六西格瑪方法在降低無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷中的應(yīng)用

劉旺臣，賀亮，王存，何士國(guó)，于斌，張吉富，王杰

（鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司，遼寧 營(yíng)口115007）

電工鋼是一種含碳很低的硅鐵軟磁合金［1］，一般含碳量≤0.5%，含硅量為0.5%～6.5%，主要被用來(lái)制作各種電機(jī)、發(fā)電機(jī)和變壓器的鐵芯，是電力、電子和軍工業(yè)生產(chǎn)中的重要原材料［2］。電工鋼對(duì)鋼水冶煉的成分控制，加熱軋制過(guò)程工藝溫度控制，鋼板厚度同板差、通板差以及鋼板表面質(zhì)量要求較高，工藝質(zhì)量控制難度大。因此，能夠生產(chǎn)高品質(zhì)的電工鋼是衡量一個(gè)鋼鐵企業(yè)具有較高生產(chǎn)質(zhì)量控制水平的重要標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)成品鋼板晶粒取向，電工鋼一般分為無(wú)取向硅鋼和取向硅鋼兩類(lèi)。鞍鋼1580熱軋線從2016年開(kāi)始生產(chǎn)無(wú)取向硅鋼熱軋卷，已開(kāi)發(fā)生產(chǎn)了 50AW1300、50AW800、50AW470、50AW250 等系列牌號(hào)無(wú)取向硅鋼，但在生產(chǎn)過(guò)程中，存在熱軋邊裂缺陷率高的問(wèn)題，硅鋼全品種邊裂缺陷率高達(dá)5%。為了控制減少無(wú)取向硅鋼邊裂缺陷，提高產(chǎn)品質(zhì)量，鞍鋼1580熱軋線采取六西格瑪質(zhì)量分析方法對(duì)硅鋼熱軋生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，查找影響無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的關(guān)鍵因子，制定工藝優(yōu)化方案，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

1 確定關(guān)鍵因子

鞍鋼股份有限公司鲅魚(yú)圈鋼鐵分公司1580線無(wú)取向硅鋼熱軋主要生產(chǎn)工藝流程為：連鑄坯→加熱→粗軋→精軋→卷取。通過(guò)檢查統(tǒng)計(jì)，無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷一般隨機(jī)出現(xiàn)在帶鋼工作側(cè)和傳動(dòng)側(cè)，裂口深度一般為5～30 mm。圖1為無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷。

圖1 無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷Fig.1 Edge Cracking Defect of Hot Rolled Non-oriented Silicon Steel

根據(jù)卷取機(jī)前的帶鋼表檢質(zhì)量檢測(cè)儀檢查結(jié)果，邊裂缺陷在卷取之前就已經(jīng)產(chǎn)生，因此排除了卷取工序，確定邊部裂口缺陷是由于加熱和軋制過(guò)程工藝不當(dāng)造成的。無(wú)取向硅鋼熱軋表檢儀檢測(cè)邊裂缺陷見(jiàn)圖2。

為了確定影響無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的重要影響因子，采用CE矩陣、FMEA等分析方法，對(duì)各項(xiàng)生產(chǎn)工藝因子進(jìn)行逐步分析，確定一加熱段溫度、二加熱段溫度、均熱段溫度、均熱段加熱時(shí)間、出爐溫度、精軋導(dǎo)尺開(kāi)口度余量等工藝因子是影響無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的重要因子。

圖2 無(wú)取向硅鋼熱軋表檢儀檢測(cè)邊裂缺陷Fig.2 Edge Cracking Defect Detected by Surface Tester for Hot Rolling Non-oriented Silicon Steel

2 關(guān)鍵因子對(duì)邊裂缺陷影響分析

2.1 理論分析

無(wú)取向硅鋼由于其Si和Al含量較高而C含量較低，在連鑄后的冷卻過(guò)程中無(wú)法通過(guò)奧氏體-鐵素體的相變來(lái)細(xì)化晶粒，因此無(wú)取向硅鋼鑄坯晶粒比較粗大。在加熱爐加熱過(guò)程中晶界易發(fā)生氧化和脫碳，導(dǎo)致晶界脆化，在熱軋過(guò)程中發(fā)生晶界處開(kāi)裂［3］，由于鋼板邊部溫度較低，不易發(fā)生再結(jié)晶和軋制焊合，導(dǎo)致了鋼板邊部邊裂缺陷的產(chǎn)生。如果無(wú)取向硅鋼加熱工藝控制不當(dāng)，板坯在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生微裂紋，導(dǎo)致在后續(xù)軋制過(guò)程中無(wú)法焊合而產(chǎn)生邊裂缺陷。

為了檢測(cè)無(wú)取向硅鋼的熱力學(xué)性能，對(duì)含硅3.2%的無(wú)取向硅鋼50AW250取軋線中間坯樣板，加工成試樣在GLEEBLE-3800熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)，真空狀態(tài)下將試樣以10℃/s的速率升到1 350℃，保溫3 min后，以3℃/s的速率降到變形溫度，將試樣進(jìn)行熱拉伸，測(cè)得拉斷后試樣的最大力值并計(jì)算出斷面收縮率，據(jù)此做出熱塑性、熱強(qiáng)性模擬試驗(yàn)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)取向硅鋼熱模擬試驗(yàn)曲線Fig.3 Thermal Simulation Test Curve of Non-oriented Silicon Steel

從熱塑性曲線上看，無(wú)取向硅鋼在軋制溫度為1 200℃以上時(shí) ，熱塑性隨溫度升高而大幅降低，在800℃附近存在脆性區(qū)；從熱強(qiáng)度曲線上看，無(wú)取向硅鋼在1 000℃以上時(shí)強(qiáng)度較低，在800～1 000℃時(shí)隨溫度降低強(qiáng)度逐漸升高，在800℃以下時(shí)隨溫度降低強(qiáng)度大幅升高。因此，無(wú)取向硅鋼板坯加熱溫度應(yīng)控制在1 200℃以下，軋制溫度控制在800～1 200℃，考慮軋制過(guò)程中的溫降，無(wú)取向硅鋼板坯加熱溫度應(yīng)控制在1 100～1 200℃區(qū)間。由于無(wú)取向硅鋼導(dǎo)熱性能較差［4］，板坯實(shí)際溫度比爐溫低，為了保證板坯溫度的均勻性，加熱爐二加熱段、均熱段爐膛溫度一般均在1 200℃以上，一旦加熱時(shí)間和加熱溫度控制不當(dāng)，會(huì)造成硅鋼板坯產(chǎn)生裂紋，造成后續(xù)軋制過(guò)程中產(chǎn)生邊裂缺陷。

另外，為了減小無(wú)取向硅鋼熱軋過(guò)程帶鋼中心線波動(dòng)，防止帶鋼在精軋機(jī)內(nèi)跑偏產(chǎn)生順折和甩尾事故，熱軋過(guò)程中精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)口度余量一般較小，通過(guò)擠壓帶鋼保證軋制中心對(duì)中，而由于帶鋼與精軋側(cè)導(dǎo)板的摩擦作用，造成精軋側(cè)導(dǎo)板摩擦界面及其附近溫度升高，使帶鋼邊部變形抗力降低，塑性提高，界面氧化膜破碎，伴隨著側(cè)導(dǎo)板和帶鋼間的塑性流變，通過(guò)界面的分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)焊接，即摩擦焊接，帶鋼邊部組織由于溫度不同而造成原子間的應(yīng)力不同，應(yīng)力小的部位會(huì)脫離帶鋼被焊接在側(cè)導(dǎo)板上形成結(jié)瘤［5］，而軋制過(guò)程中高速運(yùn)行的帶鋼撞擊側(cè)導(dǎo)板后容易產(chǎn)生邊部裂口缺陷［6］。檢查無(wú)取向硅鋼軋制后的精軋側(cè)導(dǎo)板表面狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)板表面存在大塊結(jié)瘤如圖4所示，根據(jù)檢查情況，結(jié)瘤多在精軋F(tuán)2、F3、F4機(jī)架側(cè)導(dǎo)板上產(chǎn)生，因此判定邊裂缺陷主要可能在精軋F(tuán)2、F3、F4機(jī)架產(chǎn)生。

2.2 數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步分析加熱工藝、精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)口度與無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的相關(guān)性，收集了200卷無(wú)取向硅鋼熱軋卷的相關(guān)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢查結(jié)果，以加熱工藝、精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)口度參數(shù)為X因子，以邊部裂口缺陷發(fā)生概率為Y輸出因子，進(jìn)行自定義響應(yīng)曲面逐步優(yōu)化分析，F(xiàn)檢驗(yàn)分析結(jié)果見(jiàn)表1，擬合優(yōu)度分析結(jié)果見(jiàn)表2，邊部裂口發(fā)生概率Y與顯著性因子的回歸方程見(jiàn)式（1）。

圖4 精軋側(cè)導(dǎo)板結(jié)瘤圖示Fig.4 Scaffolding Schematic Diagram of the Side Guide in Finishing Mill

表1 自定義響應(yīng)曲面F檢驗(yàn)分析結(jié)果Table 1 Test Analysis Results for Custom Response Curved Plane F

表2 自定義響應(yīng)曲面分析擬合優(yōu)度表Table 2 Fitting Optimum Table for Custom Response Curved Plane by Analysis

擬合方程：Y=3.36-0.005 11X1+0.014 73X2+0.015 28X3-0.028 89X4-0.034 98X5-0.112X6-0.045 50X7+0.000 335X1X6-0.000 923X2X6-0.000 899X3X6+0.001 666X4X6+0.001 359X5X6+0.000465X5X7+0.001983X6X7（1）

從分析結(jié)果上看，一加熱段溫度、二加熱段溫度、均熱段溫度、出爐溫度、F2導(dǎo)板余量、F3導(dǎo)板余量、F4導(dǎo)板余量為影響無(wú)取向硅鋼邊部裂口缺陷的顯著因子，誤差占比7.39%，模型擬合優(yōu)度達(dá)到90%以上，說(shuō)明模型擬合準(zhǔn)確性較好。

主效應(yīng)圖見(jiàn)圖5，從圖中可以看出，一加熱段溫度、出爐溫度、F2導(dǎo)板余量、F3導(dǎo)板余量、F4導(dǎo)板余量與邊部裂口缺陷概率正相關(guān)，二加熱段溫度、均熱段溫度與邊部裂口缺陷概率負(fù)相關(guān)，因子存在交互作用，但從表1中看，一加熱段溫度影響占比28.58%，F(xiàn)3導(dǎo)尺開(kāi)口度余量影響占比35.17%，二者影響合計(jì)達(dá)到63.75%，為影響最大的因子，其他因子和交互作用影響相對(duì)較小。

圖5 主效應(yīng)圖Fig.5 Main Effect Diagram

以邊裂發(fā)生概率Y最小化、目標(biāo)值0.015、最大值0.05為目標(biāo)作響應(yīng)優(yōu)化分析，并根據(jù)工藝設(shè)備現(xiàn)狀優(yōu)化出一組工藝控制參數(shù)。工藝目標(biāo)值如下：一加熱段溫度1 150℃、二加熱段溫度1 240℃、均熱段溫度 1 220℃、出爐溫度1 120℃、F2側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度 25 mm、F3側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度30 mm、F4側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度30 mm。將上述參數(shù)代入模型計(jì)算，邊裂缺陷率響應(yīng)優(yōu)化器分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖6，合意性=1，即可以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量目標(biāo)。

圖6 邊裂缺陷率響應(yīng)優(yōu)化器分析結(jié)果Fig.6 Analysis Results by Response Optimizer for Defect Rate on Edge Cracking

3 應(yīng)用效果

將工藝優(yōu)化參數(shù)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)施驗(yàn)證，無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷率大幅降低。圖7為工藝改進(jìn)后無(wú)取向硅鋼表面質(zhì)量，從圖中可以看出，帶鋼表面質(zhì)量良好。無(wú)取向硅鋼邊裂缺陷率趨勢(shì)圖見(jiàn)圖8，從2018年7～9月，連續(xù) 3個(gè)月邊裂缺陷率控制到1%以下。

圖7 工藝改進(jìn)后無(wú)取向硅鋼表面質(zhì)量Fig.7 Surface Quality of Non-oriented Silicon Steel after Process Improvement

圖8 無(wú)取向硅鋼邊裂缺陷率趨勢(shì)圖Fig.8 Tendency Chart for Defect Rate on Edge Cracking of Non-oriented Silicon Steel

4 結(jié)論

（1）加熱爐各段加熱工藝溫度、硅鋼出爐溫度、精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)口度余量是影響無(wú)取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的關(guān)鍵因子。加熱爐各段溫度控制不當(dāng)，板坯在加熱過(guò)程中容易產(chǎn)生微裂紋，在后續(xù)軋制過(guò)程中延展產(chǎn)生邊部裂口缺陷；而帶鋼在精軋機(jī)內(nèi)撞擊、刮磨精軋側(cè)導(dǎo)衛(wèi)襯板，也會(huì)造成帶鋼產(chǎn)生邊部裂口缺陷。

（2）以一加熱段溫度1 150℃、二加熱段溫度1 240℃、均熱段溫度1 220℃、出爐溫度1 120℃、F2側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度25 mm、F3側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度30 mm、F4側(cè)導(dǎo)衛(wèi)開(kāi)口度30 mm為工藝控制目標(biāo)，可有效降低無(wú)取向硅鋼熱軋邊部裂口缺陷。

（3）通過(guò)適當(dāng)控制加熱爐各段加熱工藝溫度、硅鋼出爐溫度和精軋側(cè)導(dǎo)板開(kāi)口度余量，無(wú)取向硅鋼邊部裂口可以降低到1%以下。