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的流程管理體系，它通過對現有流程進行定義（define）、測量（measure）、分析（analyze）、改進（improve）、控制（control），發現流程缺陷并對缺陷進行改善，從而達到生產流程零缺陷、提高產品質量、降低生產成本、增加企業利潤、滿足客戶需求的目的，全面提升企業市場競爭力[1]。

DMAIC 是目前六西格瑪改善現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、簡單，能快速發現流程中的缺陷。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下與水、氧氣發生化學反應，生成氧化鐵粉和鹽酸氣體，鹽酸氣體在吸收塔內經洗滌水循環噴淋吸收，使再生酸濃度達到18%后，補充到酸洗線循環使用。采用噴霧焙燒法鹽酸再生原理，既解決了廢酸污染環境問題，又生成了高附加值副產品氧化鐵粉，為首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司（以下簡稱公司）創造了巨大效益。近年來，由于全國鋼鐵行業市場持續疲軟，鋼材價格直線下降，給公司的經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定的折算系數求和而得。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 測量系統分析

煤氣測量表、廢酸流量計每年由專業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據是通過PDA 采集的，現場儀表和各種傳感器數據通過帶屏蔽的信號傳送給PLC，PLC 經過處理后通過工業以太網傳送給PDA 數據采集卡，從而通過工程師站上的PDA 軟件顯示監控的數據。現場儀表到PDA 數據只是一個數據傳送的過程，因此只要現場儀表采集的數據準確，PDA 數據就是真實可信的。基于以上判斷，本項目的測量系統是準確可信賴的。

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生頻率（8，4，2）、現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先數，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 風險優先系數的帕累托圖

根據FMEA 分析結果和現場操作的可實現性，對風險優先系數較大的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章制度，使流程進一步穩定，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，下一步通過響應優化設計來確定最佳工藝參數。

根據響應優化設計結果，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。但現場的實際控制不可能精確到一個數值，是一個控制區間。公司對這3 個影響因子再次進行等值線圖分析，根據等值線圖，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，煤氣消耗穩定降低。

2.3.2 效果驗證

從控制圖可以看出，經過AI 階段后，處理每立方米廢酸煤氣消耗出現顯著下降，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、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，降低了企業的運行成本，提高了企業的經濟效益，同時為同類型企業提供參考。