Разработка методики статистического анализа и управления качеством технологического процесса высокоскоростного затвердевания расплава

В рыночной экономике решение вопросов качества является важнейшим фактором повышения уровня жизни, экономической, социальной и экологической безопасности. Основным инструментом, используемым в данной ситуации, является внедрение и развитие систем менеджмента, соответствующих международным и национальным стандартам. Реализация на практике принципов менеджмента качества и выполнение требований ИСО 9001:2000 (ГОСТ Р ИСО 9001−2001) позволяет производить продукцию с прогнозируемыми свойствами, прежде всего, посредством создания управляемых условий протекания процессов. Подобная задача возникает, в первую очередь, для предприятий, выпускающих серийную продукцию и желающих снизить затраты на операции контроля, уменьшить расходы на переделку и исправление продукции, повысить имидж как надежного поставщика. Однако, это все требуется и для предприятий, в том числе малых, обладающих некоторой уникальной технологией, позволяющей выпускать продукцию с особыми свойствами, порой даже в небольших объемах. Сочетание высоких технологий и возможности обеспечить стабильность производимой продукции — один из главных путей обеспечения конкурентоспособности в жестких рыночных условиях.

В настоящее время открывается возможность промышленного использования высокоскоростного затвердевания расплава (ВЗР) для производства перспективных материалов, в том числе волокон, полученных с помощью одного из вариантов данной технологии — экстракции из висящей капли расплава (ЭВКР). Данная продукция используется при создании пористых проницаемых материалов, являющихся основой для фильтров-нейтрализаторов автомобильной техники, обеспечивающих соответствие стандартам Евро-3 и Евро-4. Наиболее перспективно применение данной технологии для получения волокон из материалов, работоспособных при температурах выше 1100 °C в условиях газовой коррозии, эрозионной среды и повышенных давлений, которые невозможно или экономически нецелесообразно получать другими способами. При этом к существенным проблемам следует отнести сложность получения регулярной структуры у проницаемых пластин, связанной, прежде всего, с постоянством геометрических параметров металлического волокна и, соответственно, возможностями управления на этапе производства.

Известно, что формирование продукции с заданными свойствами возможно только в условиях стабильности технологического процесса. Для этого необходимо оценивать состояние процессов, выявлять отклонения от установленных требований, устранять возможности появления повторных отклонений или дефектов за счет своевременной разработки и реализации корректирующих воздействий и обеспечивать предупреждение потенциальных несоответствий в производстве. Причиной низкого качества формируемого металлического волокна часто является собственная изменчивость процесса ВЗР, обусловленная наличием многочисленных специфических воздействующих факторов, связанных с гидродинамическими и тепловыми процессами и имеющих место при экстракции продукции из расплава. Необходимо найти пути по минимизации этой изменчивости, иначе получить стабильную продукцию в таких условиях достаточно затруднительно. Решение данной задачи требует использования комплекса статистических методов. Требуется провести исследование, направленное на выявление возможных дестабилизирующих факторов, определить возможности процесса с точки зрения статистического управления и разработать соответствующие инструменты, применимые в рамках действующих систем менеджмента. При этом нежелательно применять сложные и дорогостоящие информационные системы для сбора, обработки и анализа, рекомендуемые для крупных предприятий. Все это подтверждает актуальность и своевременность предложенных мер, направленных на разработку статистической методики анализа и управления, применимой в рамках современной системы менеджмента качества малого предприятия, разрабатывающего и реализующего наукоемкие сложные технологические процессы.

Поэтому целью настоящей работы являлось повышение результативности и эффективности процесса высокоскоростного затвердевания расплава при получении металлического волокна путем решения вопросов управления качеством на основе упорядоченного применения статистических методов и инструментов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследовать известные физико-математические модели процесса высокоскоростного затвердевания расплава и установить совокупность причинно-следственных связей на ключевых стадиях формирования.

2. Разработать модель статистического анализа, управления и улучшения качества технологического процесса с учетом многофакторного взаимодействия при экстракции из расплава на показатели качества получаемого металлического волокна.

3. Разработать методические рекомендации по оценке возможности статистического управления, анализу и улучшению качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава.

4. Осуществить экспериментальную отработку с оценкой возможности статистического управления и последующего улучшения процесса экстракции из висящей капли расплава при получении металлического волокна для фильтрующих элементов.

Объектом исследования является технологический процесс высокоскоростного затвердевания расплава. Предметом исследования являются научно-методические и организационно-технические методы и подходы по статистическому анализу и управлению качеством технологических процессов.

Работа выполнена в «МАТИ» — Российском государственном технологическом университете им. К. Э. Циолковского на кафедре «Управление качеством и сертификация» и состоит из четырех глав.

В первой главе дается обзор литературных данных, касающихся управления качеством технологического процесса. Проводится анализ отечественного и зарубежного опыта в решении вопросов менеджмента. Кроме того, представлены основные показатели качества металлического волокна для фильтрующих элементов, методы получения материалов данного класса, их преимущества и недостатки. Анализируются различные варианты формирования волокна, в том числе, и наиболее перспективный — экстракция волокна из капли расплава, главным недостатком которого сегодня является нестабильность, и соответственно, неоднородность продукции на выходе, а также отсутствие адекватного статистического инструмента управления сложным многофакторным процессом.

Во второй главе рассмотрены вопросы разработки методических основ управления качеством в процессе высокоскоростного затвердевания расплава, и в частности, формирования металлического волокна методом экстракции висящей капли расплава с акцентированием внимания на обеспечение статистической стабильности условий и результатов. На основе выполненных исследований сформирована совокупность причинно-следственных факторов, играющих основную роль при реализации заданных геометрических параметров металлического волокна, влияющих на механические и физико-химические свойства формируемой продукции, и оказывающих непосредственное влияние на статистическую устойчивость рассматриваемого технологического процесса. Проводится теоретический анализ роли процесса ВЗР в формировании металлического волокна с заданными свойствами. Строится система причинно-следственных факторов, имеющих место в условиях быстроменяющейся гидродинамической и тепловой обстановки при взаимодействии диска-кристаллизатора с расплавом, кристаллизации и последующем охлаждении продукции при использовании технологии ВЗР для получения металлического волокна. Предложена математико-статистическая модель анализа и управления высокоскоростным затвердеванием расплава.

В третьей главе приводится разработка методики статистического анализа и управления качеством процесса высокоскоростного затвердевания расплава, которая включает в себя последовательность действий начиная со сбора статистических данных и заканчивая этапом постоянного улучшения. Подробно рассматривается процедура сбора статистических данных о качестве процесса, включая выбор показателей и планирование контроля, первичная обработка и исключение резко выделяющихся значений. Предлагаются рекомендации по построению вариационного ряда, начиная с выбора типа ряда и включая группировку данных, расчет статистических показателей, непосредственное построение и первичная оценка стабильности процесса. Даются предложения по оценке статистической устойчивости технологического процесса, исходя из характера распределения полученных значений. Большое внимание уделяется процедуре проведения корреляционно-регрессионного анализа как основе для оценки причинно-следственных взаимосвязей, а также для определения путей дальнейшего улучшения.

В четвертой главе рассматривается управление качеством процесса ВЗР при получении металлического волокна на производстве. Приводится проводится пошаговый регрессионный — корреляционный анализ влияния факторов на качество технологического процесса. Проводятся исследования и демонстрируются расчеты подтверждающие возможность статистического управления технологическим процессом высокоскоростного затвердевания расплава методом ЭВКР при производстве металлического волокна.

На защиту выносятся следующие положения:

1. разработана методика статистического анализа и управления качеством высокоскоростного затвердевания расплава, отличающаяся учетом причинно-следственных взаимодействий на отдельных стадиях многофакторного процесса, что позволяет существенно повысить полноту, точность и адекватность физико-математической модели экстракции из расплава.

2. разработан алгоритм статистического анализа, управления и улучшения качества процесса высокоскоростного затвердевания расплава, отличающийся комплексным использованием математических методов и инструментов и позволяющий получать волокно в управляемых условиях.

3. теоретически обоснована и экспериментально подтверждена * возможность статистического управления процессом экстракции висящей капли расплава при получении металлического волокна.

К практической значимости работы относится:

1. Разработанный алгоритм позволяет проводить оценку качества продукции при внедрении новых, а так же улучшении существующих наукоемких технологических процессов на основе статистического анализа.

2. Разработанные рекомендации являются основой для создания, внедрения и развития систем менеджмента качества в инновационных предприятиях.

3. Разработанный алгоритм статистического анализа и управления качеством процесса высокоскоростного затвердевания расплава и совокупность установленных воздействующих факторов является основой для проведения корректирующих и предупреждающих мероприятий, а так же для последующего улучшения при формировании металлических волокон.

4. Результаты исследования внедрены в учебный процесс по специальности «Управление качеством» на кафедре «Управление качеством и сертификация» в ГОУ ВПО «МАТИ» — Российском государственном технологическом университете имени К. Э. Циолковского.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 5 конференциях и научно-технических семинарах. В их числе Пятый Международный Аэрокосмический Конгресс (Москва, 2006 г.), Пятая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством», (Москва, 2006 г.), Шестая Всероссийская, научно-практическая конференция «Управление качеством» (Москва, 2007 г.), Международнаямолодежная научная конференция XXXII Гагаринские чтения (Москва, 2006 г.), Седьмая Всероссийская научно-практическая конференция «Управление качеством», (Москва, 2008 г.).

7. Результаты исследования используются на кафедре «Управление качеством и сертификация» в «МАТИ» — Российском Государственном Технологическом Университете имени К. Э. Циолковского при преподавании дисциплин «Управление качеством» и «Статистические методы в управлении качеством».