六西格瑪在橋梁用鋼力學(xué)性能改善中的應(yīng)用

龐義行

（山鋼股份萊蕪分公司 寬厚板事業(yè)部，山東 萊蕪271100）

1 前言

隨著我國鐵路、公路、大跨度和大跨徑橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁鋼的需求快速增長，預(yù)計我國橋梁結(jié)構(gòu)用鋼年需求將突破150萬t。通過市場調(diào)查，客戶對寬厚板產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)注的主要因素是鋼板的力學(xué)性能，不僅要求性能合格，而且要穩(wěn)定。當(dāng)前萊鋼生產(chǎn)的橋梁鋼為Q345qC系列，性能穩(wěn)定性差，波動較大，平均一次性能合格率僅為93%，成為制約產(chǎn)品質(zhì)量提升的瓶頸。

六西格瑪作為一套系統(tǒng)、集成的業(yè)務(wù)改進(jìn)方法體系，通過對現(xiàn)有的流程進(jìn)行過程界定、測量、分析、改進(jìn)、控制，即DMAIC流程進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，消除過程缺陷和無價值作業(yè)，實現(xiàn)過程輸出趨于理想目標(biāo)值，減少波動，進(jìn)而提高質(zhì)量、降低成本，達(dá)到客戶滿意。本研究結(jié)合當(dāng)前橋梁鋼產(chǎn)品力學(xué)性能波動大的問題，通過六西格瑪應(yīng)用進(jìn)行性能合格率提升攻關(guān)，提高產(chǎn)品一次性能合格率，以期提升產(chǎn)品質(zhì)量、拓寬萊鋼專用板產(chǎn)品的銷售市場、增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和提升市場知名度。

2 確定關(guān)鍵影響因子

2.1 生產(chǎn)工藝流程

煉鋼完成后經(jīng)板坯連鑄機(jī)拉坯后，將板坯送至軋線，板坯在加熱爐內(nèi)加熱至一定溫度，出鋼后經(jīng)高壓水除鱗，送至粗軋，由粗軋軋制到設(shè)定中間坯厚度，經(jīng)過輥道輸送至精軋機(jī)，通過多道次軋制成目標(biāo)厚度，經(jīng)Mulpic控制冷卻至目標(biāo)溫度，通過熱矯直機(jī)矯直，提高板形質(zhì)量，然后由橫移輸送至冷床進(jìn)行空冷。工藝流程：煉鋼→板坯→加熱→除鱗→粗軋→精軋→Mulpic水冷→熱矯。

2.2 CE矩陣

根據(jù)工藝流程中工序輸入因子與輸出因子的相關(guān)性，通過CE矩陣計算流程輸出重要度，確定重要影響因子，繪制CE矩陣如表1所示。

表1 影響性能的CE矩陣

根據(jù)流程因子及相關(guān)性重要度加權(quán)分析，確定化學(xué)成分、加熱溫度、粗軋開軋溫度、精軋開軋溫度、精軋終軋溫度、開冷溫度、冷卻速率、ACC終冷溫度共8個重要因子。

2.3 過程失效模式及后果分析

根據(jù)過程系統(tǒng)功能要求、潛在失效模式、失效后果、嚴(yán)重度（S）、頻度（O）、探測度（D）、失效機(jī)理、控制預(yù)防方法對風(fēng)險等級（RPN）進(jìn)行過程失效模式及后果分析（PFEMA）打分，篩選因子，找出關(guān)鍵因子及快速改善機(jī)會［1］。RPN＝S×O×D。運(yùn)用pareto圖（見圖1）對PFEMA中影響因子進(jìn)行篩選，確定出：化學(xué)成分、加熱溫度、精軋開軋溫度、精軋終軋溫度、ACC終冷溫度、冷卻速率6個關(guān)鍵因子。同時實施了熱電偶維護(hù)與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化、高溫計維護(hù)與校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化等快速改善項目。

圖1 潛在失效起因/機(jī)理pareto圖

3 關(guān)鍵因子分析

3.1 理論分析

根據(jù)生產(chǎn)流程分析，決定產(chǎn)品力學(xué)性能的主要有2個環(huán)節(jié)：軋鋼過程和煉鋼過程。煉鋼工序主要是化學(xué)成分，鋼的化學(xué)成分見表2。

表2 橋梁鋼化學(xué)成分 %

隨含C量增加，屈服點和抗拉強(qiáng)度升高，但塑形和沖擊性能降低；Mn是良好的脫氧劑和脫硫劑，不但可以提高鋼的韌性，且較大幅度提高鋼的強(qiáng)度和硬度，提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能；Si作為還原劑和脫氧劑，Si含量較高時，可提高鋼的彈性極限、屈服點和抗拉強(qiáng)度；Nb能細(xì)化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強(qiáng)度，但塑形和韌性有所降低，可以提高鋼的抗大氣腐蝕性能、改善焊接性能。Ti是鋼中強(qiáng)脫氧劑，使鋼的組織致密，晶粒細(xì)化，降低鋼的敏感性和冷脆性，改善鋼的焊接性能［2］。

軋鋼過程主要影響因素是加熱溫度、精軋開軋溫度、精軋終軋溫度、ACC終冷溫度、冷卻速率。1）合理的板坯加熱溫度，可以改善鋼中偏析等缺陷，加熱溫度過高，會發(fā)生鋼的過熱、過燒，鋼坯表面嚴(yán)重氧化脫碳。2）精軋開軋溫度一般在Ar3，實現(xiàn)未再結(jié)晶區(qū)軋制，開軋溫度較高，存在回復(fù)再結(jié)晶，開軋溫度越低，軋制過程中奧氏體晶粒越細(xì)小。3）奧氏體區(qū)軋制，終軋溫度越高，奧氏體晶粒越粗大，相變后越易出現(xiàn)魏氏組織；終軋溫度過低，畸變能越大，形成先共析鐵素體越多，影響鋼板的強(qiáng)韌性。4）ACC終冷溫度越低，冷卻后析出的針狀鐵素體越多，當(dāng)ACC終冷溫度降低到550℃以下，出現(xiàn)貝氏體組織，鋼板韌性有降低的趨勢。隨著ACC終冷溫度降低，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸升高，韌性總體提升。5）冷速越大，冷卻過程中組織轉(zhuǎn)變的晶粒越細(xì)小，冷卻后析出的針狀鐵素體越多，冷速越快出現(xiàn)貝氏體組織含量越高，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度逐漸升高，韌性總體提升。

3.2 回歸分析

根據(jù)確定的關(guān)鍵因子，采用多元回歸分析確定C、Si、Mn、P、S、Nb、Ti及板坯加熱溫度、精軋開軋溫度、精軋終軋溫度、ACC終冷溫度、冷卻速率對力學(xué)性能是否顯著影響。其中P、S作為有害元素且含量極低，不作為回歸分析的因子。

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計建立回歸方程，結(jié)合因子回歸系數(shù)的顯著行檢驗，刪除不顯著因子，得出最終回歸方程如下：

屈服強(qiáng)度＝888＋265×C＋49.5×Mn-0.421×加熱溫度－0.211×ACC終冷溫度；抗拉強(qiáng)度＝1 107＋226×C＋45.1×Mn－0.409×加熱溫度－0.248×ACC終冷溫度。根據(jù)方程得出：C含量、Mn含量、加熱溫度、ACC終冷溫度共4個因子對產(chǎn)品性能有顯著影響，故確定為下一步改善對象。

4 因子改善及效果

由于需要改善因子數(shù)目＜5，根據(jù)六西格瑪試驗設(shè)計要求，采用4因子2水平加3中心點的全因子DOE試驗設(shè)計。通過試驗設(shè)計，找出因子C、Mn、加熱溫度、ACC終冷溫度對鋼板力學(xué)性能變化的影響，通過調(diào)整關(guān)鍵因子提高產(chǎn)品性能穩(wěn)定性。通過因子設(shè)計，建立擬合模型如下：

屈服強(qiáng)度＝425.759＋6.35×C＋3.75×Mn－4.00×板坯加熱溫度－1.125×ACC終冷溫度－1.25×C×Mn+2.50×C×板坯加熱溫度-2.625×C×ACC終冷溫度-3.75×Mn×ACC終冷溫度；抗拉強(qiáng)度＝523.474＋12.75×C＋2.25×Mn＋1.875×板坯加熱溫度－6.75×ACC終冷溫度－2.5×C×ACC終冷溫度＋3.625×Mn×板坯加熱溫度－3.50×Mn×ACC終冷溫度。

結(jié)合回歸模型，利用相應(yīng)優(yōu)化器，得出最佳因子范圍見表3。

表3 最佳因子范圍

統(tǒng)計Q345qC系列性能情況，參數(shù)調(diào)整前，屈服強(qiáng)度平均409 MPa，波動范圍318～525 MPa，波動值207 MPa；抗拉強(qiáng)度平均542 MPa，波動范圍423～667 MPa，波動值244 MPa。根據(jù)最佳因子范圍，調(diào)整生產(chǎn)現(xiàn)場參數(shù)后，橋梁鋼產(chǎn)品一次性能合格率由此前的93%提升至97%，同時屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度的平均值及穩(wěn)定性較前期有明顯提升，波動范圍均＜5%，見圖2。

通過六西格瑪在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用指導(dǎo)，有效地促進(jìn)了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定提升，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)在市場中的競爭力。

圖2 橋梁鋼強(qiáng)度優(yōu)化改進(jìn)前后對比