六西格瑪管理工具在降低酸再生煤氣能耗中的應用

張志偉，王佳興

（首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司，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，它通過對現(xiàn)有流程進行定義（define）、測量（measure）、分析（analyze）、改進（improve）、控制（control），發(fā)現(xiàn)流程缺陷并對缺陷進行改善，從而達到生產(chǎn)流程零缺陷、提高產(chǎn)品質量、降低生產(chǎn)成本、增加企業(yè)利潤、滿足客戶需求的目的，全面提升企業(yè)市場競爭力[1]。

DMAIC 是目前六西格瑪改善現(xiàn)有流程應用的最廣泛的一種方法，它是六西格瑪管理的靈魂，是開展一切管理活動的基礎。與全面質量管理TQM復雜的計算公式和方法相比，DMAIC 方法更加系統(tǒng)、簡單，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：D 就是定義Define、M 是測量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用

2.1 定義階段

2.1.1 項目背景

冷軋酸再生工藝的核心是以酸洗鋼板的廢酸為原料，經(jīng)過脫硅、凈化、濃縮處理后，通過噴槍將凈化后的廢酸噴入焙燒爐內，廢鹽酸在焙燒爐內的噴淋高溫狀態(tài)下與水、氧氣發(fā)生化學反應，生成氧化鐵粉和鹽酸氣體，鹽酸氣體在吸收塔內經(jīng)洗滌水循環(huán)噴淋吸收，使再生酸濃度達到18%后，補充到酸洗線循環(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)合有限責任公司（以下簡稱公司）創(chuàng)造了巨大效益。近年來，由于全國鋼鐵行業(yè)市場持續(xù)疲軟，鋼材價格直線下降，給公司的經(jīng)營管理帶來了嚴峻的考驗。作為公司的每一名員工，都應該冷靜的面對當前的不利局勢，在自己的領域內集思廣益，為公司的降本增效出謀劃策。

酸再生站的運營成本主要包含三大類：工序能耗、備材消耗和人工費用。其中，工序能耗費用占總運營成本的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，消耗量占整個工序能耗的83.5%左右，與同類型標桿企業(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營成本迫在眉睫。

2.1.2 項目范圍

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

2.2 測量階段

2.2.1 測量系統(tǒng)分析

煤氣測量表、廢酸流量計每年由專業(yè)的檢測機構進行檢定、校驗并提供檢定證明，保證計量表的準確性。煤氣消耗、廢酸處理量的實時數(shù)據(jù)是通過PDA 采集的，現(xiàn)場儀表和各種傳感器數(shù)據(jù)通過帶屏蔽的信號傳送給PLC，PLC 經(jīng)過處理后通過工業(yè)以太網(wǎng)傳送給PDA 數(shù)據(jù)采集卡，從而通過工程師站上的PDA 軟件顯示監(jiān)控的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場儀表到PDA 數(shù)據(jù)只是一個數(shù)據(jù)傳送的過程，因此只要現(xiàn)場儀表采集的數(shù)據(jù)準確，PDA 數(shù)據(jù)就是真實可信的。基于以上判斷，本項目的測量系統(tǒng)是準確可信賴的。

2.2.2 篩選影響因子

項目團隊從人、機、料、法、環(huán)五個方面通過“頭腦風暴”魚骨圖法找出了影響煤氣消耗的33 個因子，如圖1 所示。

圖1 煤氣消耗影響因素圖

根據(jù)對煤氣消耗影響的重要程度（不會影響0分、較小影響1 分、較大影響3 分、嚴重影響9 分）進行矩陣打分，根據(jù)二八原則，篩選出得分超過80%的14 個主要因子，進入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)有控制計劃的探測能力（7，5，2）對每個影響因子進行評分，三者的乘積就是每個影響因子的風險優(yōu)先數(shù)，也叫RPN 值。對14 個影響因子的RPN值進行帕累托分析，篩選出得分超過80%的9 個關鍵因子進行改善，如圖3 所示。

圖3 風險優(yōu)先系數(shù)的帕累托圖

根據(jù)FMEA 分析結果和現(xiàn)場操作的可實現(xiàn)性，對風險優(yōu)先系數(shù)較大的X2、X6、X3、X7等4 項進行快速改善，如表1 所示。對于失效原因無法確定的影響因子則在下一階段通過響應優(yōu)化等方法確定失效原因并加以改善。

表1 快速改善的關鍵因子

DM階段結束后，找全所有影響因子，通過FMEA對全部因子進行潛在失效模式分析，從中找到4 個快贏機會，并初步建立比較完善的管理規(guī)章制度，使流程進一步穩(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)化設計

對DM 階段篩選出來的影響煤氣消耗的關鍵因子噴灑流量、爐頂溫度、爐底溫度、燒嘴溫度、空燃比進行交互作用分析，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處理每立廢酸的煤氣消耗有顯著影響。

圖5 關鍵影響因子交互作用圖

對5 個關鍵影響因子進行回歸分析，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，下一步通過響應優(yōu)化設計來確定最佳工藝參數(shù)。

根據(jù)響應優(yōu)化設計結果，當噴灑量為75 L/min，燒嘴溫度700 ℃，爐頂溫度400 ℃時，煤氣單耗能達到最小值，如圖6 所示。但現(xiàn)場的實際控制不可能精確到一個數(shù)值，是一個控制區(qū)間。公司對這3 個影響因子再次進行等值線圖分析，根據(jù)等值線圖，當噴灑量保持在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 關鍵因子響應優(yōu)化設計圖

圖7 煤氣單耗等值線圖

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

2.3.2 效果驗證

從控制圖可以看出，經(jīng)過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，完成了預期目標，如圖8 所示。根據(jù)計算，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，以年處理廢酸7.8 萬m3計算，可實現(xiàn)年效益為66.6 萬元。

圖8 煤氣消耗按時間單值控制圖

3 結語

通過本次項目，學習和掌握了一套系統(tǒng)、科學的方法和工具，能夠更科學的解決今后工作中的問題，有效提高了個人的工作方法和能力，降低了企業(yè)的運行成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益，同時為同類型企業(yè)提供參考。