將6σ和PLC技術相結合運用于高爐生產的提出

張 璟

(本鋼板材股份有限公司，遼寧 本溪117000)

自動化控制已廣泛的應用在鋼鐵工業(yè)的各個生產工序中，可用于設定與控制、生產計劃的安排與調整，以及設備診斷、監(jiān)測、學習等方面［1］。近年來，隨著鋼鐵冶金行業(yè)的迅猛發(fā)展，增加了自動化技術的應用壓力，也提供了發(fā)展條件，而冶金行業(yè)已完全離不開自動化技術的支撐，二者相輔相成［2，3］。高爐是一個密閉設備，高爐生產是十分復雜的物理化學過程，必須依賴自動化控制才能實現(xiàn)生產。高爐生產不僅僅限于實現(xiàn)簡單的控制功能，而需要運用先進的控制理論和思想，實現(xiàn)高爐煉鐵的智能控制，使其能夠高效、穩(wěn)定地生產，更好地解決生產中的重生產輕能耗的瓶頸問題。

計算機技術的自動化控制系統(tǒng)在高爐控制中得到了巨大的利用，當今，“高爐專家系統(tǒng)”和高爐數(shù)學模型廣泛使用于各大高爐，很好地實現(xiàn)了高爐智能控制，為高爐穩(wěn)定順產、節(jié)能降耗提供了保障。本文提出一種新思路，利用6σ技術結合自動化控制技術來實現(xiàn)高爐生產重要參數(shù)的智能調控，以達到高爐穩(wěn)定順產，為生產提供一定的參考和借鑒。

1 6σ簡介

1.1 6σ

6σ作為新時代的產物應運而生，6σ管理是一種以顧客為中心，以質量經濟性為原則，以數(shù)據(jù)為基礎，采用統(tǒng)計技術、優(yōu)化技術分析流程中影響質量的關鍵因素并加以改進，降低劣質成本，減少質量波動，優(yōu)化資源利用，追求以更少的資源和更低的成本提供更好的產品和服務，從而不斷提高質量競爭力［4－7］。Minitab是6σ管理方法中最常用的軟件之一，它可以滿足6σ管理各個階段的數(shù)據(jù)處理。它可幫助使用者進行常用統(tǒng)計分析、質量控制以及實驗設計等，為使用者提供了準確、實用的實現(xiàn)工具。Minitab軟件具有全方面的統(tǒng)計工具，幾乎包含了統(tǒng)計學中所有的數(shù)據(jù)處理功能，其中如比率檢驗、參數(shù)假設檢驗、相關與回歸分析、探索性數(shù)據(jù)分析、變異源分析、多元統(tǒng)計分析等，另外，它的強大的質量分析能力被人們所推崇，如測量系統(tǒng)分析、可靠性分析、統(tǒng)計過程控制、試驗設計等。

1.2 6σ在冶金領域中的應用

6σ數(shù)學管理法最受鋼鐵企業(yè)歡迎，已經廣泛應用于冶金領域中，我國太鋼、寶鋼、鞍鋼、武鋼、唐鋼等各大鋼企早已成功引進六西格瑪，在節(jié)能減排、降低成本等方面取得很大成果。

如寶鋼股份公司建立和實施了6σ項目，從而解決了生產和經營過程中的重點問題和難點問題。這些項目包括過程和產品質量改進、縮短生產流程周期、提高產業(yè)生產能力、節(jié)約成本、降低消耗以及提高效率等方面，具體如下:(1)制造部通過6σ管理法將2030罩式爐平均裝爐量由原有的每爐86.8t提高到90t，為企業(yè)創(chuàng)造了500多萬元的經濟效益。(2)冷軋廠通過6σ管理法使斑跡改判率由原來的1.3%下降到0.596%，降下了0.7%。(3)熱軋廠通過6σ管理法使得1580軋線的軋制節(jié)奏由原來的123.6s縮短到119.8s，而且軋制每塊鋼樣的時間也縮短了3.8s，為企業(yè)創(chuàng)造了八百多萬元的經濟效益［8］。

太原鋼鐵集團要將企業(yè)締造成世界最具競爭的產業(yè)內，力求質量完美的不銹鋼，將6σ管理作為技術支撐和改進的重要手段。為提高企業(yè)的綜合競爭力，太鋼從生產規(guī)模、產品種類、產品質量、生產成本、生產效率、售后服務和節(jié)能環(huán)保等方面入手，努力打造不銹鋼品牌，為成為世界一流的不銹鋼企業(yè)為奮斗。通過以6σ管理技術為支撐，建立多項改進體系和改進項目，在企業(yè)大力推廣6σ技術，促進了太鋼產品質量的提升，如不銹鋼冷軋板、不銹鋼熱軋中板、冷軋硅鋼等重點產品質量指標水平不斷提高，且呈不斷上升趨勢［9］。

唐山鋼鐵公司通過6σ管理技術，使得高爐鐵水中硅含量控制在穩(wěn)定水平，通過分析并確定影響鐵水硅含量的主要參數(shù)，并控制這些主要參數(shù)以此穩(wěn)定鐵水中硅含量，達到爐內熱狀態(tài)，為高爐穩(wěn)定順行提供了保障。

鞍山鋼鐵公司利用6σ管理技術對高爐生產重要參數(shù)進行分析，確定出哪些重要參數(shù)不穩(wěn)定，并采取相應措施將其穩(wěn)定，為高爐穩(wěn)定順產提供了保障［10］。

2 將6σ結合PLC技術運用于高爐生產

6σ之所以備受各大企業(yè)所歡迎，是因為6σ以數(shù)據(jù)為基礎，采用統(tǒng)計技術、優(yōu)化技術分析流程中影響質量的關鍵因素并加以改進，降低劣質成本，減少質量波動，優(yōu)化資源利用。6σ改進過程包括定義、測量、分析、改進和控制五大步驟，即確定需要改進的因變量Y(目標值)，收集現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)，分析并確定出哪些是影響因變量Y的關鍵質量因素，并通過控制關鍵質量因素來改進因變量Y。例如高爐主要經濟技術指標有很多，如焦比、燃料比等，本文舉例說明利用6σ分析某高爐煤氣利用率的具體步驟如下。

首先收集某高爐近期現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)(現(xiàn)場生產統(tǒng)計的所有參數(shù))，將數(shù)據(jù)分為7組，做煤氣利用率的控制圖如圖1所示。

從圖1可以看出，6、7組數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，煤氣利用率大幅降低，波動較大。分析其波動原因，利用魚骨圖、因果矩陣分析和失效模式分析初步得到影響煤氣利用率的因素有焦比、煤比、風量、富氧率、風溫、爐頂壓力，壓差、礦石品位和理論燃燒溫度。通過方差分析、回歸分析進一步確定影響煤氣利用率的主要因素為焦比、風溫和風壓?？芍簹饫寐实拇蠓档褪巧a過程中焦比、風溫及風壓的波動所引起，并可以通過試驗設計(DOE)來確定焦比、風溫及風壓在什么水平波動，使得煤氣利用率期望值較好或較穩(wěn)定，見圖2、圖3所示。

由圖2、圖3可知，焦比在310kg/t水平左右，風溫在1 190℃水平左右，風壓在385kPa水平左右，煤氣利用率較穩(wěn)定，且焦比、風溫較高，風壓較低更有利于煤氣利用率的提高。

如上，通過6σ對高爐重要參數(shù)進行分析，并給出改善或穩(wěn)定重要參數(shù)的方法，以此穩(wěn)定高爐生產。然而，大多鋼企僅限將6σ用于離線分析，即抽取近期現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)利用6σ對重要參數(shù)進行分析，僅反映出高爐前一時刻的生產動態(tài)，不能及時在線反映、判斷高爐的生產狀況和動態(tài)。PLC是一種以微處理器為核心的控制器，它將自動控制、計算機技術以及通信技術融合在一起，為高爐冶煉提供程序化的控制方式，通過PLC進行編程模擬和控制，來改變生產過程中的工藝參數(shù)［11］。因此，本文提出將6σ分析過程進行編程并結合PLC技術形成一個分析控制系統(tǒng)，對高爐現(xiàn)場生產數(shù)據(jù)進行實時在線分析，并對某些生產參數(shù)及時調控，有利于高爐穩(wěn)定順產，為現(xiàn)場生產給出一定的參考和借鑒。

圖1 煤氣利用率的單值控制圖

圖2 DOE試驗分析設計表

圖3 DOE試驗分析主效應圖

3 結語

自動化控制技術是高爐生產不可或缺的一部分，本文介紹了6σ在冶金的應用現(xiàn)狀，舉例說明如何利用6σ分析高爐重要生產參數(shù)，并提出利用6σ結合PLC技術對高爐生產重要參數(shù)進行在線分析和調控，為現(xiàn)場生產提供一定的指導和借鑒。

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