毕业论文--马钢烧结厂烧结矿质量控制设计

1、马钢烧结厂烧结矿质量控制设计 1. 绪论1.1 引言美国著名质量管理专家朱兰 (. M. Juran1994 年在美国质量管理学会年 会上说过, 20 世纪将以 “生产力的世纪” 载入史册, 21 世纪是 “质量的世纪。 ” 他的预言正在逐步地现实。刚刚跨入 21 世纪,人们就感受到自身己置于一种浓 厚的竞争氛围中, 竞争无处不在。 国家间的竞争正逐渐被市场的竞争、 产品的竞 争所代替, 而市场的竞争又从企业间的竞争发展为供应链间的竞争。 在这场无国 界的竞争中,质量扮演着极为重要的角色。随着社会生产力不断发展, 新技术不断涌现, 面对日趋激烈的国际、 国内市 场的竞争, 能否提供高质量的产品

2、和服务不仅仅是企业在竞争中能否取得优势的 问题, 说严重点, 它直接关系到企业的生存问题。 每个企业、 每种产品和服务, 要想在国际市场上占有一席之地, 都要面对 “ 超严格的质量要求 ” , 要努力使自己 达到世界级的质量水平。1.2 质量控制研究的背景及意义在我国加入 WTO 既成事实的情况下, 面对日趋激烈的国际、 国内市场的竞争, 企业能否提供高质量的产品和服务不仅仅是企业在竞争中能否取得优势的问题, 说严重点, 它直接关系到企业的生存问题。 因此, 我国企业要想在未来的竞争中 占有一席之地, 必须对产品质量提出更高的要求, 且这种高要求应不以高投入为 条件。 因此, 作为国际上通行的

3、行之有效的质量管理技术 SPC, 正在受到越来越 多国内企业的重视,并被视为企业降低废品率、提高产品质量、增加企业效益, 全面推行 IS09000 和 QS9000 质量管理体系的重要工具。要提高产品质量, 必须对生产、 制造各环节进行质量控制, 必须大力提倡对 质量科学的应用, 如对生产线推行和实施各种质量科学技术, 用以保证实现生产 过程控制中的预防原则。这方面 SPC(Statistical Process Control 即统计过程 控制及其系列技术如 SPD(Statistical Process Diagnosis即统计过程诊断和 DOE(Design of Experiments

4、等扮演了重要角色。SPC(Statistical Process Control 即统计过程控制,是 20 世纪 20 年代由 美国休哈特首创的。 SPC 主要是指应用统计分析技术对生产过程进行实时监控, 科学的区分出生产过程中产品质量的随机波动与异常波动, 从而对生产过程的异 常提出预警,以便生产管理人员及时采取措施,消除异常,恢复过程的稳定,从 而达到提高和控制质量的目的。SPC 可以判断过程的异常, 及时报警, 但早期的 SPC 不能告知其异常是什么 因素引起的,发生于何处,即不能进行诊断,而在现场迫切需要解决诊断问题。 现代 SPC 不但具有 SPC 及时报警的控制功能,而且具有 SP

5、C 所没有的诊断功能, 上升为 SPD(Statistical Process Diagnosis 统计过程诊断。 SPD 就是利用统计 技术对过程中的各个阶段进行监控与诊断, 从而达到缩短诊断异常的时间、 以便 迅速采取纠正措施、 减少损失、 降低成本, 保证产品质量的目的。 SPD 是现代 SPC 理论的发展与重要组成部分。而实验设计 (Design of Experiments, 缩写为 DOE 是研究如何制定适当的实 验方案以便对实验数据进行有效的统计分析的数学理论与方法。 它是分析处理影 响产品质量的不同因素在不同水平下实验所得的到的数据从而找出影响产品质 量的不同因素的最佳水平组合

6、, 目的在于寻求实验因素恰当的水平组合, 实现系 统的相对优化。在这种背景下, 马钢第一炼铁总厂烧结分厂充分认识到形势的严峻性, 提出 充分利用 SPC , SPD 及 DOE 理论与技术来进行烧结矿质量控制方法设计,不断改 进、完善生产线的现场管理及生产过程,提高产品质量,以提高企业的竞争力。1.3 国内外发展状况1.3. 1国外发展状况由于国外许多工业发达国家具有较长的工业发展历史,它们对过程控制的 研究也较早。在 20 世纪 20 年代,贝尔实验室就成立了以休哈特为学术领导人 的过程控制研究组,以及由道奇为学术领导人的产品控制研究组。经过科学家 的悉心研究和不断实践, 井在总结他人研究成

7、果的基础上, 休哈特创建了著名的 过程控制理论 :制造产品质量的经济控制 (Economic Control of Quality Manufactured Products ,休哈特这本著作的出版,标志着统计过程控制与诊断 时代的开始。休哈特的过程控制理论的最大应用成果就是控制图在生产、 服务行业的广泛 应用, 极大地促进了产品质量的提高。 但随着对 SPC 应用的深入, 人们逐步发现 了 SPC 控制图的缺点 :只利用了过程当前数据的信息,而没有充分利用整个样本 数据的信息, 所以对过程的小变化不够灵敏, 所以在休哈特之后, 许多学者经过 多年研究和实践提出了许多种弥补休哈特控制图不足的控

8、制图,主要有 :佩奇 (E. S. Page在 1954 最早应用序贯分析原理,提出了累积和控制图 (Cumulative Sum Control Chart, CUSUM ,它可以将一系列点的微弱信息累积 起来, 对过程的小变动灵敏度很高, 随后, 许多学者对此也做出了一些重要的研 究。针对休哈特控制图对小变动不灵敏的缺点,罗伯茨 (S. W. Roberts在 1959 年提出了指数加权平均控制图 (Exponentially Weighted Moving Average Control Chart, EWMA ,这是一种适用于检出过程小波动的控制图,其特性几乎 与累积和控制图相同,但由

9、于 EWMA 是所有过去及当前观测值的加权平均,所以 它对正态假设很不敏感,从而它与个别观测值联合使用是很理想的。生产规模的不断扩大, 带动了柔性生产系统的快速崛起, 小批量生产日益普 及, 对小批量生产的质量控制也越来越重要, 小批量生产控制图 (Control Charts For Low Volume Manufacturing也得到了发展,主要有以下几类 :无先验信息小批量生产的控制图。 1969 年希利尔 (F. S. Hulier 与新加 坡杨中浩提出了小样本控制图, 1991-1995 年久森伯瑞 (C. P. Qusenrerry提 出了 Q 控制图, 但统计摸拟试验证实这类控

10、制图检出异常的能力要远远低于参数 已知条件下的控制图。将相似工序同类分布的产品质量数据,通过某种数学变换成同一分布,从 而可以累积起来成为大样本, 于是可以应用大样本方法, 常见的方法有通用图法、 相对公差法、美军固定样本容量法等。休哈特的控制图只能对单一质量特性进行控制, 但通常情况下工序都包含许 多质量指标, 当然可以用休哈特控制图分别对每个指针进行控制, 但是这样没有 考虑指标间的相关性,将会导致错误的结论,针对休哈特图的这一不足, 1947 年霍特林 (H. Hotelling提出了多元 T2 控制图,揭开了多元控制的新时代。 在一元正态分布情况下,均值与方差这两个参数是互相独立的,故

11、控制正态 分布就需要对于均值与方差分别应用相应的控制图进行控制, 类似地, 在多元正 态分布的条件下, 均值向量与多元协方差矩阵这两个参数也是相互独立的, 故控 制多元正态分布时也需要分别应用相应的多元控制图对均值向量与多元协方差 矩阵进行控制。 如同一元控制图在方差受控的前提下讨论均值的控制问题才有意 义一样,多元 T2 控制图也是在假定协方差矩阵保持受控的前提下讨论均值向量 的控制才有意义。在 1985 年,阿尔特 (F. B. ALT提出了基于似然比检验的多元协方差控制 图。其它多元协方差控制图还有样本广义方差 S图、 W 图、 L 图等,但以上这 些多元协方差控制图的缺点是要求多元协方

12、差阵为已知这在现场不易作到。 在 20 世纪 80-90 年代,多元 CUSUM 控制图得到了发展,应用多元 CUSUM 控 制图对多元过程进行控制, 也应分别控制过程的均值向量与多元协方差矩阵。 从 应用的角度看,均值向量的控制更重要些。伍德尔 (W. H. Woodal l, 1985 , 恩冠勃 (M. M. Ncube, 1985及霍金斯 (D. M. Hawkinw, 1991等人对此作出了 贡献。 1992 年劳瑞 (C. A. Lowry与伍德尔将一元的 EWMA 控制图推广到多元, 当然, 它也是控制均值向量。 这些多元控制理论的发展极大的弥补了休哈特图在 工序控制上的缺点,因

13、而在国外得到了广泛的应用,也取得了可喜的成绩。1.3. 2国内发展状况国内由于历史的原因,新中国成立时,我国的企业质量管理水平远远落后于 世界,普遍处于单纯检验为主的阶段,从 1978 年开始,我国才开始宣传、推行 全面质量管理, 经过二十年的努力, 我国企业的质量管理工作发生了巨大的变化, 质量管理机构从无到有, 形成了全国推行全面质量管理的组织体制。 质量观念和 质量管理思想发生了根本的转变, 企业的质量管理也由质量检验为主发展为质量 控制,由把关型向预防型和提高型转变。SPC 在很多企业中得到了充分的应用,这与大批投身于质量管理的技术人员 的努力分不开的,尤其是北京科技大学的张公绪教授,

14、他在多年研究国外 SPC 理论的基础上,取其精华并结合中国的实际情况,在 1982 年提出了两种质量诊 断理论,开辟了统计诊断理论的新方向,从此 SPC 理论上升到一个新的高度。 陈志强博士在 1996 年提出了基于模糊信息的模糊控制图,如贴近度控制图。 基于模糊集代表值的控制图, 基于加权合成值的控制图等, 可以应用于感官性指 标的质量控制问题。 它还提出了模糊不合格品率控制图, 较之传统的不合格品率 控制图更为灵敏,他根据 “过程异常”这一模糊现象,进一步提出了基于模糊 判异的控制图,他还提出了模糊选控值,模糊选控图和模糊 EWMA 控制图以及两 种质量模糊诊断理论,为工序质量诊断理论的模

15、糊化作出了贡献。朴祥民博士研究了历史信息小批量生产的控制图的问题, 应用贝叶斯 (Bayes 分析方法, 充分利用已知信息, 弥补了小批量生产样本少的缺陷, 求出参数的优 良估计, 从而仍然可以应用大样本方法, 朴祥民的工作为两种质量诊断理论的小 批量化作出了贡献,也为小批量生产的质量控制与诊断开辟了一条新的途径。上面所说的控制图, 包括休哈特图、 CUSUM 图、 EWMA 图等在内的现有控制图 都是全控图。所谓全控图是对所有异因都加以控制的控制图。1980 年张公绪提出了选控图系列,可以用来选择部分异因加以控制,从而 缩小了查找异因的范围, 提高了效率。 选控图是利用数学变换来实现选控的,

16、 在 统计过程诊断理论中具有重要的作用, 选控图与全控图是一一对应, 例如, 可以 相应地构造出选控休哈特图、 选控 CUSUM 图、 选控 EWMA 图、 选控多元 T2 图等等。 对多元控制图,我国的学者也进行了专门的研究, 1997 年刘艳永博士提出 了多元协方差阵未知时的样本广义方差多元协方差控制图, 以及最大、 最小特征 根据多元协方差控制图。在 1993 年,张公绪提出了具有多个非控异因的多元选控图。 1998 年张公绪 提出相关单因素多元诊断理论, 根据两种质量诊断理论, 他还提出了两种工序能 力指数的诊断理论, 为寻找生产线质量薄弱环节提供了极其简明的方法。 另外孙 静博士对于

17、接近零不合格品过程的 SPC 问题进行了深入的研究, 提出了接近零不 合格品过程的判稳准则, 判异准则, 优于国外的两阶段控制图法近年来, 我国有 关学者还提出了多元逐步诊断理论, 两种质量多指针诊断法, 模糊质量控制, 小 批量生产的质量控制, 多元协方差控制图, 接近零不合格品过程的质量控制等理 论和方法,丰富与发展了 SPC 理论及应用范围。1.3. 3发展现状随着新世纪的到来, 中国的经济已与世界经济溶为一体, 国内企业要在世界 经济中生存下去就必须提高产品质量, 同时降低成本, 但是没有科学的质量管理 技术来保证产品质量完全靠人为检验已无法实现,只能被市场所淘汰。随着 IS09000

18、 质量体系在世界范围内的流行, 对产品的质量控制已从传统的百分率向 PPM 转变, 要在新的形势下获得发展, 必须寻求更加科学的质量管理手段才能实 现。 SPC 理论及工具目前发展较成熟,但在实践应用中还有许多待完善的地方。1.4课题研究背景【 总概 】 现有三台烧结机,均由当时三台 75 m2烧结机改造而成,两台 90m 2,一台 105m 2,总有效烧结面积 285 m2,烧结矿利用系数为 1.7-1.8t/m2.h ,作业率达 96%以上, 烧结矿年生产能力达 420万吨, 主要供一铁总厂高炉使用。 在全国同类 型烧结机中, 烧结矿经济技术指标整体处于领先水平。 烧结用含铁矿富粉率达 7

19、0%以上,设有一个简易的混匀料场,日处理量约 6500t/d,混匀矿全料比约为 40%左右。马钢第一炼铁总厂配料车间有两个,分一配、二配。有两台 20t 的桥式抓 斗吊车,一配 15 台给料机,其中精矿 7 台,煤粉 3 台,云粉 2 台,灰石 1 台, 生石灰 2 台;二配 13 台,其中精矿 6 台,煤粉 2 台,云粉 2 台,灰石 1 台,生 石灰 2 台。1.5烧结矿质量控制的国内外研究动态国内外研究动态:(一、面对国际竞争以及环保的要求,国内部分有远见的钢铁企业都在结 合各自的实际情况寻求发展非高炉炼铁技术,并已经走在了国际同行的前列。 目前,国内大中型钢铁企业对以下各工艺技术的关注

20、程度较高,从长远看这 些技术都能大规模应用生产, 也满足国家环保的要求, 带来良好的经济效益和社 会效益,各自的工艺特点可为不同的企业结合自身特点所采用。(1、 HYL-ZR 是目前成熟的使用煤气还原球团矿生产直接还原铁的工艺, 国内有煤气资源条件的, 短流程电炉炼钢的厂家值得考虑, 投资也相对较低, 但 值得一提的是对球团矿的性能要求较高。(2、 COREX 虽然是目前唯一成功应用于工业生产的熔融还原的成熟工艺, 但目前由于对原燃料的性能要求较高甚至苛刻。 其引进技术、 设备费用较高, 后 续仍需要解决的技术问题很多, 发展受到一定限制, 适合有一定经济、 技术实力 的企业。(3、 FINE

21、X 目前也已投入工业生产,采用粉矿、粉煤、压块技术、原燃料 适应性强,生产操作稳定性、作业率等有待于进一步生产实践验证。(4、 HISMELT 直接使用粉矿、粉煤生产铁水、原燃料适应性强,但目前作 业率低,设备故障率较高,工艺可行,发展前景乐观。1.6课题研究内容及研究步骤研究内容:研究内容:研究的内容分为两个部分。 第一部分是依照 PDCA 循 环的工作步骤分析数据, 找出产生问题的原因, 制定改进措施, 并对改进的效果 进行评价。(1从收集到的数据中发现生产过程出现异常(均值极差控制图;(2利用 SPD 中的 Xcs Rscs(选控单值移动极差 控制图,找出问题出现 在哪一道工序上;(3知

22、道问题所在的工序之后,利用因果分析图,围绕 5M1E 找出原因;之 后制定改进的措施并评价效果。研究步骤:1、实地调研,收集数据2、找出影响烧结质量的关键因素,对关键因素的数据进行整理,然后运用 SPC 工具对其进行分析,画出均值 -极差控制图,找出哪些点出界,看均值控制 图,看其质量是否稳定,考虑问题出现在哪道工序上?3、运用 SPD (统计过程诊断对其过程进行分析:烧结矿生产的工艺流程为:配料,一混,二混,三混,烧结,可以简化为:混 料,烧结1 . 寻找控制对象与非控制对象之间的函数关系2 . 将控制对象的实测值变换成选控值,即计算 ycs = yi -y3 . 计算 y 、 y- y 、

23、 (y- y /x 、 y/x 的值4 . 计算系数 x 的均值及控制界限5 . 画选控控制图根据所画的选控图(X 控制图可以看出哪些点出界根据两种控制图诊断情况(三八表对出现的问题进行诊断:两种控制图诊断情况 影响了该工序,然后对这些不合理的操作进行改进,找出合理的解决方案。 4、对另外影响烧结质量的关键因素,进行如上的分析统计、分析、诊 断,并就过程出现的异常制定改进措施。5、运用加权因素评价法对烧结矿质量改进方法的进行评价6、找出衡量烧结矿质量的指标,运用 DOE 进行实验设计。利用 Minitab 软 件对试验结果进行分析,得出最优的方案组合。1.7课题研究的重要性及意义SPC(Sta

24、tistical Process Control 统计过程控制与 SPD(Statistical Process Diagnosis 统计过程诊断及实验设计 (Design of Experiments, 缩写为 DOE 是当前广泛应用的高新科技。SPC 强调全过程监控、全系统参与,并且强调用科学方法(主要是统计技 术 来保证全过程的预防。 它是利用统计方法对工序中的各个阶段进行控制, 从 而达到改进与保证质量的目的。 SPC 不仅适用于质量控制, 更可应用于一切管理 过程(如产品设计、市场分析等。它强调全过程的预防为主, SPC 不仅可用于 制造过程而且也可以用于服务过程改进与保证服务质量。

25、通过理论分析和实际考察,立足于马钢配料车间的现状,运用质量管理的 工具去发现问题、 分析问题、 解决问题, 从而在实践中巩固和加深对理论知识的 掌握,增强实践能力。课题的提出、设计、完成的意义是多方面的。一方面,增 强了我与公司领导沟通的能力, 独立分析问题、 解决问题的能力, 提高了我的专 业素质;另一方面,通过分析影响配料的主要因素,对其进行分析、改进,提出 改善方案,将会进一步提高配料的质量和速度。为了使烧结矿满足高炉冶炼的要求, 必须根据原料条件, 准确地计算出铁料、 溶剂、燃料的配料比,并根据配料比进行配料,使配合料的主要成分如铁、氧化 钙、 二氧化硅、 硫等的含量合乎规定的技术标准

26、。 烧结厂使用的原料品种比较多, 各种原料的化学成分相差也较大, 即使是同一品种的原料, 其化学组成亦有波动。 配料工序就根据烧结矿的质量标准要求, 进行计算配料, 控制和稳定烧结矿的化 学成分在允许的范围内波动。 同时还可以根据各种原料的粒度、 熔点及烧结性能 配入适量的燃料, 保证烧结料含碳量适合于烧结生产的要求, 并为有效地除去有 害杂质和控制 TFe的含量创造条件。2 SPC 程控制(Statistical Process Control从统计的观点来看, 控制图用样本点来判断的过程是在图上做一次统计假设 检验。 如果点出界, 则拒绝过程处于受控状态的假设, 认为存在非随机性系统误 差

27、。 根据统计推断理论, 进行假设检验时可能会做出错误的判断。 错误可以分为 两类:(1虚发警报,也称第一类错误或判断。在生产过程正常时,有可能因偶然 的因素导致样本点超出上、 下控制限, 依据判异准则, 得出存在非随机性系统误 差(异因的错误结论。通常将犯第一类错误的概率记为 , 一般不会超 过千分之三。虽然如此,第一类错误会造成寻找根本不存在的异因的损失。 (2漏发警报,也称第二类错误或判断。在生产过程异常时,仍可能有部分样本的质量特性值偶然位于控制界限内。 如果此时抽到这样的产品, 样本 点就会落在上、 下控制限内, 因此漏发警报而犯第二类错误。 犯第二类错误的概 率通常记为 (见图。漏判

28、会造成废品增加的损失。如何减少两类错误所造成的损失?关键在于减少两类错误的概率 与 。理论研究表明, 增大则 减小, 减小则 增大。这也可从控制图 上直观地看出。控制图中心线一般居中不动,上、下控制限互相平行,能变动的 只是二者的间距。 由上图可见, 当上下控制限间距变大, 第一类错误的概率 将 减小,而第二类错误的概率 将增大,反之 增大则 减小。要使 与 同时减小,只有不断增加样本量,而这将提高成本,且在实际 中又很难实现。由于 的计算与失控状态的总体分布有关,而总体分布具有多如果质量特性值 x 服从正态分布 N( , , 则无论均值与标准差为何 值, x 落在区间 3的概率为 0.9973(如下图,通常成为 3原则。为使用方便,将图左变换成图右的形式,就得到一张控制图,确切地说单值 (x控制图。控制图(如下图与质量统计的直方图、排列图等方法有所不同,其区 别在于:后者反映某一时段静止的质量状态,