HRB400E鋼材關(guān)鍵制造參數(shù)優(yōu)化

徐曉敏,王坤東,麻建雄

(1.上海電機(jī)學(xué)院 商學(xué)院,上海 201306; 2.上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院,上海 200240)

鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋也稱螺紋鋼,廣泛應(yīng)用于建造房屋、修造鐵路、建筑框架、修建橋梁、建立電站、機(jī)場(chǎng)建設(shè)、修建大壩.鋼材質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)工程建設(shè)質(zhì)量有直接影響.由于熱軋帶肋鋼筋在我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)中占據(jù)著重要地位,國(guó)家和社會(huì)都對(duì)該鋼筋的質(zhì)量非常關(guān)注.

鋼材產(chǎn)品在物理性能達(dá)到國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,最大限度地收緊質(zhì)量負(fù)偏差,除了節(jié)約金屬鋼材的消耗,還降低了成本,提高了生產(chǎn)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力.針對(duì)熱軋帶鋼筋檢驗(yàn)中的質(zhì)量及負(fù)偏差,閻玉剛等[5-8]從機(jī)械設(shè)計(jì)角度對(duì)熱軋帶肋鋼筋的底圓、橫肋、縱肋等進(jìn)行了精確的計(jì)算,通過(guò)拉力試驗(yàn),鋼內(nèi)部結(jié)構(gòu)精密度實(shí)驗(yàn)等對(duì)設(shè)計(jì)鋼材孔型、工藝加工提出了針對(duì)性意見.朱正勤等[9-17]研究如何從生產(chǎn)制造過(guò)程中最大限度地得到鋼筋負(fù)偏差時(shí)鋼材的收得量.任曉蕓等[18-19]從質(zhì)量檢驗(yàn)環(huán)節(jié)著手,著重探討了鋼材質(zhì)量檢驗(yàn)中為確保產(chǎn)品質(zhì)量而采取的方法.于振凡等[20-22]學(xué)者從檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)用、合理的組批、抽取適當(dāng)?shù)臉颖窘嵌妊芯苛顺闃臃桨傅倪x擇.這些研究都是基于GB 1499.2—2007及國(guó)標(biāo)《鋼筋混凝土用鋼第2部分:熱軋帶肋鋼筋》的部分條款,企業(yè)以質(zhì)量負(fù)偏差為準(zhǔn),而客戶在交驗(yàn)時(shí)往往同時(shí)關(guān)心另一個(gè)指標(biāo)即截面尺寸.不同的判定方法及結(jié)果往往引起不可避免的爭(zhēng)議,一方面影響了生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量聲譽(yù),另一方面造成了企業(yè)的損失.

從某鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)HRB400E鋼材抽樣檢驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題出發(fā),通過(guò)收集樣本數(shù)據(jù),分析質(zhì)量負(fù)偏差和截面尺寸偏差的關(guān)系,利用正交試驗(yàn)優(yōu)化這些參數(shù).在實(shí)現(xiàn)鋼材產(chǎn)品的物理性能達(dá)到國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的前提下,將鋼材截面尺寸最大限度地控制在負(fù)偏差范疇之內(nèi),以同時(shí)滿足生產(chǎn)企業(yè)和客戶的要求.

1 HRB400E的抽樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

有兩個(gè)主要途徑可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量負(fù)偏差:① 減小內(nèi)徑;② 減小鋼材橫肋和縱肋高度、寬度.通過(guò)減小內(nèi)徑來(lái)減輕鋼材單位長(zhǎng)度的質(zhì)量,這是實(shí)現(xiàn)質(zhì)量負(fù)偏差材最直接的方法.內(nèi)徑的縮小會(huì)直接導(dǎo)致鋼材截面積的減小,也會(huì)直接影響鋼材實(shí)際屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度,從而導(dǎo)致影響鋼材的使用強(qiáng)度.制鋼廠將帶肋鋼筋盡力軋得細(xì)一些,這也就是負(fù)偏差軋制的基礎(chǔ)理論.此外,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橫肋高度、縱肋高度及相應(yīng)偏差有明確規(guī)定,但橫肋和縱肋的寬度作為參考數(shù)據(jù);國(guó)標(biāo)規(guī)定了縱肋高度的上限,而對(duì)縱肋沒(méi)有規(guī)定.

本研究在選取樣本時(shí),考慮了上述國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求.首先,選取表面質(zhì)量合格的HRB400E鋼材,每15 min抽取樣品，其中,在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中理論質(zhì)量為3 317 kg,由于鋼材是按捆計(jì)算的,企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中定枝枝數(shù)為415枝.其次,對(duì)樣品進(jìn)行理化檢驗(yàn),得到檢驗(yàn)數(shù)據(jù),如表1所示.最后,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)其進(jìn)行分析.

表1 HRB400E樣本數(shù)據(jù)Tab.1 HRB400E sample data

根據(jù)GB 1499.2—2007鋼筋混凝土用鋼標(biāo)準(zhǔn),鋼材的實(shí)際質(zhì)量與理論質(zhì)量的允許偏差需符合表2的規(guī)定.

表2 國(guó)標(biāo)質(zhì)量偏差規(guī)定Tab.2 Standard weight deviation

2 方差分析及正交試驗(yàn)優(yōu)化

2.1 方差分析內(nèi)徑對(duì)質(zhì)量的影響顯著

鋼材(直條)Φ12 HRB400E經(jīng)抽樣檢樣后得到39組數(shù)據(jù),如表1所示.有兩個(gè)因素對(duì)鋼材質(zhì)量有影響:① 鋼材內(nèi)徑的大小;② 鋼材橫肋的高度.由于滿足方差分析的3個(gè)基本假定:正態(tài)性、方差齊性和獨(dú)立性,建立數(shù)學(xué)模型:

(1)

式中:αi為因子“內(nèi)徑”的主效應(yīng);βj為因子“橫肋高”的主效應(yīng).

按照企業(yè)規(guī)定,顯著性水平為0.05.各因子的水平如表3所示.

表3 內(nèi)徑與橫肋高度的數(shù)據(jù)Tab.3 Data of inner diameter and rib height

假設(shè):

H10:αi全等于0;

H11:αi不全是0;

H20:βj全等于0;

H21:βj不全是0.

使用Minitab軟件進(jìn)行方差分析,得到方差分析表(見表4).

表4 方差分析表Tab.4 Analysis of variance

注:S=7.980 45,RSquared=89.54%(AdjustedRSquared=88.64%).

由表4可見,α=0.05時(shí),在方差分析的最后一列P中,“內(nèi)徑”因子的P值是0.000<0.05,這說(shuō)明內(nèi)徑對(duì)質(zhì)量的影響效果顯著;而在“橫肋高度”因子的P值是0.589>0.05,說(shuō)明橫肋高度對(duì)鋼材質(zhì)量的影響不顯著.

判定系數(shù)(RSquared=89.54%)和調(diào)整后的判定系數(shù)(AdjustedRSquared=88.64%),它反映的是內(nèi)徑對(duì)質(zhì)量的影響程度,說(shuō)明兩者有很強(qiáng)相關(guān)關(guān)系.

2.2 正交試驗(yàn)優(yōu)化

本次正交試驗(yàn)的目的是尋求此鋼材內(nèi)徑與質(zhì)量在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的最佳匹配,目的是使企業(yè)的利潤(rùn)最大化,考核標(biāo)準(zhǔn)為收益,元.本次正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的因素為兩個(gè):內(nèi)徑A,mm;質(zhì)量B,kg.內(nèi)徑與質(zhì)量的交互作用對(duì)收益率也有較大影響,即要考慮內(nèi)徑與質(zhì)量的交互作用.兩個(gè)因素均有兩個(gè)位級(jí),即可列出因素位級(jí)表,如表5所示.

表5 因素位級(jí)表Tab.5 Factor level table

兩個(gè)因素均是兩個(gè)位級(jí),把兩個(gè)因素的交互作用也應(yīng)看作為兩個(gè)位級(jí)的因素,選擇正交表L4(23)有混雜現(xiàn)象,且無(wú)法進(jìn)行下去,所以選擇正交表L8(27)的正交表,即可列出正交試驗(yàn)表的表頭,如表6所示.

表6 表頭設(shè)計(jì)Tab.6 Top design

按照試驗(yàn)計(jì)劃進(jìn)行試驗(yàn),并記錄試驗(yàn)結(jié)果,即可得出試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)結(jié)果,如表7所示.

表7 試驗(yàn)計(jì)劃及結(jié)果Tab.7 Test program and result

通過(guò)表8和表9可得到方差計(jì)算表、方差分析表.

表8 方差計(jì)算表Tab.8 Variance table

試驗(yàn)結(jié)果y的方差分析,在檢驗(yàn)中使用調(diào)整的SS.

由表9可以看出：因素B的P值為0.005<0.05,說(shuō)明因素B是對(duì)利潤(rùn)的影響最為顯著;因素A的P值為0.063>0.05,說(shuō)明因素A對(duì)獲益的影響不夠顯著;因素A與因素B的交互作用的P值為0.100>0.05,說(shuō)明該因素對(duì)獲利的影響也不明顯.

表9 方差分析表Tab.9 Analysis of variance

注:S=8.291 56,RSquared=91.27%(AdjustedRSquared=84.72%).

對(duì)于顯著因素B,從表8可知,k1=1 925,k2=1 795,由于k1>k2,因此,因素B取1位級(jí)比較好,即質(zhì)量為3 151.2 kg.因素A不顯著,可任意取,在這里取1位級(jí)比較好,即內(nèi)徑為11.20 mm.

當(dāng)鋼材質(zhì)量越輕時(shí),企業(yè)獲利越大;鋼材內(nèi)徑越小,可以提高企業(yè)的利潤(rùn),即當(dāng)質(zhì)量和內(nèi)徑都為最小時(shí),企業(yè)能獲得最大的利潤(rùn).在符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和顧客要求的情況下,鋼材的內(nèi)徑與質(zhì)量分別為11.20 mm,3 151.2 kg時(shí)為企業(yè)交付鋼材的最優(yōu)組合,可以為企業(yè)帶來(lái)最大利潤(rùn).

表10為企業(yè)實(shí)際的鋼材內(nèi)徑與質(zhì)量偏差表,是在綜合考慮國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)利益的情況下,實(shí)際交付時(shí)使用的鋼材抽樣檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn).質(zhì)量偏差控制在負(fù)偏差之內(nèi),這樣既能滿足企業(yè)利潤(rùn),也能滿足國(guó)家要求.

表10 企業(yè)內(nèi)徑與質(zhì)量偏差表Tab.10 Internal diameter and weight deviation table

2.3 問(wèn)題與分析

對(duì)上述內(nèi)容,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)鋼材進(jìn)行檢驗(yàn),并運(yùn)用方差分析法對(duì)與鋼材質(zhì)量有關(guān)的參數(shù)——內(nèi)徑與橫肋高進(jìn)行分析,得到鋼材內(nèi)徑對(duì)質(zhì)量有顯著影響;然后運(yùn)用正交試驗(yàn)法尋求鋼材內(nèi)徑與質(zhì)量的最佳配比,其中,最佳配比是在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和顧客要求的情況下,以實(shí)現(xiàn)企業(yè)利潤(rùn)最大化為目的的實(shí)際執(zhí)行的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),即內(nèi)經(jīng)為11.2 mm,質(zhì)量為3 151.2 kg.

對(duì)于一個(gè)生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō),生產(chǎn)同時(shí)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和用戶要求的產(chǎn)品,才能最終給企業(yè)帶來(lái)實(shí)際效益.為保障HRB400E鋼材在使用中的安全性,鋼材的尺寸和質(zhì)量偏差必須同時(shí)符合標(biāo)準(zhǔn).雖然國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定鋼材的質(zhì)量與內(nèi)徑都有正負(fù)公差范圍,但在市場(chǎng)交易時(shí),鋼材的交貨質(zhì)量是按照理論交貨質(zhì)量來(lái)計(jì)算的,所以對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō),在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及顧客要求的前提下,鋼材的質(zhì)量越輕,生產(chǎn)企業(yè)的利潤(rùn)就越大;但是質(zhì)量越輕時(shí)內(nèi)徑也隨之減少,鋼材的受力程度就會(huì)大大降低,這會(huì)嚴(yán)重降低建筑物、大橋及房屋的安全性能.所以在滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)徑與質(zhì)量的負(fù)公差內(nèi),鋼材生產(chǎn)企業(yè)也要規(guī)定一個(gè)范圍,這個(gè)范圍:內(nèi)徑為11.1～11.4 mm,質(zhì)量偏差為-5.54%～-2.90%.

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)熱軋帶肋鋼材的內(nèi)徑與質(zhì)量進(jìn)行了研究,運(yùn)用方差分析法得到熱軋帶肋鋼材的內(nèi)徑對(duì)于鋼材質(zhì)量有顯著影響,并有強(qiáng)相關(guān)關(guān)系;然后運(yùn)用正交試驗(yàn)分析法找到熱軋帶肋鋼材內(nèi)徑與質(zhì)量的最佳搭配以實(shí)現(xiàn)成本降低.該方法可以推廣到圓鋼、彈扁鋼等不同鋼種的研究中.但是本文只考慮了鋼材的物理性能,未考慮其化學(xué)性能,所以還需做進(jìn)一步的研究;其次對(duì)于鋼材內(nèi)徑與質(zhì)量的位級(jí)是否可以進(jìn)一步細(xì)分,仍有待進(jìn)一步研究.