過程性能分析在碳素結(jié)構(gòu)鋼質(zhì)量管理中的應(yīng)用

岳洪進(jìn)，姜曉楠

（1.凌源鋼鐵股份有限公司，遼寧 凌源122500；2.中華人民共和國(guó)鞍山海關(guān)，遼寧 鞍山114002）

21世紀(jì)鋼鐵企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日顯激烈，產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)良及穩(wěn)定是占有市場(chǎng)的制勝法寶，由于煉鋼、軋鋼技術(shù)是一門較成熟的技術(shù)，不同鋼鐵企業(yè)在設(shè)備、原料質(zhì)量、生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)等方面差異不大，若想生產(chǎn)出高品質(zhì)的鋼材，需要通過科學(xué)的管理方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，而過程性能分析依據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)抽樣方法，以樣本代替總體對(duì)過程性能進(jìn)行分析，并預(yù)估總體的百萬(wàn)分之不合格品率（PPM）。由于熱軋圓鋼對(duì)不同的尺寸精度有不同的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，而不同的尺寸精度滿足不同的客戶群體，文中以產(chǎn)品尺寸控制過程為例，分析了凌源鋼鐵股份有限公司優(yōu)特鋼事業(yè)部5#棒作業(yè)區(qū)Φ20 mm優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品尺寸的過程性能，并對(duì)其生產(chǎn)管理提出一些改進(jìn)意見，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量具有實(shí)際意義。

1 過程性能

討論過程性能時(shí)，需要考慮兩個(gè)在一定程度上相對(duì)的概念，即過程能力和過程性能。過程能力由造成變差的普通原因來(lái)確定，通常代表過程本身的最佳性能，當(dāng)過程在統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，過程能力可以得到證實(shí)，它與規(guī)范無(wú)關(guān)。過程能力僅適用于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定的過程，是過程固有變差6δ范圍，δ為對(duì)一個(gè)過程特性的標(biāo)準(zhǔn)差的估計(jì)值，通常用樣本的標(biāo)準(zhǔn)差s來(lái)估計(jì)［2］。然而，客戶更關(guān)心過程性能，也就是過程總的輸出以及與其要求（定義為規(guī)范）的關(guān)系，而不管過程的變差［2］。

1.1 性能指數(shù)

（1）性能指數(shù)Pp

Pp把過程性能與由公差表示的最大可允許變差進(jìn)行比較，從而反映過程是否能夠很好地滿足變化要求。

（2）性能指數(shù)Ppk

Ppk考慮了過程的位置和性能。對(duì)于雙邊公差，Ppk將總是小于或者等于 Pp，即 Ppk≤Pp。

Ppk和Pp應(yīng)該總是一起進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。如果Pp值遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)的Ppk值，表明有機(jī)會(huì)通過使過程趨中來(lái)改進(jìn)［2］。

1.2 百萬(wàn)分之一不合格品率（PPM）

PPM有時(shí)用來(lái)作為過程性能的補(bǔ)充測(cè)量。為了使用性能（能力）指數(shù)信息來(lái)估計(jì)不合格品率，必須確定數(shù)據(jù)的概率分布。為此，經(jīng)常采用正態(tài)分布的方法，即在進(jìn)行下一步之前需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證是否服從正態(tài)分布。為了作出正確的推斷，應(yīng)該了解性能（能力）指數(shù)和不合格品率之間的非線性關(guān)系［2］。

1.3 初始研究的接受準(zhǔn)則

若過程穩(wěn)定，組織在評(píng)估初始過程研究結(jié)果時(shí)，必須采用以下接受準(zhǔn)則［3］：

（1）當(dāng)Ppk＞1.67時(shí)，說(shuō)明該過程目前能滿足接受準(zhǔn)則。

（2）當(dāng)1.33≤Ppk≤1.67時(shí)，說(shuō)明該過程目前可被接受，但是可能會(huì)要求進(jìn)行一些改進(jìn)。聯(lián)系經(jīng)授權(quán)的顧客代表，評(píng)審研究結(jié)果。

（3）當(dāng)Ppk＜1.33時(shí)，說(shuō)明該過程目前不能滿足接受準(zhǔn)則。聯(lián)系經(jīng)授權(quán)的顧客代表，評(píng)審研究結(jié)果。

2 過程性能分析

2.1 選擇樣本

選擇凌源鋼鐵股份有限公司優(yōu)特鋼事業(yè)部5#棒作業(yè)區(qū)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45。

（1）規(guī)格：Φ20 mm；

（2）產(chǎn)品目標(biāo)等級(jí)：滿足GB/T702-2008《熱軋鋼棒尺寸、外形、重量及允許偏差》條款3.2尺寸及允許偏差部分表1熱軋圓鋼和方鋼的尺寸允許偏差中 2 組要求（20±0.35 mm）；

（3）生產(chǎn)周期：2018年10月1日～31日；

（4）產(chǎn)品尺寸樣本：100支，數(shù)據(jù)200組，記為R；

（5）數(shù)據(jù)處理：剔除異常數(shù)據(jù)4組，實(shí)際選用196組，應(yīng)用Minitab16軟件將大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成直方圖［1］；

（6）樣本測(cè)量結(jié)果：R的數(shù)據(jù)直方圖見圖1。

圖1 R的數(shù)據(jù)直方圖

從圖1可以看出，尺寸處于峰值的數(shù)據(jù)（19.9～20.0 mm）占樣本總數(shù)33.16%，樣本中心附近數(shù)據(jù)分布偏少，兩端偏多。

2.2 數(shù)據(jù)正態(tài)性的驗(yàn)證

在進(jìn)行過程性能分析之前，需要對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性驗(yàn)證。因此，需要建立數(shù)據(jù)的正態(tài)概率圖，若數(shù)據(jù)是近似正態(tài)的，則點(diǎn)將會(huì)近似地落在一條直線上［1］。

R的正態(tài)概率圖如圖2所示，從圖2中可以看出，R的P值小于0.005（當(dāng)P值小于0.05時(shí)，樣本數(shù)據(jù)即不服從正態(tài)分布），樣本數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，應(yīng)采用非正態(tài)過程性能分析。

圖2 R的正態(tài)概率圖

2.3 非正態(tài)過程性能分析

2.3.1 非正態(tài)過程性能分析方法

當(dāng)需要進(jìn)行過程性能分析的計(jì)量數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布時(shí)，一般解決方案的原則有兩大種：一種是設(shè)法將非正態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為正態(tài)數(shù)據(jù)，然后就可按照正態(tài)分布數(shù)據(jù)的計(jì)算方法進(jìn)行分析，這種方法包括 Box-Cox 變換法、Johnson 變換法［4］；另一種是ISO法，該方法不需將非正態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可計(jì)算非正態(tài)數(shù)據(jù)的整體性能指數(shù)。

2.3.2 非正態(tài)過程性能分析方法的實(shí)施

應(yīng)用Minitab16軟件對(duì)數(shù)據(jù)R進(jìn)行Box-Cox變換，其變換概率圖如圖3所示，其P值小于0.005，說(shuō)明變換后的數(shù)據(jù)仍為非正態(tài)數(shù)據(jù)，不能應(yīng)用Box-Cox變換法。

圖3 R的Box-Cox變換概率圖

對(duì)數(shù)據(jù)R進(jìn)行Johnson變換，Minitab16顯示該數(shù)據(jù)不能進(jìn)行Johnson變換，說(shuō)明不能應(yīng)用Johnson變換法。因此，選用ISO法進(jìn)行過程性能分析。R的非正態(tài)過程性能見圖4。

圖4 R的過程性能圖

從圖4得知，R的Ppk=0.42＜1.33說(shuō)明產(chǎn)品尺寸的控制過程不能滿足顧客要求，過程存在風(fēng)險(xiǎn)，合計(jì)PPM=49 299.99說(shuō)明百萬(wàn)分之不合格品率為49 299.99，即產(chǎn)品合格率為95.070 001%。

產(chǎn)品尺寸整體過程性能指數(shù)Ppk為0.42＜1.33，說(shuō)明尺寸控制過程性能不足，該過程目前不能滿足接受準(zhǔn)則。經(jīng)調(diào)查，主要問題為尺寸控制不當(dāng)，尺寸趨于工程規(guī)范的下限數(shù)的據(jù)占比約30%。其根本原因有兩方面，一是由于活套升降遲緩造成拉鋼，導(dǎo)致頭段尺寸偏??；二是全定尺軋制時(shí)，軋材末段定尺長(zhǎng)度不足，調(diào)整工通過調(diào)節(jié)軋機(jī)輥縫壓下裝置，使軋材末段長(zhǎng)度滿足定尺要求，導(dǎo)致尺寸趨于工程規(guī)范的下限，以上兩點(diǎn)是企業(yè)今后需要改進(jìn)的方向。

3 改進(jìn)方案及效果

3.1 改進(jìn)方案

（1）調(diào)整活套參數(shù)，解決活套升降遲緩問題。

（2）對(duì)班長(zhǎng)、工長(zhǎng)進(jìn)行質(zhì)量意識(shí)培訓(xùn)；讓員工認(rèn)識(shí)到質(zhì)量是生產(chǎn)出來(lái)的，而不是檢驗(yàn)出來(lái)的。

（3）將尺寸控制在工程規(guī)范的中心限附近。

（4）數(shù)據(jù)采集時(shí)提高測(cè)量精度，保留兩位小數(shù)。

3.2 改進(jìn)效果

3.2.1 改進(jìn)后的過程性能分析

2018年12月1日～31日，選100支產(chǎn)品尺寸樣本，數(shù)據(jù)200組。改進(jìn)后的產(chǎn)品尺寸樣本記為R0，R0數(shù)據(jù)直方圖見圖5，R0的正態(tài)概率圖見圖6。

圖5 R0數(shù)據(jù)直方圖

圖6 R0的正態(tài)概率圖

從圖5可以看出，直方圖為雙峰型，數(shù)據(jù)的分布呈現(xiàn)出一種偏態(tài)，導(dǎo)致20.10～20.20 mm范圍的數(shù)據(jù)分布不足。

從圖6中可以看出，R0的P值小于0.005，樣本數(shù)據(jù)不服從正態(tài)分布，應(yīng)采用非正態(tài)過程性能分析。

應(yīng)用Minitab16軟件對(duì)數(shù)據(jù)R0進(jìn)行Box-Cox變換及Johnson變換后，P值均小于0.05。因此，選用ISO法進(jìn)行過程性能分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 R0的過程性能圖

從圖7得知，R0的Ppk=0.72＜1.33說(shuō)明產(chǎn)品尺寸的控制過程不能滿足顧客要求，過程存在風(fēng)險(xiǎn)，合計(jì)PPM=21 559.35說(shuō)明百萬(wàn)分之不合格品率為21 559.35，即產(chǎn)品合格率為97.844 065%。

3.2.2 效果評(píng)價(jià)

改進(jìn)前，Ppk為 0.42，PPM 為 49 299.99； 改進(jìn)后，Ppk為0.72，PPM為21 559.35。從數(shù)據(jù)可以看出，改進(jìn)后Ppk提高了0.30，PPM下降了27 740.64，即產(chǎn)品合格率提高了2.774 064%。證明改進(jìn)方案是有效的，但Ppk＜1.33，說(shuō)明還有很大改進(jìn)空間，需要持續(xù)改進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

Minitab16軟件可以實(shí)現(xiàn)整體過程性能分析及大數(shù)據(jù)處理，對(duì)非正態(tài)分布數(shù)據(jù)也可進(jìn)行過程性能分析；通過采用過程性能分析法，發(fā)現(xiàn)凌源鋼鐵股份有限公司優(yōu)特鋼事業(yè)部5#棒作業(yè)區(qū)Φ20 mm優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45尺寸控制過程性能不足，通過采用過程性能分析法，可以預(yù)測(cè)出產(chǎn)品總體的不合格品率，對(duì)企業(yè)相應(yīng)過程性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出問題所在，對(duì)企業(yè)的質(zhì)量管理具有指導(dǎo)意義，改進(jìn)后，產(chǎn)品合格率提高了2.774 064%