張 超 周炳海

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院 上海 201804）

核電的和平利用在世界上已有60多年的歷史，如今核電與火電、水電并稱為世界三大電力供應(yīng)支柱。第三代核電技術(shù)是當(dāng)今世界核電發(fā)展的主流。CAP1400核電站是在引進(jìn)消化吸收三代核電技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過再創(chuàng)新形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大型核電技術(shù)品牌。依托于CAP1400大型先進(jìn)壓水堆核電廠重大專項(xiàng)，國(guó)家核電積極組織制造企業(yè)、科研院所、高等院校等開展關(guān)鍵設(shè)備材料研制，悉心培育三代核電設(shè)備自主化能力，CAP1400關(guān)鍵設(shè)備正在實(shí)現(xiàn)自主化研制。

S公司是機(jī)械工業(yè)工程材料技術(shù)的核心研發(fā)機(jī)構(gòu)，2014年承接了壓力容器支座用減摩板（以下簡(jiǎn)稱“減摩板”，如圖1所示）的研制任務(wù)，2016年該產(chǎn)品樣件研制成功并順利通過核能行業(yè)協(xié)會(huì)鑒定，至此，減摩板具備了批量生產(chǎn)的條件。在批產(chǎn)的過程中，減摩板用鑄鐵合金的缺陷率高達(dá)40%，對(duì)公司造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和浪費(fèi)。因此，擬運(yùn)用六西格瑪工具和方法，對(duì)核電減摩板用鑄鐵合金進(jìn)行質(zhì)量改善，以降低鑄鐵合金的缺陷率，減少公司的經(jīng)濟(jì)損失。

圖1 核電減摩板實(shí)物圖

1 六西格瑪工具及鑄鐵合金生產(chǎn)流程的介紹

1.1 核電減摩板用鑄鐵合金的生產(chǎn)流程

鑄鐵合金是減摩板的重要組成部分，用來承載壓力容器本體結(jié)構(gòu)重量，并將載荷傳遞到廠房建筑結(jié)構(gòu)上，以保證壓力容器本體結(jié)構(gòu)位置的穩(wěn)定[1]。另外，鑄鐵合金具有良好的減摩性能，在極限工況下，當(dāng)鑲嵌在其上方的石墨柱被壓碎失效后，它仍能有效釋放壓力容器因熱變形產(chǎn)生的應(yīng)力，確保壓力容器本體結(jié)構(gòu)的安全。

核電減摩板用鑄鐵合金早期全部來自進(jìn)口，直至2016年，S公司打破國(guó)外壟斷，率先實(shí)現(xiàn)了該類產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化研制，其基本的生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

圖2 核電減摩板用鑄鐵合金生產(chǎn)流程

1.2 基于六西格瑪流程的質(zhì)量改善

六西格瑪誕生于全面質(zhì)量管理蓬勃發(fā)展的 20世紀(jì)80年代，是對(duì)全面質(zhì)量管理特別是對(duì)質(zhì)量改進(jìn)理論的繼承和發(fā)展[2-3]。它是一套系統(tǒng)的、集成的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，是旨在持續(xù)改進(jìn)組織業(yè)務(wù)流程，實(shí)現(xiàn)顧客滿意的管理方法。它通過系統(tǒng)地、集成地采用業(yè)務(wù)改進(jìn)流程，并對(duì)現(xiàn)有過程進(jìn)行定義（define）、測(cè)量（measure）、分析（analyze）、改進(jìn)（improve）、控制（control）——簡(jiǎn)稱DMAIC流程，消除過程缺陷和無價(jià)值作業(yè)，從而提高質(zhì)量和服務(wù)、降低成本、縮短運(yùn)轉(zhuǎn)周期，達(dá)到顧客滿意，增強(qiáng)組織競(jìng)爭(zhēng)力[4]。

2 六西格瑪DMAIC質(zhì)量改善流程

2.1 定義階段（Define）

對(duì)S公司生產(chǎn)的每批次鑄鐵合金進(jìn)行整理和分析。首先利用調(diào)查表對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，然后以柏拉圖為主要工具，詳見圖3所示，識(shí)別出“關(guān)鍵的少數(shù)”，從而對(duì)主要矛盾進(jìn)行針對(duì)性的改善。

圖3 鑄鐵合金缺陷分類

從圖3可知，80%的缺陷主要集中在兩個(gè)方面，分別是力學(xué)性能和金相組織，其中力學(xué)性能缺陷占總?cè)毕莸?4%。如果可以徹底解決上述問題，產(chǎn)品缺陷率將從現(xiàn)在的 40%降低到 8%，滿足改善活動(dòng)的目標(biāo)，如圖4所示。

圖4 改善目標(biāo)

因此，將改善活動(dòng)主要集中在以上兩個(gè)方面，以提高力學(xué)性能為切入點(diǎn)，逐一分析影響上述缺陷的潛在原因，提出可行性方案，并驗(yàn)證改善效果，降低產(chǎn)品缺陷率。

2.2 測(cè)量階段（Measure）

測(cè)量是項(xiàng)目分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是以事實(shí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管理的具體體現(xiàn)，也是連接分析階段的橋梁。通過測(cè)量階段的數(shù)據(jù)收集和評(píng)估工作，可以獲得對(duì)問題和改進(jìn)機(jī)會(huì)的定量認(rèn)識(shí)，并在此基礎(chǔ)上獲得項(xiàng)目實(shí)施方面的信息[5-6]。表1是三個(gè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)鑄鐵合金化學(xué)元素的檢測(cè)結(jié)果，表2和圖5是根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行的MSA分析。

表1 元素化學(xué)成分的測(cè)試結(jié)果

表2 重復(fù)性與再現(xiàn)性的分析結(jié)果

圖5 重復(fù)性與再現(xiàn)性分析圖

表2顯示的主要是波動(dòng)源方差分析和測(cè)量系統(tǒng)分析的計(jì)算結(jié)果。容易看到%GageR&R=0.24406%＜10%，%P/T=3.98%＜10%，可見重復(fù)性和再現(xiàn)性的水平都很高。可區(qū)分的類別數(shù)為35（＞5），可見測(cè)量系統(tǒng)識(shí)別過程變異的能力較強(qiáng)。綜上所述，測(cè)量系統(tǒng)合格，即三家檢測(cè)機(jī)構(gòu)的測(cè)量結(jié)果可以相互驗(yàn)證，重復(fù)性和再現(xiàn)性滿足項(xiàng)目要求。

圖5是一張六合一的圖形。如左上圖所示，量具R&R的百分比貢獻(xiàn)條形高度為0.16%（＜1%），左中圖的數(shù)據(jù)點(diǎn)絕大多數(shù)落在控制線之內(nèi)，且此控制范圍較窄，說明重復(fù)性誤差較??；左下圖中絕大多數(shù)平均值點(diǎn)落在控制域之外，說明過程實(shí)際波動(dòng)較大，同時(shí)表明測(cè)量系統(tǒng)能力較強(qiáng)；右上圖均值連線的變化較大，而均值周圍的散點(diǎn)分布卻很集中，表明過程實(shí)際的波動(dòng)較大，而重復(fù)性與再現(xiàn)性的波動(dòng)較小[7]；右下圖連線的波動(dòng)很大，且三條連線接近水平，說明過程實(shí)際的波動(dòng)較大，而人員與元素的交互作用較小；右中圖均值連線的變化較小，說明重復(fù)性和再現(xiàn)性的波動(dòng)較小。綜上，測(cè)量系統(tǒng)滿足使用要求。

2.3 分析階段（Analyze）

分析階段的目標(biāo)或目的是收集有關(guān)現(xiàn)狀的數(shù)據(jù)，找出變異產(chǎn)生的潛在根源，減少改進(jìn)階段的變量個(gè)數(shù)，確認(rèn)哪些造成高風(fēng)險(xiǎn)的輸入變量，并將改善情況在一定程度上進(jìn)行量化。

改善小組借助魚骨圖等工具，在人員、設(shè)備、物料、方法、測(cè)試、環(huán)境六個(gè)方面（5M1E）開展頭腦風(fēng)暴，集思廣益，發(fā)揮團(tuán)體智慧[8]，從不同角度找出影響鑄件力學(xué)性能及金相組織的所有可能因素，針對(duì)可能的原因提出相應(yīng)的驗(yàn)證方案并實(shí)施驗(yàn)證，如圖6所示。

圖6 鑄鐵力學(xué)和金相問題魚骨圖

（1）人員：崗位不穩(wěn)定，員工質(zhì)量意識(shí)不足，工藝操作不熟練。

（2）設(shè)備：中頻爐控溫系統(tǒng)不良，模具設(shè)計(jì)不合理，過程檢測(cè)設(shè)備精度不足。

（3）物料：原料成分混雜，回爐料占比過多。

（4）方法：石墨形態(tài)非A型石墨，元素配比不合理，冷卻速度過快，鑄件壁厚影響，熱處理工藝參數(shù)不合理。其中，元素配比被識(shí)別為關(guān)鍵影響因素，因此將在改善環(huán)節(jié)中重點(diǎn)加以驗(yàn)證。

（5）測(cè)試：測(cè)量器具未按規(guī)定校驗(yàn)，重復(fù)性和再現(xiàn)性能力不足。

（6）環(huán)境：澆注溫度過高或過低，光照不足影響操作者視線。

2.4 改善階段（Improve）

2.4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）

磷（P）是有害元素，在實(shí)際生產(chǎn)中不主動(dòng)添加，并嚴(yán)格控制其含量在規(guī)格限以內(nèi)。鑄鐵合金的其它7種元素按照高水平和低水平進(jìn)行2水平7因子的部分因子折疊試驗(yàn)，試驗(yàn)考慮隨機(jī)化原則，共設(shè)置16次試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示（“1”表示高水平，“-1”表示低水平），高水平和低水平的數(shù)值如表4所示。

表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果

表4 元素高水平和低水平含量(%)

標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖如圖7所示。從圖7中可以看出，顯著影響抗拉強(qiáng)度的因素依次為：C含量；C和Si的交互作用，即CE或Si/C；C和Mo的交互作用；Mn含量。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的Pareto圖

2.4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在充分考慮了化學(xué)成分和鑄件力學(xué)及組織的關(guān)系后，對(duì)鑄鐵合金澆注時(shí)的化學(xué)成分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，新的控制標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。

表5 新制定的鑄鐵合金化學(xué)成分的控制標(biāo)準(zhǔn)（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

按照新制定的成分控制標(biāo)準(zhǔn)，分別澆注了3批次鑄鐵合金產(chǎn)品，單鑄試棒的測(cè)試結(jié)果如表6所示。

表6 鑄鐵合金的測(cè)試結(jié)果(%)

從表6中可以看出，當(dāng)元素含量控制在優(yōu)化后的范圍時(shí)，鑄鐵合金的強(qiáng)度比均值（342MPa）提高了100MPa左右，金相組織也全部達(dá)標(biāo)。由此可見，通過優(yōu)化元素配比，鑄鐵合金的力學(xué)性能和金相組織全部合格，達(dá)到了預(yù)期的改善效果。

2.5 控制階段（Control）

控制的目的在于保持項(xiàng)目取得的成效并持續(xù)改進(jìn)。改善小組將過程改善成果進(jìn)行文件化，并更新到質(zhì)量管理體系文件中，建立持續(xù)的控制計(jì)劃。通過質(zhì)量管理體系的有效運(yùn)行，對(duì)過程進(jìn)行持續(xù)的測(cè)量和控制，使得鑄鐵合金的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)入到一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。改善小組形成新的程序文件和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并明確相應(yīng)的負(fù)責(zé)人[9]，清單如表7所示。

表7 標(biāo)準(zhǔn)化操作程序

3 結(jié)語

本質(zhì)量改善項(xiàng)目是通過六西格瑪DMAIC流程和工具展開的，對(duì)核電減摩板用鑄鐵合金國(guó)產(chǎn)化生產(chǎn)過程中的力學(xué)和組織缺陷進(jìn)行改善，從而降低制造過程的缺陷率，減少公司的經(jīng)濟(jì)損失。通過此次改善項(xiàng)目的實(shí)施，對(duì)六西格瑪改善流程有了更深的理解，它提供了諸多完善的理論工具和管理思想，有助于工程技術(shù)人員走出思想誤區(qū)，學(xué)會(huì)用更科學(xué)的方法快速有效的解決問題并保持改善成果，更為日后相關(guān)課題的研究提供了一定的借鑒意義。