六西格瑪在終軋溫度控制中的應(yīng)用

◆秦紅波 徐 芳 胡 亮 / 文

前言

熱軋生產(chǎn)工藝中，終軋溫度直接影響產(chǎn)品力學(xué)性能和尺寸精度，且終軋溫度作為連接控制軋制和軋后控冷的橋梁，其控制精度和帶鋼通長(zhǎng)溫度均勻性為卷取溫度控制精度的基礎(chǔ)。

當(dāng)前鋼鐵市場(chǎng)低迷，行業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)激烈，提高產(chǎn)品質(zhì)量為占領(lǐng)市場(chǎng)的重要手段。一方面為控制內(nèi)部成本，需要降低質(zhì)量帶出品和提高產(chǎn)品成材率，另一方面下游工序?qū)彳埉a(chǎn)品性能質(zhì)量的要求越來(lái)越高，為縮小與先進(jìn)企業(yè)在終軋溫度控制命中率方面的差距，提高產(chǎn)品質(zhì)量，需要對(duì)影響因素進(jìn)行分析。由于影響因素很多，難以區(qū)分主次和改進(jìn)方向，為此應(yīng)用六西格瑪管理思想和方法對(duì)流程和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和改進(jìn)，達(dá)到提高軋制溫度控制精度和產(chǎn)品質(zhì)量的目標(biāo)。

1 六西格瑪簡(jiǎn)介

六西格瑪是用來(lái)描述在實(shí)現(xiàn)質(zhì)量改進(jìn)的目標(biāo)和過程中，以事實(shí)和數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用數(shù)據(jù)發(fā)掘問題、分析問題，然后加以改善，最終使企業(yè)在運(yùn)營(yíng)指標(biāo)方面達(dá)到最佳實(shí)踐效果，從而滿足客戶需求和實(shí)現(xiàn)企業(yè)利益最大化的、系統(tǒng)的、科學(xué)的方法。

六西格瑪作為一種先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析和管理模式，不僅通過管理大幅度提升產(chǎn)品質(zhì)量，增加顧客價(jià)值，提高效率和時(shí)長(zhǎng)響應(yīng)能力，而且以數(shù)據(jù)為支撐，消除生產(chǎn)環(huán)節(jié)的一切浪費(fèi)，以達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、改善質(zhì)量和降低成本、滿足客戶需求為目的的科學(xué)的、系統(tǒng)的管理方法。

2 項(xiàng)目開展

六西格瑪項(xiàng)目大多通過五個(gè)階段開展，即定義、測(cè)量、分析、改進(jìn)和控制階段。各階段之間邏輯清晰，相互關(guān)聯(lián)。

2.1 定義階段

終軋溫度，即FDT（Finish Mill Delivery Temperature）命中率是指精軋出口高溫計(jì)測(cè)量值與目標(biāo)設(shè)定在公差范圍內(nèi)所占的比率。終軋溫度命中率偏低會(huì)造成兩方面影響：一是影響卷取溫度控制精度；二是會(huì)直接導(dǎo)致質(zhì)量改判或廢品。無(wú)論是哪方面的影響，都對(duì)成本、生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量不利。

圖1 項(xiàng)目范圍（SIPOC）

項(xiàng)目范圍分析如圖1所示，熱軋主要流程工序：板坯庫(kù)上料、加熱爐、粗軋、精軋、卷取和成品庫(kù)，其中加熱爐、精軋和粗軋工序是控制終軋溫度命中率的關(guān)鍵。

FDT命中率y定義為月平均終軋溫度命中率，計(jì)算公式為：

通過對(duì)不同鋼種、不同規(guī)格終軋溫度命中率統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)不同厚度對(duì)應(yīng)的軋制溫度命中差異較大。統(tǒng)計(jì)2016年7～12月不同厚度區(qū)間的精軋終軋溫度命中率，平均為94.5%，其中目標(biāo)厚度在[9.0，16.0)、[1.2，3.4)、[16.0，25.4)范圍內(nèi)的命中率低于全年平均水平（94.5%），需要重點(diǎn)改進(jìn)。

圖2 厚度范圍占比Pareto圖

圖2為7～12月不同厚度區(qū)間軋制卷比例：厚度區(qū)間[16.0， 25.4]軋制卷數(shù)占總卷數(shù)的比例較小，不做研究。選擇厚度區(qū)間[1.2，3.4）、[3.4，9.0)和[9.0，16.0)進(jìn)行重點(diǎn)研究，并分別定義為y1、y2和y3。

將國(guó)內(nèi)先進(jìn)企業(yè)FDT控制水平97%作為極限目標(biāo)，項(xiàng)目需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)定為極限目標(biāo)與基線之間的60%，即96%，目標(biāo)分解到y(tǒng)1、y2和y3后需要分別提高到95.5%、94.43%和96.64%之后，項(xiàng)目目標(biāo)96%方可達(dá)成。

圖3 過程能力分析報(bào)告圖

2.2 測(cè)量階段

2.2.1 測(cè)量系統(tǒng)分析

終軋溫度測(cè)量由安裝在精軋機(jī)出口的兩個(gè)高溫計(jì)A和B共同測(cè)量。一般情況下，使用兩個(gè)高溫計(jì)的平均值作為測(cè)量結(jié)果使用。帶鋼長(zhǎng)度方向上每隔1米高溫計(jì)采樣一次，采樣值在FDT目標(biāo)值上下限范圍內(nèi)的數(shù)量除以所有采樣數(shù)，即為單卷FDT命中率。

高溫計(jì)A和B的測(cè)量點(diǎn)為帶鋼同一位置，兩者測(cè)量差值超出一定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)認(rèn)為檢測(cè)異常，需要檢查調(diào)整高溫計(jì)，儀表最大允許誤差為測(cè)量值的±1%，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 過程能力分析

以2016年12月份實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行二項(xiàng)過程能力分析，y的基準(zhǔn)值為目前控制精度平均值94.5%，命中率低于平均值的卷定義為不合格。

y的二項(xiàng)過程能力報(bào)告如圖3所示。

由P控制圖中可見，P均值為0.0847，樣本值均在上下限之間，流程較穩(wěn)定。σ水平為2.8744，流程能力有待進(jìn)一步提高。

2.2.3 流程分析

流程工序中，加熱爐、粗軋和精軋工序是影響終軋溫度命中率y的主要流程，采用流程變量圖法尋找影響因子。

如圖4所示，加熱爐工序查找出17個(gè)影響因子，粗軋工序查找出38個(gè)影響因子，精軋工序查找出25個(gè)影響因子，共計(jì)80個(gè)影響因子。其中，類型U表示不可控，C表示可控。

2.2.4 C&E矩陣分析

對(duì)板坯軋制過程中溫度變化因素進(jìn)行分析，包括熱對(duì)流、熱輻射、熱對(duì)流和時(shí)間。其中，熱對(duì)流指高溫板坯使周圍氣體溫度升高，除鱗水、冷卻水等落到板坯表面產(chǎn)生氣體，液體與氣體較熱部分和較冷部分循環(huán)流動(dòng)產(chǎn)生對(duì)流，該部分在C&E矩陣中計(jì)10分；熱輻射是指高溫板坯向外界輻射電磁波，導(dǎo)致板坯溫度損失，該部分在C&E矩陣中計(jì)4分；熱傳導(dǎo)是指高溫板坯軋制過程中與粗軋軋輥、精軋軋輥、輸出輥道等接觸發(fā)生熱量遷移，導(dǎo)致溫度變化，該部分在C&E矩陣中計(jì)3分；時(shí)間是指板坯軋制時(shí)間，該部分直接關(guān)系到熱量與外界的傳遞過程，在C&E矩陣中計(jì)8分。通過C&E矩陣篩選出21個(gè)影響因子進(jìn)行重點(diǎn)分析。

圖4 流程變量影響因子

2.2.5 失效模式分析

為了識(shí)別潛在失效模式并評(píng)估其影響的重要程度、識(shí)別關(guān)鍵特性的重要特性等，對(duì)關(guān)鍵流程的重要影響因子進(jìn)行失效模式分析，從嚴(yán)重性、發(fā)生頻率和可探測(cè)度進(jìn)行分析，以計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)有限指數(shù)。

圖5 數(shù)據(jù)收集計(jì)劃

根據(jù)失效后影響嚴(yán)重程度分為4檔，根據(jù)發(fā)生頻次分了7檔，根據(jù)探測(cè)難易程度分為了10檔。通過風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先數(shù)的計(jì)算，選出得分大于100的作為重要影響因子研究，并從中確立了8項(xiàng)快贏機(jī)會(huì)。

2.2.6 快贏機(jī)會(huì)

確定的8項(xiàng)快贏機(jī)會(huì)包括提高首輥期3+3模式投入比例、優(yōu)化穿帶速度上限、優(yōu)化穿帶速度下限、固化工藝水使用、優(yōu)化拋鋼速度下限、優(yōu)化卷取咬鋼速度上限、優(yōu)化調(diào)節(jié)閥比例和清理機(jī)架間冷卻水閥。

以優(yōu)化穿帶速度上限快贏改善為例。改善前，目標(biāo)厚度≤3.0mm規(guī)格穿帶速度上限為11m/s，當(dāng)目標(biāo)終軋溫度≥880℃時(shí)，穿帶速度達(dá)到上限后帶鋼頭部溫度仍偏低；改善后，視目標(biāo)寬度不同將穿帶速度上限提高至11.5～11.9m/s，頭部溫度偏差縮小10～15℃，目標(biāo)厚度范圍2.0～3.0mm規(guī)格頭部終軋溫度基本命中在目標(biāo)下限范圍內(nèi)。

圖6 牌號(hào)SPHC化學(xué)成分含量點(diǎn)圖

圖7 加熱爐工序因子相關(guān)性分析

2.3 分析改進(jìn)階段

分析改進(jìn)階段首先制定了數(shù)據(jù)收集計(jì)劃，對(duì)分析因素、X與Y的關(guān)系、分析工具、收集場(chǎng)所、收集者及計(jì)劃完成時(shí)間進(jìn)行了明確，圖5為數(shù)據(jù)收集計(jì)劃。

2.3.1 化學(xué)分成波動(dòng)影響分析

以SPHC為例，對(duì)2018年5月份牌號(hào)為SPHC的化學(xué)成分C、Si、Mn和P含量進(jìn)行點(diǎn)圖分析，如圖6所示，可以看出同一牌號(hào)的主要化學(xué)成分存在較大差異。

控制模型設(shè)定參數(shù)以及自學(xué)習(xí)更新均以鋼種族及材料代碼作為主鍵索引，鋼種族及材料代碼根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算得出。當(dāng)成分變化超出臨界值時(shí)，鋼種族及材料代碼跳變引起控制參數(shù)和自學(xué)習(xí)值變化，最終影響終軋溫度命中率。

圖8 響應(yīng)優(yōu)化器及等值線圖

化學(xué)成分波動(dòng)在熱軋工序不可控，可通過固化鋼種族避免鋼種族跳變和優(yōu)化鋼種族判斷的成分臨界點(diǎn)，使同一牌號(hào)的鋼種族更趨于穩(wěn)定，提高終軋溫度控制命中率。

2.3.2 關(guān)鍵因子相關(guān)性分析

通過Mintab軟件對(duì)出爐溫度、粗軋出口溫度（RDT）、RDT標(biāo)準(zhǔn)差和終軋溫度命中率做相關(guān)性分析，Pearson相關(guān)系數(shù)P值均小于0.05，說明出爐溫度、RDT和RDT標(biāo)準(zhǔn)差與終軋溫度命中率均相關(guān)，需要進(jìn)一步做多項(xiàng)式回歸分析。

由于RDT標(biāo)準(zhǔn)差與終軋溫度命中率相關(guān)。在判斷加熱爐工序關(guān)鍵因子相關(guān)性時(shí)，將RDT標(biāo)準(zhǔn)差作為響應(yīng)變量進(jìn)行分析。分析結(jié)果如圖7所示，RDT標(biāo)準(zhǔn)差與均熱時(shí)間、出爐溫度Pearson相關(guān)系數(shù)P小于0.05，說明RDT標(biāo)準(zhǔn)差與這兩項(xiàng)因子相關(guān)，需要進(jìn)一步做多項(xiàng)式回歸分析。

圖9 MAI階段措施匯總

經(jīng)過多項(xiàng)式回歸分析，得出回歸函數(shù)，并通過響應(yīng)優(yōu)化器計(jì)算等值線圖，終軋溫度命中率與RDT標(biāo)準(zhǔn)差、RDT的響應(yīng)優(yōu)化器和等值線圖、RDT標(biāo)準(zhǔn)差與均熱段時(shí)間、出爐溫度的響應(yīng)優(yōu)化器和等值線圖如圖8所示。

圖 8（a）中，當(dāng)R D T為1044.23℃、RDT標(biāo)準(zhǔn)差為2.734時(shí)，終軋溫度命中率可達(dá)到最優(yōu)值100%。圖8（b）中，利用等值線圖獲取了終軋溫度命中率達(dá)到目標(biāo)95.8%時(shí)，關(guān)鍵因子RDT和RDT標(biāo)準(zhǔn)差的控制范圍。

根據(jù)終軋溫度命中率與RDT標(biāo)準(zhǔn)差多項(xiàng)式分析，得出RDT標(biāo)準(zhǔn)差控制范圍為[3.62，9.25]，如圖8（c）所示，利用響應(yīng)優(yōu)化器可得出最優(yōu)的出爐溫度和均熱段時(shí)間。但實(shí)際控制中RDT標(biāo)準(zhǔn)差得到最優(yōu)時(shí)所需的成本較高，故仍需利用等值線圖給出加熱爐流程合理控制范圍。圖8（d）為利用重疊等值線圖可獲取加熱爐流程控制的合理范圍。

另外，出爐溫度在逐步多項(xiàng)式分析時(shí)被剔除，是由于出爐溫度已經(jīng)控制在較穩(wěn)定范圍，所以從多項(xiàng)式分析對(duì)終軋溫度命中率影響不顯著，后續(xù)仍需要加強(qiáng)管理，保證出爐溫度在穩(wěn)定范圍。

圖10 改進(jìn)前后終軋溫度命中率控制圖

2.4 控制階段

控制階段是將前期工作的成果文件化、標(biāo)準(zhǔn)化和制度化的過程，包括改善措施匯總、執(zhí)行控制計(jì)劃、文件標(biāo)準(zhǔn)化、項(xiàng)目指標(biāo)跟蹤和項(xiàng)目收益計(jì)算等。

2.4.1 改善措施匯總

改善措施匯總?cè)鐖D9所示，其中前三項(xiàng)為MAI階段篩選出的措施，后五項(xiàng)為MAI階段快贏措施。

2.4.2 控制計(jì)劃及文件標(biāo)準(zhǔn)化

按照控制變量、控制要求、測(cè)量方法、頻率、控制方法、反應(yīng)計(jì)劃及責(zé)任人制定了詳細(xì)的控制計(jì)劃。例如控制計(jì)劃1中變量為首輥期3+3模式投入比例，要求是R1/R2換輥后3塊之內(nèi)可使用3+5模式，其余使用3+3模式，測(cè)量方法為手動(dòng)調(diào)整，頻率為換輥周期，控制方法為從粗軋二級(jí)HMI上監(jiān)控，反應(yīng)計(jì)劃為操作工從HMI上設(shè)置更改軋制模式，責(zé)任人為粗軋操作。

編制了《控制模型參數(shù)維護(hù)手冊(cè)》，詳細(xì)描述了鋼種族的維護(hù)方法、穿帶速度及運(yùn)行速度維護(hù)方法等；制定各牌號(hào)對(duì)應(yīng)的《操作要點(diǎn)》、《熱系、冷系產(chǎn)品加熱工序技術(shù)通知單》等，根據(jù)鋼種牌號(hào)及規(guī)格規(guī)定了出鋼溫度、均熱時(shí)間等影響因子。

2.4.3 項(xiàng)目指標(biāo)跟蹤

項(xiàng)目改善前、實(shí)施中DM階段及AIC階段終軋溫度命中率y、y1、y2和y3對(duì)比圖如圖10所示，終軋溫度命中率由改善前的94.5%提高到96.18%，超出了96%的項(xiàng)目目標(biāo)值。

3 結(jié)語(yǔ)

通過提高終軋溫度命中率項(xiàng)目開展，減少了協(xié)議品和切損；項(xiàng)目期間取得了39.27萬(wàn)元直接經(jīng)濟(jì)收益，核算年收益可達(dá)126萬(wàn)元。

通過項(xiàng)目，找到了一種依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行過程管理、以流程為中心進(jìn)行過程控制的方法，培養(yǎng)了精細(xì)管理的意識(shí)和思維。通過依據(jù)數(shù)據(jù)及以流程為中心進(jìn)行過程管理，還可以發(fā)現(xiàn)很多傳統(tǒng)思維模式下熟視無(wú)睹的快贏機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)（略）