六西格瑪管理工具在降低酸再生煤氣能耗中的應(yīng)用

張志偉，王佳興

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200）

1 六西格瑪管理介紹

六西格瑪是一套系統(tǒng)的流程管理體系，它通過(guò)對(duì)現(xiàn)有流程進(jìn)行定義（define）、測(cè)量（measure）、分析（analyze）、改進(jìn)（improve）、控制（control），發(fā)現(xiàn)流程缺陷并對(duì)缺陷進(jìn)行改善，從而達(dá)到生產(chǎn)流程零缺陷、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、增加企業(yè)利潤(rùn)、滿足客戶需求的目的，全面提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

DMAIC 是目前六西格瑪改善現(xiàn)有流程應(yīng)用的最廣泛的一種方法，它是六西格瑪管理的靈魂，是開(kāi)展一切管理活動(dòng)的基礎(chǔ)。與全面質(zhì)量管理TQM復(fù)雜的計(jì)算公式和方法相比，DMAIC 方法更加系統(tǒng)、簡(jiǎn)單，能快速發(fā)現(xiàn)流程中的缺陷。DMAIC 是六西格瑪各階段定義的英文縮寫(xiě)：D 就是定義Define、M 是測(cè)量Measure、A 是分析Analyze、I 是改善Improve、C 是控制Control[2]。

2 六西格瑪管理在降低酸再生煤氣能耗中的應(yīng)用

2.1 定義階段

2.1.1 項(xiàng)目背景

冷軋酸再生工藝的核心是以酸洗鋼板的廢酸為原料，經(jīng)過(guò)脫硅、凈化、濃縮處理后，通過(guò)噴槍將凈化后的廢酸噴入焙燒爐內(nèi)，廢鹽酸在焙燒爐內(nèi)的噴淋高溫狀態(tài)下與水、氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成氧化鐵粉和鹽酸氣體，鹽酸氣體在吸收塔內(nèi)經(jīng)洗滌水循環(huán)噴淋吸收，使再生酸濃度達(dá)到18%后，補(bǔ)充到酸洗線循環(huán)使用。采用噴霧焙燒法鹽酸再生原理，既解決了廢酸污染環(huán)境問(wèn)題，又生成了高附加值副產(chǎn)品氧化鐵粉，為首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司（以下簡(jiǎn)稱公司）創(chuàng)造了巨大效益。近年來(lái)，由于全國(guó)鋼鐵行業(yè)市場(chǎng)持續(xù)疲軟，鋼材價(jià)格直線下降，給公司的經(jīng)營(yíng)管理帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。作為公司的每一名員工，都應(yīng)該冷靜的面對(duì)當(dāng)前的不利局勢(shì)，在自己的領(lǐng)域內(nèi)集思廣益，為公司的降本增效出謀劃策。

酸再生站的運(yùn)營(yíng)成本主要包含三大類(lèi)：工序能耗、備材消耗和人工費(fèi)用。其中，工序能耗費(fèi)用占總運(yùn)營(yíng)成本的66%左右，有降低的潛力和空間。酸再生工序能耗由煤氣、電、脫鹽水、壓縮空氣、蒸汽五種能源介質(zhì)按規(guī)定的折算系數(shù)求和而得。煤氣是焙燒爐燒嘴的燃料，目前處理每立方米廢酸平均消耗煤氣168.85 m3，消耗量占整個(gè)工序能耗的83.5%左右，與同類(lèi)型標(biāo)桿企業(yè)相比還存在差距，降低煤氣消耗量從而減少酸再生站的整體運(yùn)營(yíng)成本迫在眉睫。

2.1.2 項(xiàng)目范圍

項(xiàng)目范圍包括項(xiàng)目的最終流程輸出，以及影響輸出的全部輸入因子。項(xiàng)目范圍的確定意義重大。指出了哪些是項(xiàng)目的重點(diǎn)研究對(duì)象，哪些輸入可以不必關(guān)注，既避免了項(xiàng)目范圍過(guò)大無(wú)能力完成又避免了范圍過(guò)小浪費(fèi)資源的現(xiàn)象。本項(xiàng)目的主要研究對(duì)象為煤氣，公司把項(xiàng)目研究范圍聚焦在噴霧焙燒的整個(gè)過(guò)程。

2.2 測(cè)量階段

2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)分析

煤氣測(cè)量表、廢酸流量計(jì)每年由專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢定、校驗(yàn)并提供檢定證明，保證計(jì)量表的準(zhǔn)確性。煤氣消耗、廢酸處理量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)是通過(guò)PDA 采集的，現(xiàn)場(chǎng)儀表和各種傳感器數(shù)據(jù)通過(guò)帶屏蔽的信號(hào)傳送給PLC，PLC 經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳送給PDA 數(shù)據(jù)采集卡，從而通過(guò)工程師站上的PDA 軟件顯示監(jiān)控的數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)儀表到PDA 數(shù)據(jù)只是一個(gè)數(shù)據(jù)傳送的過(guò)程，因此只要現(xiàn)場(chǎng)儀表采集的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，PDA 數(shù)據(jù)就是真實(shí)可信的。基于以上判斷，本項(xiàng)目的測(cè)量系統(tǒng)是準(zhǔn)確可信賴的。

2.2.2 篩選影響因子

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)從人、機(jī)、料、法、環(huán)五個(gè)方面通過(guò)“頭腦風(fēng)暴”魚(yú)骨圖法找出了影響煤氣消耗的33 個(gè)因子，如圖1 所示。

圖1 煤氣消耗影響因素圖

根據(jù)對(duì)煤氣消耗影響的重要程度（不會(huì)影響0分、較小影響1 分、較大影響3 分、嚴(yán)重影響9 分）進(jìn)行矩陣打分，根據(jù)二八原則，篩選出得分超過(guò)80%的14 個(gè)主要因子，進(jìn)入FEMA 失效分析階段，如圖2 所示。

圖2 影響因子的帕累托圖

在FMEA 階段，分別按影響因素引起煤氣消耗變化的重要性程度（9，6，3）、影響因素失效模式發(fā)生頻率（8，4，2）、現(xiàn)有控制計(jì)劃的探測(cè)能力（7，5，2）對(duì)每個(gè)影響因子進(jìn)行評(píng)分，三者的乘積就是每個(gè)影響因子的風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)，也叫RPN 值。對(duì)14 個(gè)影響因子的RPN值進(jìn)行帕累托分析，篩選出得分超過(guò)80%的9 個(gè)關(guān)鍵因子進(jìn)行改善，如圖3 所示。

圖3 風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)的帕累托圖

根據(jù)FMEA 分析結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)操作的可實(shí)現(xiàn)性，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先系數(shù)較大的X2、X6、X3、X7等4 項(xiàng)進(jìn)行快速改善，如表1 所示。對(duì)于失效原因無(wú)法確定的影響因子則在下一階段通過(guò)響應(yīng)優(yōu)化等方法確定失效原因并加以改善。

表1 快速改善的關(guān)鍵因子

DM階段結(jié)束后，找全所有影響因子，通過(guò)FMEA對(duì)全部因子進(jìn)行潛在失效模式分析，從中找到4 個(gè)快贏機(jī)會(huì)，并初步建立比較完善的管理規(guī)章制度，使流程進(jìn)一步穩(wěn)定，處理每立方米廢酸的煤氣消耗量由168.85 m3下降到160.07 m3，如圖4 所示。

圖4 煤氣消耗對(duì)比的單值控制圖

2.3 AI 階段

2.3.1 因子影響分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)DM 階段篩選出來(lái)的影響煤氣消耗的關(guān)鍵因子噴灑流量、爐頂溫度、爐底溫度、燒嘴溫度、空燃比進(jìn)行交互作用分析，如圖5 所示。從矩陣圖5 可以看出，燒嘴溫度、爐頂溫度、噴灑量、空燃比、爐底溫度及其交互作用對(duì)處理每立廢酸的煤氣消耗有顯著影響。

圖5 關(guān)鍵影響因子交互作用圖

對(duì)5 個(gè)關(guān)鍵影響因子進(jìn)行回歸分析，得出回歸方程：煤氣單耗=1 069-3.43×噴灑量-4.10×爐頂溫度+0.109 0×燒嘴溫度+0.018 18×噴灑量×噴灑量+0.005 08 爐頂溫度×爐頂溫度。從回歸方程可以看出，空燃比影響不明顯，其他各因子之間交互作用明顯。因此，下一步通過(guò)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)確定最佳工藝參數(shù)。

根據(jù)響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果，當(dāng)噴灑量為75 L/min，燒嘴溫度700 ℃，爐頂溫度400 ℃時(shí)，煤氣單耗能達(dá)到最小值，如圖6 所示。但現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際控制不可能精確到一個(gè)數(shù)值，是一個(gè)控制區(qū)間。公司對(duì)這3 個(gè)影響因子再次進(jìn)行等值線圖分析，根據(jù)等值線圖，當(dāng)噴灑量保持在80 L/min，燒嘴溫度在不高于715 ℃，爐頂溫度不高于420 ℃，煤氣消耗可顯著降低，如圖7 所示。

圖6 關(guān)鍵因子響應(yīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖

圖7 煤氣單耗等值線圖

當(dāng)噴灑流量控制在75～80 L/min、爐頂溫度控制在400～420 ℃、燒嘴溫度控制在700～715 ℃時(shí)，煤氣消耗穩(wěn)定降低。

2.3.2 效果驗(yàn)證

從控制圖可以看出，經(jīng)過(guò)AI 階段后，處理每立方米廢酸煤氣消耗出現(xiàn)顯著下降，由改善前的168.85 m3下降為155.52 m3，完成了預(yù)期目標(biāo)，如圖8 所示。根據(jù)計(jì)算，處理每立方米廢酸的煤氣消耗降幅為14 m3，煤氣成本0.6 元/m3，那么保守估計(jì)，以年處理廢酸7.8 萬(wàn)m3計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)年效益為66.6 萬(wàn)元。

圖8 煤氣消耗按時(shí)間單值控制圖

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次項(xiàng)目，學(xué)習(xí)和掌握了一套系統(tǒng)、科學(xué)的方法和工具，能夠更科學(xué)的解決今后工作中的問(wèn)題，有效提高了個(gè)人的工作方法和能力，降低了企業(yè)的運(yùn)行成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)為同類(lèi)型企業(yè)提供參考。