در جایگاه شرکت مادر ماینینگ تکنولوژی (Mining Technology)، تخمین می‌زند که بازار تا سال ۲۰۳۰ با نرخ رشد مرکب سالانه ۱۵ درصد به ۲۰۵.۵ میلیارد دلار خواهد رسید، اگرچه تاسیسات صنعتی مانند ذوب فلزات با ثبات و پیوستگی بیشتری نسبت به رباتیک خدماتی رشد می‌کنند.

فضای ذوب آلومینیوم به طور ویژه‌ای برای اتوماسیون مناسب است، زیرا به فرآیند‌های مستمر و با شدت و غلظت بالا در محیط‌های خطرناک نیاز دارد که نیازمند دقت و تکرارپذیری هستند. بر خلاف تصفیه آلومینا که به صورت شیمیایی انجام می‌شود، ذوب آلومینیوم یک فرآیند الکتروشیمیایی انرژی‌بر است، این فرآیند احتمال ریسک و لزوم اتوماسیون را توامان نشان می‌دهد.

«پراسانا لاکشمی» تحلیل‌گر گلوبال دیتا ماینینگ (GlobalData mining) می‌گوید: به‌ کارگیری رباتیک خودکار در ذوب آلومینیوم، یک تغییر استراتژیک آگاهانه است، نه یک رویداد تصادفی؛ این تغییر برآمده از آمیزش منحصر‌به‌فرد صنعت با خطرات شدید حرارتی و امور پی در پی بسیار دقیق مانند آنُدکاری و ریختن فلز مذاب است و سیستم‌های رباتیک می‌توانند تا ۱۰ برابر سریع‌تر از نیروی کار دستی در این امور عمل کنند.

راهکار‌های اتوماسیون و رباتیک اکنون محیط ذوب را ارتقا داده و انسان‌ها را از خطرناک‌ترین فضا‌ها حذف کرده‌اند؛ با این حال، چالش‌های پاتروم آلومینیوم، نوآوری را به کاری دشوار تبدیل کرده است.

بهبود محیط کار: رباتیک، ذوب آلومینیوم را ایمن‌تر می‌کند

ذوب آلومینیوم خطرناک است. طبق گزارش انجمن آلومینیوم، در سال ۲۰۲۴، ۱۴۱ حادثه انفجار گزارش شده است، از جمله دو انفجار فورس ۳ (حوادث صنعتی فاجعه‌بار).

«فور بیتی» می‌گوید: اتاق ذوب یک محل کار واقعاً خطرناک است. او همچنین به خطر ناشی از فشار گرما، بلند کردن اجسام سنگین، وضعیت‌های نامناسب بدنی، خطرات ناشی از فعالیت‌های مشترک روزانه بین اپراتور‌های جرثقیل و زمینی و قرار گرفتن مداوم در معرض انتشار فلوراید و ذرات معلق از جمله هیدروفلوروکربن‌ها و پرفلوروکربن‌ها اشاره می‌کند.

ذوب آلومینیوم معمولاً از طریق روش هال-هِرولت انجام می‌شود. دما از ۹۰۰ درجه سانتیگراد فراتر می‌رود، بخارات می‌توانند سرطان‌زا باشند و فلوراید هیدروژن، دی‌اکسید گوگرد و ذرات ریز (آلومینا و فلورایدها) می‌توانند باعث تحریک مشکلات تنفسی از جمله «آسم پتروم»، بیماری انسدادی مزمن ریوی و برونشیت شوند. پتروم‌ها همچنین جریان‌های الکتریکی بالایی دارند که میدان‌های مغناطیسی به اندازه کافی قوی ایجاد می‌کنند تا بر ضربان‌ساز‌ها تاثیر بگذارند.

رباتیک به طور فزاینده‌ای برای خودکارسازی امور پرخطر و تکرارشونده مانند بهره‌برداری از کوره و مسدود کردن کوره، حذف سرباره، جداسازی کاتد، نواحی جابه‌جایی الکترود و تعویض و تعمیر آند به کار گرفته می‌شود.

تعویض و تعمیر آند یکی از خطرناک‌ترین کار‌ها در دیگ ذوب است. بلوک‌های بزرگ کربنی باید از دیگ ذوب خارج شوند که باعث قطع اتصال الکتریکی و در نتیجه پرش ناگهانی ولتاژ و قوس موضعی می‌شود. این امر منجر به باز شدن مدار پات‌لاین می‌شود که می‌تواند باعث انفجار شود.

اپراتور‌ها به طور فزاینده‌ای به دنبال حذف کامل انسان‌ها از محیط کار هستند. ریوتینتو (Rio Tinto) یک سیستم رباتیک خودکار برای تعمیر آند یوک در کارخانه ذوب تیوای پوینت (Tiwai Point) خود در نیوزیلند مستقر کرده است و از بازوی رباتیک جوشکاری و یک ربات جابه‌جایی برای بارگیری و استقرار هر یوک استفاده می‌کند.

سایت تیوای (Tiwai) آلومینیوم کم‌کربن را عمدتاً با استفاده از نیروی برق آبی تولید می‌کند. این فناوری توسط شرکت جوشکاری رباتیک اتوآ (Autoa Robot Welding) مستقر در استرالیا ارائه شده است و شامل حسگر ارتفاع خودکار و تشخیص درز است تا سیستم را قادر سازد با تغییرات اندازه یوک کنار بیاید.

«مت فیشر» مدیرعامل اتوآ، به ماینینگ تکنولوژی توضیح می‌دهد که «بخش عمده‌ای از آنچه ربات‌ها می‌توانند ارائه دهند، مربوط به ایمنی و دور کردن افراد از مسیر آسیب است، چه این آسیب ناشی از دود و بخار باشد، چه جابه‌جایی دستی یا گرما».

ربات‌های شرکت اتوآ با نگهداری از سازه‌های ویژه ذوب آلومینیوم، انسان‌ها را از محیط کاری خطرناک دور می‌کنند. منبع: شرکت آتوا ربات وِلدینگ

تعویض آند نیز به همین ترتیب خطرناک است. آند‌ها هر ۲۷ روز یک‌بار تعویض می‌شوند و این فرآیند شامل دستکاری بلوک‌های بزرگ کربن در یک محیط داغ، دارای بار الکتریکی و از نظر شیمیایی خورنده است. مهم‌ترین خطر در قوس الکتریکی و انفجار است، اما دمای بالا و مواد سرطان‌زا نیز خطر جانی ایجاد می‌کنند.

به گفته بیتی، این ریسک همان چیزی است که تعویض آند را به یک مورد تجاری قدرتمند برای راه‌حل‌های ذوب رباتیک خودکار و همچنین نقطه تمرکز آلومات‌آی‌کیو تبدیل می‌کند. «تکرار و قابل پیش‌بینی بودن این کار، آن را به طور بدیهی برای اتوماسیون مناسب می‌کند و امتیازات ایمنی آن فوری و ملموس است.»

متعادل‌سازی محاسبات: راهکار‌های خودکار بازدهی مقرون به صرفه‌ای را ارائه می‌دهند

اگرچه ایمنی همیشه از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود، اما ترازنامه شرکت الزاما بر تصمیم‌ها و تصویب‌ها تاثیر خواهد گذاشت.

لاکشمی اظهار کرد: در حالی که اولویت اصلی انسان ایمنی است، موتور عملیاتی، بهره‌وری است و در نهایت، سیستم‌های ذوب یک تصمیم مالی هستند: هزینه اولیه هنگفت تنها به این دلیل توجیه می‌شود که منجر به صرفه‌جویی‌های بلندمدت از طریق کاهش ضایعات، کاهش مصرف انرژی و بازیابی بیشتر مواد معدنی می‌شود و کارخانه را هم ایمن‌تر و هم سودآورتر می‌کند.

کاهش مصرف انرژی برای اپراتورها، به ویژه در شرایط عدم قطعیت ژئوپلیتیکی کنونی که به بی‌ثباتی تامین انرژی و افزایش هزینه‌ها منجر می‌شود، بسیار مهم است. در طول جنگ ایران که در ۲۸ فوریه آغاز شد، نفت خام برنت نوسانات شدیدی را تجربه کرد و عمدتاً بین ۹۶ تا ۱۲۰ دلار در هر بشکه معامله می‌شد و این اتفاق بر هزینه‌های برق تاثیر گذاشته است.

فرآیند ذوب آلومینیوم هال-هرولت بسیار انرژی‌بر است. این فرآیند شامل حل کردن آلومینای خالص در کریولیت مذاب و اعمال جریان الکتریکی ۴۰۰ کیلوآمپر در دمای حدود ۹۵۰ درجه سانتیگراد می‌شود.

این فرآیند حدود ۱۴ مگاوات ساعت برق به ازای هر تن آلومینیوم مصرف می‌کند و بیشتر کارخانه‌های ذوب سالانه بین ۱۰۰ هزار تا ۵۰۰ هزار تن تولید دارند. تولید کارخانه ذوب تیوای‌پوینت در ژوئن ۲۰۲۵ به ۳۳۵ هزار تن آلومینیوم در سال افزایش یافت که مصرف انرژی آن را معادل کمی کم‌تر از دو برابر مصرف سالانه شهر منچستر در انگلیس می‌کند.

انرژی هدررفته، سرمایه هدررفته است، بنابراین راهکار‌هایی که دقت و قابلیت تکرار را ارتقا می‌دهند، برای سودآوری ضروری هستند. فیشر می‌گوید: این مربوط به تکرّر است […] شما تغییرات را حذف می‌کنید که به بهره‌وری و سود خالص شرکت منجر می‌شود.

همچنین برای کاهش مصرف انرژی و در نتیجه مخارج سرمایه‌ای، نگهداری دقیق موردنیاز است.

فیشر می‌گوید: راهکار‌های تعمیر و نگهداری روبنای شرکت اتوآ برای افزایش راندمان کارخانه ذوب طراحی شده‌اند، زیرا اگر روبنا را تعمیر یا نگهداری نکنید، شاهد افت ولتاژ و افزایش مصرف برق برای تولید همان کیلوگرم آلومینیوم خواهید بود.

در آلومات‌آی‌کیو، اتوماسیون در قالب کاهش نیروی کار شکلی از بهره‌وری را دارد.

بیتی می‌گوید: ربات، چرخه تعویض آند را از ۲۵ به ۱۵ دقیقه برای هر آند و از سه اپراتور به یک اپراتور کاهش می‌دهد.

او می‌افزاید: خطا‌های قرارگیری آند که اکنون ۲۴ تا ۷۲ ساعت طول می‌کشد تا از طریق سیستم کنترل پات آشکار شوند، با قابلیت تکرار خودکار و مستمر از بین می‌روند.

سیستم تعویض آند رباتیک آلومات‌آی‌کیو سریع‌تر از اپراتور‌های انسانی است و به کارگران کم‌تری نیاز دارد. منبع: شرکت آلومات‌آی‌کیو

خارج از حوزه آلومینیوم، سایر کارخانه‌های ذوب از طریق اتوماسیون افزایش قابل توجه بهره‌وری را تجربه می‌کنند. کارخانه ذوب کِنِکات ریوتینتو، در عملیات یکپارچه خود در یوتا روش دستی استخراج فلز مذاب را با رباتیک خودکار و کنترل از راه دور جایگزین کرده است، این کارخانه یکی از تنها دو کارخانه ذوب مس ایالات متحده و تولیدکننده مواد معدنی حیاتی از جمله مس و تلوریوم است.

در همین حال، در چین، شرکت بائواستیل (Baosteel) یک کارخانه کاملاً خودکار را در شانگهای راه‌اندازی کرده است که در آن ربات‌های مجهز به هوش مصنوعی، صفر تا صد تولید را انجام می‌دهند.

اتوماسیون ذوب: بازاری ضروری، اما اشباع نشده

کاربرد تجاری رباتیک ذوب رو به افزایش است. بیتی می‌گوید: فرصت بازار قابل توجه است. تعداد زیادی جرثقیل مخصوص جابه‌جایی دیگ در کارخانه‌های ذوب فقط در اروپا و آمریکای شمالی نصب شده است و بازار قابل توجهی برای راهکار‌های خودکار تعویض آند به ارزش چندین میلیارد دلار وجود دارد.

با این حال، این فرصت به دلیل دشواری‌اش است که مورد توجه قرار گرفته، ربات‌های موردنیاز در محیط‌های ذوب، به دلیل الزامات فنی پیچیده، حوزه‌ای نسبتاً اشباع نشده هستند. راهکار‌ها باید شامل مجموعه‌ای از حسگر‌ها باشند که بتوانند در گرمای شدید، گرد و غبار ساینده و میدان‌های الکترومغناطیسی قدرتمند با اطمینان خاطر عمل کنند.

بیتی می‌گوید: محیط پات‌روم آنقدر نامساعد است که ربات‌های صنعتی استاندارد به سادگی در آنجا کار نمی‌کنند. موانع فنی جدی برای ورود وجود دارد و الزامات زیادی مورد نیاز است.

او می‌افزاید: الزامات منحصر‌به‌فرد ذوب آلومینیوم، این بازار را به بازاری تبدیل می‌کند که نیازمند تخصص فراوان است.

برای پیشبرد پیشنهادات فنی و دستیابی به اتوماسیون در مقیاس گسترده، سرمایه‌گذاری قابل‌توجهی مورد نیاز است و جریان این سرمایه‌گذاری تاکنون کند بوده است. این امر به ویژه در مناطقی که نیروی کار ارزان و مقررات ایمنی محدود هستند و در نتیجه تمایل کم‌تری برای خودکارسازی وجود دارد، کندتر بوده است.

با این حال، اروپا و آمریکای شمالی برای حفظ رقابت، به راهکار‌های ذوب رباتیک خودکار نیاز اوراژانسی دارند. آلومات‌آی‌کیو تمایل خاصی از سوی ذوب‌کاران اروپایی دریافت کرده است و بیتی نروژ، ایسلند و آلمان را به عنوان پیشگامان این فناوری معرفی می‌کند. در همین حال، اتوآ می‌گوید که در استرالیا، کانادا، آرژانتین، مصر و قطر فعالیت داشته است.

فیشر می‌گوید: در جا‌هایی که استقبال از ربات‌ها وجود داشته، این ربات‌ها «عموماً با اشتیاق» مورد استقبال قرار گرفته‌اند.

او خاطرنشان می‌کند: اگر کارمندان ببینند که این ربات‌ها با انجام کار‌های کسل‌کننده و کثیف و از بین بردن خطر برای آنها، زندگی‌شان را بهبود می‌بخشند، آنها نیز ربات‌ها را پذیرفته و به کار خواهند گرفت.

با وجود رویکرد مثبت و اشتیاق گسترده، موانعی برای به‌ کارگیری راه‌حل‌های رباتیک خودکار در بخش ذوب آلومینیوم و فراتر از آن وجود دارد، از جمله این موانع تخریب حسگر‌ها در محیط‌های صنعتی بسیار سخت و همچنین ناهماهنگی بین پتانسیل فناورانه و قابلیت‌های فعلی هستند. این امر به ویژه در مورد هوش مصنوعی صادق است که می‌تواند اتوماسیون را به سمت آزادی عمل سوق دهد، اما تنها زمانی که قابلیت‌های آن برای واکنش به سناریو‌های غیرقابل‌پیش‌بینی کافی باشد.

در نهایت، اتوماسیونِ کامل، محتمل است، اما موانعی وجود دارد. بیتی می‌گوید: دستیابی به پات‌روم سیاه [‌پات‌رومی که کاملاً خودکار باشد] نه تنها به اتوماسیون قوی با استاندارد حرفه‌ای نیاز دارد بلکه در آن ادغام سیستم‌های تصمیم‌گیری مبتنی بر هوش مصنوعی که قادر به تفسیر تغییرپذیری فرآیند و سازگاری در لحظه باشند، ضروری است.

او می‌افزاید که آلومات‌آی‌کیو ترجیح می‌دهد در مورد زمان‌بندی واقع‌بین باشد تا خیال‌پرداز.