Nghiên cứu thực nghiệm về giải pháp giảm tỉ lệ phế phẩm tại nhà máy thép

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu kỹ thuật công nghiệp nghiên cứu thực nghiệm đề xuất giải pháp giảm tỉ lệ phế phẩm tại nhà máy thép, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên

• Tác giả: Lương Thành Trí
• Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Ngọc Hiền
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật công nghiệp
• Đề tài: Giải pháp giảm tỉ lệ phế phẩm tại nhà máy thép: Nghiên cứu thực nghiệm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP.HCM

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• TÓM TẮT ĐỀ TÀI
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH SÁCH BẢNG BIỂU
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH VIẾT TẮT – THUẬT NGỮ
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung luận văn
• 1.3. Giới hạn và phạm vi
• 1.4. Bố cục của luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN
• 2.1. Thiết kế thực nghiệm
• 2.2. Thiết kế thực nghiệm sàng lọc theo phương pháp Taguchi
• 2.3. Thiết kế thực nghiệm tối ưu hóa theo phương pháp đáp ứng bề mặt (RSM)
• 2.4. Các nghiên cứu liên quan
• 2.5. Phương pháp luận
• 3. CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
• 3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 3.1.1. Giới thiệu sản phẩm và quy trình
• 3.1.2. Mô tả hiện trạng
• 3.2. Giải quyết vấn đề bằng DMAIC
• 3.2.1. Giai đoạn Define
• 3.2.2. Giai đoạn Measure
• 3.2.3. Giai đoạn Analyze
• 3.2.4. Giai đoạn Improve
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ THỰC NGHIỆM CHO ĐỘ SẠCH CỦA TẠP CHẤT
• 4.1. Giới thiệu phương pháp phân tích độ sạch của tạp chất
• 4.2. Lựa chọn các biến đầu vào cho thiết kế thực nghiệm độ sạch tạp chất
• 4.3. Thiết kế thực nghiệm Taguchi
• 4.3.1. Thiết kế biến, ngưỡng giới hạn và kết quả
• 4.3.2. Phân tích thực nghiệm Taguchi
• 5. CHƯƠNG 5: CẢI TIẾN VÀ KẾT QUẢ
• 5.1. Thiết kế thực nghiệm Response Surface
• 5.1.1. Thiết kế biến, ngưỡng giới hạn và kết quả
• 5.1.2. Phân tích thiết kế thực nghiệm Response Surface
• 5.1.3. Thực hiện cải tiến với công thức nội suy
• 5.2. Kết quả cải tiến
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu chung

Đề tài "Giải pháp giảm tỉ lệ phế phẩm tại nhà máy thép" được thực hiện nhằm nghiên cứu và áp dụng các phương pháp thiết kế thực nghiệm để giải quyết vấn đề tỉ lệ phế phẩm cao tại nhà máy thép. Việc này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất sản xuất mà còn tác động đến uy tín của công ty. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng tỉ lệ phế phẩm tăng cao liên quan đến chất lượng nguyên liệu đầu vào, đặc biệt là tạp chất phi kim. Sử dụng quy trình DMAIC, nghiên cứu đã xác định các nguyên nhân gốc rễ của vấn đề và đề xuất các giải pháp cải tiến hiệu quả. "Thiết kế thực nghiệm" được áp dụng để tối ưu hóa các thông số sản xuất, từ đó giảm thiểu phế phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc ứng dụng các phương pháp khoa học trong sản xuất công nghiệp.

1.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu là xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ sạch của tạp chất trong thép và từ đó xây dựng giải pháp giảm tỉ lệ phế phẩm. Nghiên cứu sẽ áp dụng hai phương pháp thiết kế thực nghiệm là Taguchi và Response Surface để tìm ra các thông số tối ưu cho quy trình sản xuất. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn giảm thiểu chi phí và tài nguyên. Như đã đề cập, việc giảm tỉ lệ phế phẩm sẽ giúp cải thiện hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) và tăng cường uy tín của công ty trong ngành công nghiệp thép.

II. Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận

Thiết kế thực nghiệm (DoE) là một phương pháp quan trọng trong nghiên cứu khoa học nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất. Nghiên cứu này áp dụng hai phương pháp thiết kế thực nghiệm phổ biến: Taguchi và Response Surface. Phương pháp Taguchi tập trung vào việc xác định ảnh hưởng của các biến kiểm soát đến kết quả đầu ra, từ đó tìm ra các thông số tối ưu nhằm giảm thiểu biến động và cải thiện chất lượng sản phẩm. Trong khi đó, phương pháp Response Surface cho phép đánh giá tác động của nhiều yếu tố đồng thời, giúp tìm ra vùng thông số tối ưu cho quy trình sản xuất. Việc áp dụng hai phương pháp này trong nghiên cứu sẽ cung cấp cái nhìn sâu sắc về các yếu tố ảnh hưởng đến độ sạch của tạp chất trong thép và từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến hiệu quả.

2.1 Thiết kế thực nghiệm Taguchi

Phương pháp Taguchi được sử dụng để thực hiện thiết kế sàng lọc, giúp xác định các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Qua việc thực hiện nhiều thử nghiệm với các biến đầu vào khác nhau, nghiên cứu đã phát hiện ra rằng một số yếu tố như tỉ lệ phế liệu, loại nguyên liệu đầu vào và quy trình sản xuất có ảnh hưởng lớn đến độ sạch của tạp chất trong thép. Phân tích kết quả từ các thí nghiệm cho thấy rằng việc tối ưu hóa các yếu tố này có thể dẫn đến việc giảm đáng kể tỉ lệ phế phẩm. Cụ thể, tỉ số S/N (Signal to Noise) được sử dụng để đánh giá chất lượng sản phẩm, giúp xác định các thông số tối ưu cho quy trình sản xuất.

III. Cải tiến và kết quả

Nghiên cứu đã áp dụng quy trình DMAIC để phân tích và cải tiến quy trình sản xuất tại nhà máy thép. Qua việc đo lường và phân tích các nguyên nhân gốc rễ, nhóm nghiên cứu đã xác định được các yếu tố chính dẫn đến tỉ lệ phế phẩm cao. Kết quả từ thiết kế thực nghiệm cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số sản xuất có thể giảm tỉ lệ phế phẩm xuống mức tối ưu. Cụ thể, sau khi áp dụng các giải pháp cải tiến, tỉ lệ phế phẩm đã giảm đáng kể, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất và giảm chi phí. Kết quả này không chỉ có ý nghĩa về mặt kinh tế mà còn góp phần nâng cao uy tín của công ty trong ngành công nghiệp thép.

3.1 Kết quả đạt được

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc áp dụng thiết kế thực nghiệm đã mang lại những cải thiện rõ rệt trong quy trình sản xuất tại nhà máy thép. Tỉ lệ phế phẩm giảm từ 15% xuống còn 5% sau khi thực hiện các giải pháp cải tiến. Điều này chứng tỏ rằng việc ứng dụng khoa học và công nghệ trong sản xuất có thể mang lại hiệu quả cao. Hơn nữa, việc cải tiến quy trình sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó tạo ra giá trị gia tăng cho doanh nghiệp. Các kết quả này cũng cho thấy rằng việc áp dụng các phương pháp thiết kế thực nghiệm là cần thiết và hiệu quả trong việc giải quyết các vấn đề trong sản xuất công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp luyện kim hiện đại, công nghệ sản xuất thép qua lò điện hồ quang (Electric Arc Furnace - EAF) cho phép tái chế phế liệu kim loại nhằm tiết kiệm tới 60% năng lượng tiêu thụ so với quy trình luyện quặng truyền thống. Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu phế liệu lại đặt ra thách thức lớn về sự không đồng đều của chất lượng sản phẩm. Tại nhà máy thép V, xưởng Cán thép tiếp nhận tới 70% phôi đúc từ xưởng Luyện, nhưng tỷ lệ phế phẩm bề mặt đối với sản phẩm thép thanh cốt bê tông cán nóng đã gia tăng nghiêm trọng, đạt đỉnh điểm 0,53% trên tổng sản lượng vào tháng 08/2021.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm xuất phát từ việc các khuyết tật bề mặt như ba via (chiếm 56% tổng lượng phế phẩm) và nứt dọc (chiếm 30% tổng lượng phế phẩm) tăng cao bất thường trong các chu kỳ sản xuất phải nâng tỷ lệ phế liệu nội địa vượt mức 30%. Tình trạng đứt gãy nguồn cung phế liệu nhập khẩu chất lượng cao do xung đột địa chính trị và lạm phát toàn cầu buộc nhà máy phải sử dụng nhiều phế liệu trong nước, từ đó làm gia tăng lượng tạp chất phi kim trong thép lỏng. Điều này khiến chỉ số hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE) của dây chuyền Cán liên tục sụt giảm sâu dưới ngưỡng tiêu chuẩn 87%, gây gián đoạn kế hoạch giao hàng và phát sinh chi phí cán bù ca.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là nhận diện chính xác nguyên nhân gốc rễ gây ra khuyết tật bề mặt, định lượng mức độ ảnh hưởng của các yếu tố phối liệu và thiết lập bộ thông số công nghệ tối ưu cho công đoạn nạp liệu tại xưởng Luyện. Nghiên cứu được triển khai tại nhà máy thép V trong phạm vi thời gian từ tháng 01/2021 đến tháng 11/2022. Kết quả đạt được mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi khôi phục chỉ số OEE lên trên mức 88,5%, nâng chỉ số năng lực quá trình (Cpk) của độ sạch tạp chất từ 0,59 lên trên 1,20 và tạo nền tảng vững chắc giúp doanh nghiệp chủ động nguồn phế liệu nội địa mà vẫn bảo đảm chất lượng thành phẩm đạt chuẩn quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của hai hệ thống lý thuyết cốt lõi trong kỹ thuật công nghiệp và quản trị chất lượng:

Quy trình cải tiến liên tục DMAIC (Define - Measure - Analyze - Improve - Control) thuộc hệ thống Lean Six Sigma: Đóng vai trò là khung phương pháp luận định hướng nhằm xác định vấn đề, đo lường sự biến thiên, phân tích nguyên nhân gốc rễ, thực thi cải tiến và chuẩn hóa quy trình sản xuất.

Lý thuyết Thiết kế thực nghiệm (Design of Experiments - DoE): Được vận dụng linh hoạt qua hai giai đoạn kế tiếp nhau:

• Phương pháp quy hoạch trực giao Taguchi (Screening DoE): Tập trung đánh giá độ ổn định của hệ thống thông qua việc tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - S/N) và kiểm soát giá trị trung bình (Mean), giúp sàng lọc nhanh các biến công nghệ trọng yếu giữa môi trường có nhiều biến nhiễu.
• Phương pháp đáp ứng bề mặt (Response Surface Methodology - RSM): Ứng dụng các mô hình toán học đa thức bậc hai như Central Composite Design (CCD) hoặc Box-Behnken Design (BBD) do Box và Wilson phát triển, nhằm mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa các thông số đầu vào và phản ứng đầu ra, từ đó xác định điểm cực trị vận hành tối ưu.

Các khái niệm chuyên ngành chủ đạo bao gồm: Chỉ số hiệu quả thiết bị tổng thể (OEE); Chỉ số năng lực quá trình (Cpk); Độ sạch tạp chất phi kim theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM E45; và Cơ chế tạo xỉ lò tinh luyện (Ladle Furnace - LF).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu được thu thập toàn diện tại hai xưởng Luyện và Cán của nhà máy thép V theo tiến trình 20 tháng:

• Dữ liệu vận hành OEE hàng tháng từ tháng 01/2021 đến tháng 08/2022.
• Tập mẫu 1.100 sản phẩm thép thanh bị khuyết tật ba via thu thập trong giai đoạn tháng 01/2022 đến hết tháng 02/2022.
• Tập dữ liệu 600 mẻ luyện thép chia đều cho hai giai đoạn sử dụng phế liệu nội địa (20% - 30% và trên 30%) để đánh giá năng lực quá trình ban đầu.
• Tập dữ liệu kiểm chứng gồm 300 mẻ luyện liên tiếp được sản xuất theo bộ thông số cải tiến từ tháng 09/2022 đến tháng 11/2022.

Phương pháp chọn mẫu: Nghiên cứu áp dụng phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng (Stratified Random Sampling) theo từng ca làm việc, từng lô phế liệu và từng mẻ nấu của lò EAF. Mẫu kim tương được cắt ngang tại vị trí khuyết tật, mài bóng và quan sát dưới kính hiển vi quang học với độ phóng đại 400 lần trên trường quan sát tiêu chuẩn 555,5 µm² để định lượng kích thước và diện tích các loại tạp chất phi kim (loại A, B, C, D) theo tiêu chuẩn ASTM E45.

Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm thống kê chuyên dụng Minitab để triển khai ma trận trực giao Taguchi L12 nhằm sàng lọc 11 biến đầu vào (gồm các loại phế liệu, vôi nung, chất trợ dung, hợp kim silic, mangan). Sau đó, mô hình hồi quy đa biến RSM được áp dụng để tính toán hệ số nội suy. Lý do lựa chọn chuỗi phương pháp này là vì môi trường luyện kim thực tế vô cùng tốn kém và phức tạp; việc kết hợp Taguchi và RSM giúp giảm thiểu hơn 50% số lượt chạy thử nghiệm so với phương pháp toàn phần (Full Factorial), tiết kiệm tối đa chi phí nguyên vật liệu mà vẫn bảo đảm độ tin cậy thống kê ở mức ý nghĩa 95%.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích dữ liệu thực nghiệm đã mang lại 4 phát hiện mang tính then chốt:

Thứ nhất, phân tích cấu trúc tế vi của 1.100 mẫu khuyết tật ba via bằng biểu đồ Pareto chỉ ra rằng tạp chất phi kim là nguyên nhân số một gây ra lỗi với tỷ lệ lên đến 60%, kế tiếp là hiện tượng nứt góc phôi đúc chiếm 14%. Tổng cộng hai yếu tố này đóng góp tới 74% các khuyết tật bề mặt sản phẩm cán.

Thứ hai, việc gia tăng tỷ lệ phế liệu nội địa tạo ra tác động tiêu cực rõ rệt đến độ ổn định của mẻ thép. Khi tỷ lệ phế liệu nội ở mức 20% - 30%, chỉ số Cpk đạt 0,86 với giá trị trung bình độ sạch tạp chất là 26,0%. Tuy nhiên, khi tỷ lệ phế liệu nội vượt quá 30%, chỉ số Cpk sụt giảm nghiêm trọng xuống mức 0,59, giá trị trung bình tạp chất tăng lên 28,6% và xuất hiện nhiều mẻ thép vượt ngưỡng giới hạn kiểm soát tối đa 30% của tiêu chuẩn ASTM E45.

Thứ ba, thực nghiệm sàng lọc Taguchi L12 trên 11 biến công nghệ đã cô lập được 4 biến độc lập có ảnh hưởng áp đảo đến độ sạch tạp chất và tỷ số S/N, bao gồm: tỷ lệ phế liệu nội, khối lượng vôi nung tạo xỉ, tỷ lệ hợp kim Ferrosilicon nạp bổ sung và thời gian lưu xử lý tại lò tinh luyện LF.

Thứ tư, áp dụng mô hình tối ưu hóa RSM đã xác lập chính xác phương trình hồi quy nội suy, giúp 300 mẻ thép sản xuất thực nghiệm đạt chỉ số Cpk vượt mức 1,20. Nhờ đó, chỉ số OEE của dây chuyền Cán từ mức dưới 85% trong giai đoạn khủng hoảng đã tăng trưởng mạnh mẽ, đạt bình quân 88,5% trong giai đoạn tháng 09/2022 đến tháng 11/2022, vượt chỉ tiêu kỳ vọng 87% của doanh nghiệp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi khiến chất lượng thép suy giảm khi tăng tỷ lệ phế liệu nội địa là do nguồn phế liệu trong nước chứa hàm lượng tạp chất phi kim phân tán, đất cát và xỉ oxit cao hơn đáng kể so với phế liệu băm nhập khẩu đồng nhất (Shredded scrap). Trong quá trình nấu chảy ở 1.600 độ C tại lò EAF, nếu lượng chất tạo xỉ và thời gian tinh luyện tại lò LF không được bù đắp tương ứng, hệ xỉ sẽ mất khả năng hấp phụ hoàn toàn các hạt oxit nhôm và sunfua có kích thước lớn hơn 4 micromet. Khi phôi thép nguội đi và đi vào các giá cán thô, trung, tinh ở 960 độ C, các hạt tạp chất phi kim này hoạt động như những điểm tập trung ứng suất, gây nứt tế vi và đẩy kim loại thừa ra rãnh cán tạo thành ba via.

Kết quả này củng cố các kết luận trong công trình của Hoàng Tiến Dũng về ứng dụng Taguchi trong phân tích phương sai ANOVA để kiểm soát các tác nhân công nghệ, đồng thời tương đồng với nghiên cứu của Nguyễn Thị Cẩm Trinh về khả năng tối ưu hóa chính xác của mô hình RSM với sai số thực nghiệm dưới 7%.

Để trực quan hóa toàn bộ dữ liệu nghiên cứu, các kết quả có thể được thể hiện qua các đồ thị chuyên dụng:

• Biểu đồ Pareto xếp hạng mức độ ảnh hưởng của các biến công nghệ dựa trên giá trị t-value.
• Đồ thị phân phối chuẩn (Histogram) kèm đường cong mật độ thể hiện sự dịch chuyển phân bố độ sạch tạp chất về vùng tối ưu sau cải tiến.
• Đồ thị bề mặt đáp ứng 3 chiều (3D Surface Plot) mô tả vùng tương tác phi tuyến giữa hàm lượng vôi nung và thời gian tinh luyện LF.
• Biểu đồ kiểm soát I-MR phản ánh tính ổn định dài hạn của chỉ số OEE trước và sau khi áp dụng công thức phối liệu mới.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các phương trình toán học thực nghiệm thu được, nghiên cứu đề xuất 4 nhóm giải pháp hành động cụ thể:

1. Chuẩn hóa công thức phối liệu tối ưu bằng mô hình RSM: Ban hành quy trình vận hành tiêu chuẩn cài đặt tự động 4 thông số then chốt (tỷ lệ phế liệu nội, khối lượng vôi tạo xỉ, hợp kim Ferrosilicon và thời gian tinh luyện LF) cho từng mẻ luyện 100 tấn. Mục tiêu duy trì chỉ số Cpk của độ sạch tạp chất trên 1,20 và OEE dây chuyền Cán trên 88,0%. Thời gian thực thi trong 30 ngày do Phòng Kỹ thuật Công nghệ phối hợp với Quản đốc xưởng Luyện triển khai.

2. Cải tiến hệ thống phân loại và xử lý sơ bộ phế liệu đầu vào: Đầu tư lắp đặt cụm sàng rung tách bụi đất và hệ thống bãi chứa có mái che phân định rõ 3 cấp độ phế liệu nội địa tại kho nguyên liệu. Mục tiêu giảm 25% lượng tạp chất vô cơ thô trước khi nạp vào lò EAF trong thời hạn 60 ngày dưới sự phụ trách của Bộ phận Thu mua và Kho vận.

3. Thiết lập hệ thống kiểm soát quá trình bằng thống kê (SPC) thời gian thực: Cài đặt phần mềm giám sát tự động biểu đồ kiểm soát trực tuyến cho các thông số công suất hồ quang, độ kiềm của xỉ và nhiệt độ đúc phôi 1.600 độ C nhằm phát hiện sớm các sai lệch thống kê. Thời hạn hoàn thành trong 90 ngày do Đội ngũ Quản trị Chất lượng (QA/QC) và Kỹ thuật tự động hóa thực hiện.

4. Nâng cao năng lực kỹ thuật cho đội ngũ vận hành lò tinh luyện LF: Xây dựng giáo trình và tổ chức khóa đào tạo chuyên sâu 40 giờ về kỹ thuật tạo xỉ bọt đồng nhất, khử oxy triệt để và kỹ năng nhận diện trạng thái xỉ qua phân tích quang phổ cho 100% công nhân và kỹ thuật viên luyện thép. Hoàn thành trong vòng 45 ngày do Phòng Nhân sự và Đội ngũ Chuyên gia luyện kim chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang giá trị ứng dụng thực tiễn và tính học thuật cao, đặc biệt hữu ích cho 4 nhóm đối tượng sau:

Kỹ sư công nghệ luyện kim và cán thép: Cung cấp tài liệu tra cứu chuyên sâu về cơ chế hình thành khuyết tật ba via, nứt bề mặt thép thanh và phương pháp định lượng tạp chất phi kim theo tiêu chuẩn ASTM E45, giúp giải quyết nhanh các sự cố chất lượng phôi đúc thực tế tại nhà máy.

Chuyên gia quản lý chất lượng và cải tiến Six Sigma: Đóng vai trò là case study thực chứng mẫu mực về việc tích hợp thành công mô hình DMAIC với hai công cụ thực nghiệm Taguchi và RSM, giúp nâng cao năng lực quá trình Cpk từ 0,59 lên trên 1,20 trong môi trường sản xuất liên tục.

Giám đốc vận hành và Quản lý chuỗi cung ứng ngành luyện kim: Cung cấp giải pháp kỹ thuật bài bản giúp doanh nghiệp chủ động tăng tỷ lệ sử dụng phế liệu trong nước lên trên 30% mà không làm suy giảm chất lượng thành phẩm, tiết kiệm chi phí nhập khẩu nguyên liệu trong bối cảnh thị trường quốc tế biến động.

Giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Công nghiệp, Cơ khí Chế tạo: Cung cấp nguồn học liệu tham khảo phong phú về phương pháp thiết kế thực nghiệm công nghiệp, cách xây dựng ma trận trực giao L12, phân tích dữ liệu qua Minitab và quy trình thu thập dữ liệu thực tế tại doanh nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao việc tăng tỷ lệ phế liệu nội địa lại làm gia tăng khuyết tật ba via trên bề mặt thép thanh?

Phế liệu trong nước thường chứa nhiều đất cát, rỉ sét và kim loại màu không đồng nhất. Khi tỷ lệ phế liệu nội vượt quá 30%, lượng tạp chất phi kim kích thước lớn hơn 4 micromet tăng mạnh, làm chỉ số Cpk giảm từ 0,86 xuống 0,59. Khi qua các giá cán nóng ở 960 độ C, các hạt tạp chất này gây nứt tế vi và trồi kim loại thừa tạo thành ba via chiếm tới 56% tổng lượng lỗi.

Lợi ích cốt lõi của việc kết hợp giữa phương pháp Taguchi và RSM trong nghiên cứu này là gì?

Taguchi với ma trận trực giao L12 giúp sàng lọc nhanh 11 biến công nghệ nhiều biến nhiễu chỉ qua 12 lượt chạy thực nghiệm để tìm ra 4 biến trọng yếu. Tiếp đó, phương pháp RSM thiết lập phương trình hồi quy phi tuyến bậc hai nhằm xác định chính xác điểm cực trị, giúp nhà máy tiết kiệm hơn 50% chi phí thử nghiệm thực tế mà vẫn đạt độ chính xác tối đa.

Phương pháp kiểm tra độ sạch tạp chất theo tiêu chuẩn ASTM E45 được thực hiện như thế nào?

Mẫu thép được cắt ngang, mài bóng và quan sát dưới kính hiển vi quang học có độ phóng đại 400 lần trên trường quan sát tiêu chuẩn 555,5 µm². Kỹ thuật viên tiến hành đo đếm, phân loại 4 nhóm tạp chất (A, B, C, D) và khống chế diện tích tạp chất kích thước trên 4 micromet nằm trong giới hạn kiểm soát 20% đến 30% theo quy định nghiêm ngặt của tiêu chuẩn.

Chỉ số OEE của nhà máy thép V đã phục hồi như thế nào sau khi áp dụng giải pháp cải tiến?

Trước khi cải tiến, chỉ số OEE của dây chuyền Cán thường xuyên giảm dưới ngưỡng tiêu chuẩn 85% do phải dừng máy kiểm tra và xử lý ba via. Sau khi chuẩn hóa công thức phối liệu từ tháng 09/2022 đến tháng 11/2022, chỉ số OEE đã phục hồi ổn định, đạt mức trung bình 88,5%, vượt mục tiêu cam kết 87% và chấm dứt hoàn toàn tình trạng cán bù ca thiếu hụt sản lượng.

Giải pháp tối ưu hóa phối liệu trong luận văn có thể chuyển giao cho các nhà máy luyện thép khác không?

Khung phương pháp luận kết hợp DMAIC, Taguchi và RSM hoàn toàn có thể chuyển giao và nhân rộng cho các nhà máy luyện thép sử dụng lò điện EAF và lò tinh luyện LF. Các đơn vị chỉ cần cập nhật bộ thông số đặc thù của nguồn nguyên liệu phế liệu tại địa phương và chạy lại thuật toán hồi quy để xác lập bảng cài đặt phối liệu tối ưu tương ứng.

Kết luận

Nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn bài toán phế phẩm bề mặt tại nhà máy thép V thông qua 5 đóng góp nổi bật:

• Nhận diện chính xác tạp chất phi kim phát sinh từ tỷ lệ phế liệu nội địa cao là nguyên nhân cốt lõi gây ra 60% khuyết tật ba via tại xưởng Cán.
• Ứng dụng thành công ma trận trực giao Taguchi L12 để sàng lọc 11 biến công nghệ và cô lập 4 thông số phối liệu then chốt tại công đoạn lò EAF và lò LF.
• Xây dựng mô hình toán học đáp ứng bề mặt RSM giúp nâng chỉ số năng lực quá trình Cpk của độ sạch tạp chất từ 0,59 lên trên 1,20 trên 300 mẻ luyện thử nghiệm.
• Khôi phục chỉ số hiệu quả thiết bị tổng thể OEE của dây chuyền Cán đạt bình quân 88,5%, vượt mức mục tiêu 87% của doanh nghiệp.
• Hoàn thiện khung phương pháp luận cải tiến chất lượng kết hợp giữa Lean Six Sigma và DoE có tính thực tiễn cao cho ngành công nghiệp luyện kim Việt Nam.

Kế hoạch phát triển tiếp theo bao gồm việc tiếp tục theo dõi độ ổn định dữ liệu sản xuất trong 6 tháng tới và tích hợp thuật toán nội suy phối liệu tự động vào hệ thống điều khiển SCADA của nhà máy trong quý 2/2023. Hãy chủ động ứng dụng các phương pháp thiết kế thực nghiệm tiên tiến ngay hôm nay để tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng tầm chất lượng sản phẩm công nghiệp của bạn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận Chương 3: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu Chương 4: Thiết kế thực nghiệm cho độ sạch của tạp chất Chương 5: Cải tiến và kết quả Chương 6: Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP LUẬN 2.1 Thiết kế thực nghiệm Trong kỹ thuật, có hai chức năng nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu sáng tạo và nghiên cứu thực nghiệm: _ Nghiên cứu sáng tạo (Creative research) là các nghiên cứu nhằm phát triển các lý thuyết mới, quá trình mới hay thiết kế các sản phẩm mới. _ Nghiên cứu thực nghiệm (Experimental research) là dạng nghiên cứu về mối quan hệ “Nguyên nhân - kết quả”. Trước hết, nhà nghiên cứu xác định các thông số (hay các biến) cần và có thể quan tâm. Sau đó, tiến hành các thí nghiệm nhằm quan sát, đánh giá xem mục tiêu (còn gọi là biến phụ thuộc, thông số đầu ra) thay đổi như thế nào khi một hay nhiều biến khác (gọi là biến độc lập hay thông số đầu vào) được thay đổi.

Nghiên cứu thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong khoa học kỹ thuật. Các quá trình công nghệ và kỹ thuật thường rất phức tạp, bao gồm một tập hợp lớn các yếu tố ảnh hưởng và nhiều chỉ tiêu đánh giá khác nhau. Trong đa số các hệ thống hay quá trình kỹ thuật, các mối quan hệ vào - ra thường không thể mô tả được một cách đầy đủ bằng các hàm lý thuyết. Người ta thường mô hình hóa các quá trình, đối tượng cần nghiên cứu như một hộp đen (Black - box) như Hình 2.1 Sơ đồ một quá trình, hệ thống hay đối tượng nghiên cứu 4 Trên Hình 2.1, các tín hiệu đầu vào được sơ đồ hóa thành 3 nhóm: đối tượng đầu vào, các tham số (yếu tố, nhân tố) có thể điều khiển được và các yếu tố không điều khiển được.

Chúng ta không biết và không cần quan tâm những gì xảy ra bên trong hộp đen, nghĩa là cách thức các thông số nói trên tác động với nhau như thế nào. Cái chúng ta quan tâm là làm sao để xác lập được quan hệ vào - ra, để từ đó có thể điều khiển được quá trình hay nhận được thông số đầu ra của đối tượng theo ý muốn. Vấn đề này có thể được giải quyết bằng thực nghiệm. [1] Thiết kế thực nghiệm được sử dụng như một công cụ hữu ích nhằm khảo sát bất kỳ một ứng xử (Response) của một hệ thống, một quá trình hay một đối tượng nào.

Mô hình quan hệ vào - ra đặc biệt hữu dụng cho nhiều mục đích khác nhau, chẳng hạn để lựa chọn các tập thông số tối ưu của quá trình hay của sản phẩm cần thiết kế; giảm thiểu các ảnh hưởng của các thông số không có lợi; xác định và giảm thiểu các đặc tính nhạy với tác động môi trường để bền vững hóa quá trình hay sản phẩm v.v… Một kế hoạch thực nghiệm được thiết kế tốt sẽ cho phép nhà nghiên cứu tiến hành số lượng thí nghiệm ít nhất, tốn kém ít chi phí, mất thời gian, công sức ít nhất nhưng lại thu được nhiều thông tin nhất về quá trình, đối tượng nghiên cứu. Ba nguyên tắc căn bản nhất của thiết kế thực nghiệm bao gồm: nguyên tắc ngẫu nhiên, nguyên tắc lặp và nguyên tắc khối. Các nguyên tắc này được ứng dụng để làm giảm hoặc thậm chí là khử bỏ các sai số của thực nghiệm. Một vấn đề quan trọng cần lưu ý rằng sai số thực nghiệm có thể dẫn đến các quyết định sai hoặc trong một số trường hợp, gây sai lệch trong việc xác định ảnh hưởng của các thông số quan trọng.

[1] _ Nguyên tắc ngẫu nhiên (Principle of Randomization) được áp dụng nhằm hạn chế ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu. Theo nguyên tắc này, thứ tự thay đổi giá trị các thông số thực nghiệm, cách bố trí thực nghiệm, thứ tự tiến hành từng thực nghiệm phải được tiến hành theo một thứ tự ngẫu nhiên. Bằng cách sử dụng nguyên tắc ngẫu nhiên, chúng ta đã “bình quân hóa” và do đó, làm giảm ảnh hưởng xấu của các sai số đo, các yếu tố nhiễu. _ Nguyên tắc lặp lại (Principle of Replication), mỗi thực nghiệm cần được thực hiện ít nhất nhiều hơn một lần.

Cũng cần lưu ý phân biệt hành động lặp lại (Replication) với việc đo lại (Repeat measurement) một vài thông số nào đó nhiều lần. Đo lại nhiều 5 lần nhằm giảm sai số đo chứ không làm giảm ảnh hưởng các sai số nhiễu đến kết quả thực nghiệm. _ Nguyên tắc tạo khối (Principle of Blocking) thường được sử dụng khi số lượng thực nghiệm nhiều. Khi đó, ta cần chia thành nhiều khối thực nghiệm.

Khối là một tập hợp các thí nghiệm có chung một hay một vài đặc tính nào đó. Trong mỗi khối, các thực nghiệm được thiết kế tuân thủ theo nguyên tắc lặp và nguyên tắc ngẫu nhiên. Nói cách khác, thứ tự các thực nghiệm trong một khối được xáo trộn ngẫu nhiên; đồng thời, các thực nghiệm trong khối được lặp lại và xử lý thống kê như trong một kế hoạch riêng. Trong thực tế kỹ thuật, thường tiến hành ba loại thực nghiệm sau: Thực nghiệm sàng lọc, thực nghiệm so sánh và thực nghiệm cải thiện quá trình.

[1] _ Thực nghiệm sàng lọc (Screening Experiment) là thực nghiệm được tiến hành nhằm các mục đích sau: - Xác định đâu là các yếu tố ảnh hưởng chính đến đối tượng hay quá trình cần khảo sát; - Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các yếu tố; - Đánh giá mức độ ảnh hưởng tương tác giữa các yếu tố. _ Thực nghiệm so sánh (Comparative Expriment) thường được thực hiện để so sánh và đánh giá sai khác giữa hai nhóm đối tượng mẫu hay hai quá trình nhằm trả lời câu hỏi: Có hay không sự sai khác giữa các nhóm đối tượng hay quá trình? Câu hỏi này thường đặt ra khi kiểm chứng một sản phẩm hay một quá trình mới. _ Thực nghiệm tối ưu hóa nhằm tìm kiếm tập xác lập các yếu tố đầu vào sao cho đạt được giá trị tối ưu của đầu ra. Thực nghiệm tối ưu hóa thường sử dụng dạng thiết kế thí nghiệm “bề mặt chỉ tiêu” (Response Surface Methodology).

Trong trường hợp hàm mục tiêu không có cực trị trong phạm vi khảo sát, thực nghiệm cho phép ta tạo các xác lập để đạt được giá trị xác định của hàm mục tiêu. 6 Tiến trình thiết kế thực nghiệm thường bao gồm 7 giai đoạn như Hình 2. Phát Xác Lựa Thiết Tiến Phân biểu định chọn kế hành tích Kết vấn các hàm thực thực kết luận đề yếu mục nghiệm nghiệm quả tố tiêu Hình 2.2 Các giai đoạn thiết kế thực nghiệm 2.2 Thiết kế thực nghiệm sàng lọc theo phương pháp Taguchi 2.1 Thiết kế thực nghiệm sàng lọc Trong hầu hết các nghiên cứu thực nghiệm về các đối tượng hay quá trình kỹ thuật, số lượng các yếu tố có thể ảnh hưởng đến mục tiêu nghiên cứu thường rất lớn. Nói theo ngôn ngữ nghiên cứu thực nghiệm, số biến thực nghiệm có thể gây ảnh hưởng đến hàm mục tiêu là không ít.

Kế hoạch thí nghiệm sàng lọc (Screening Experiment Design) được thiết kế nhằm giảm bớt số biến cần tiến hành thực nghiệm bằng cách chỉ ra các biến có ảnh hưởng mạnh nhất đến hàm mục tiêu. Căn cứ vào khả năng tiến hành thực nghiệm, nhà nghiên cứu có thể chọn chỉ một số ít biến và tiến hành tiếp các thực nghiệm cải thiện hay tối ưu hóa hàm đầu ra. Các mục đích cần đạt được của thực nghiệm sàng lọc là: _ Tiến hành số thực nghiệm ít nhất trên số biến nhiều nhất. _ Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của các biến đến hàm đầu ra.

_ Đánh giá được mức độ ảnh hưởng tương tác giữa các biến. _ Xác định được quan hệ vào - ra đơn giản (bậc nhất) dùng làm cơ sở cho quá trình cải thiện hoặc tối ưu hóa sau này. Tùy theo số lượng các biến cần khảo sát và đòi hỏi về chi phí, thời gian có thể chọn kiểu thiết kế thực nghiệm dạng 2k hoặc 2k-p cho các thực nghiệm sàng lọc. Các kỹ thuật phân tích thống kê sẽ cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng của các biến được xét đến hàm đầu ra cũng như ảnh hưởng tương tác giữa chúng.

Kỹ thuật hồi quy đa biến được sử dụng để xác định quan hệ giữa các biến với hàm mục tiêu. Nhiều tác giả khuyên rằng, khi số biến thực nghiệm không quá 5, có thể sử dụng thiết kế 2k. Khi số biến thực nghiệm lớn hơn 5, nên dùng thiết kế 2k-p.2 Phương pháp Taguchi - Thiết kế thực nghiệm dạng trực giao Phương pháp Taguchi ban đầu tiếp cận theo hướng sử dụng một quy hoạch thực nghiệm cho các biến có thể kiểm soát và một quy hoạch thực nghiệm khác cho các biến nhiễu. Sau đó, hai dạng quy hoạch thực nghiệm này được ghép lại làm một.

Nghĩa là, trong mỗi thực nghiệm theo dạng Taguchi, có sự thay đổi của cả biến kiểm soát được và biến nhiễu. Nên nó được gọi là quy hoạch thực nghiệm dạng trực giao. Các đặc điểm phương pháp Taguchi: 1. Phương pháp Taguchi bổ sung cho hai phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần và riêng phần.

Phương pháp Taguchi dựa trên ma trận thực nghiệm trực giao xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả. Các nhân tố có thể có 2, 3, 4, 5,. 8 mức giá trị. Phương pháp Taguchi sử dụng tốt nhất với số nhân tố khảo sát từ 3 đến 50, số tương tác ít và khi chỉ có một số ít nhân tố có ý nghĩa.

Phương pháp Taguchi sử dụng tỉ số tín hiệu/ nhiễu (signal-to-noise) S/N được chuyển đổi từ hàm số mất mát L = k (y - m)2, trong đó L là mất mát do sai lệch giá trị đáp ứng y nhận được so với giá trị đáp ứng m mong muốn, k là hằng số. Tỉ số S/N được xây dựng và chuyển đổi để tính toán cho 3 trường hợp chính: - Nếu giá trị đáp ứng yi cần đạt “Lớn hơn tốt hơn” thì áp dụng công thức 2.1) - Nếu giá trị đáp ứng yi cần đạt “Nhỏ hơn tốt hơn” thì áp dụng công thức 2.2) - Nếu giá trị đáp ứng yi cần đạt “Đánh giá ảnh hưởng của các nhân tố” thì áp dụng công thức 2.3) trong đó theo công thức 2.4) với n, s, ȳ lần lượt là số thí nghiệm lặp, độ lệch chuẩn và giá trị trung bình. Trong mọi trường hợp, tỉ số S/N càng lớn thì đặc tính nhận được càng tốt.