應(yīng)用 6σ法控制超低碳鋼連鑄過程增碳

胡明謙,魏 國(guó),劉 洋,紀(jì)惠梅,沈峰滿

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.本溪鋼鐵 （集團(tuán)）公司,遼寧 本溪 117000）

應(yīng)用 6σ法控制超低碳鋼連鑄過程增碳

胡明謙1,2,魏 國(guó)1,劉 洋2,紀(jì)惠梅2,沈峰滿1

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院,沈陽(yáng) 110004;2.本溪鋼鐵 （集團(tuán)）公司,遼寧 本溪 117000）

應(yīng)用 6σ法對(duì)影響連鑄過程的增碳因素進(jìn)行分析,使用單因子方差分析法考察了鋼包磚襯、開澆渣種類、中間包涂料批次、中包渣批次、保護(hù)渣種類等因素對(duì)超低碳鋼增碳量的影響.結(jié)果表明,鋼包磚襯、開澆渣種類、保護(hù)渣種類是影響超低碳鋼增碳的主要因素.根據(jù)研究結(jié)果,在生產(chǎn)中采取了使用無(wú)碳磚襯鋼包、無(wú)碳開澆渣、低碳結(jié)晶器保護(hù)渣等措施,鑄坯增碳量顯著降低,超低碳鋼連鑄工序增碳量小于 3×10-6.

超低碳鋼;連鑄;增碳;磚襯;保護(hù)渣

超低碳鋼由于具有無(wú)時(shí)效性、良好深沖性,及較高的冷軋壓下率等特點(diǎn)而在汽車工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用[1,2].為了保證其高延展性、高 r（塑性應(yīng)變率）值以及優(yōu)良的表面性能,必須嚴(yán)格控制鋼中碳、氮、氧含量,降低鑄坯側(cè)面和角部振痕深度[3～5].

目前,本鋼 RH真空精煉裝備可以將鋼水中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù) w[C]降低至 0.001%以下,但在后續(xù)處理工序中,鋼水中 w[C]增至 0.003%以上,抵消了 RH精煉設(shè)備的冶金效果.

2008年 1～5月本鋼連鑄超低碳鋼增碳情況見表 1.由表 1可見,此期間 w[C]的平均增加值為 4.77×10-6,增加值≤3×10-6的合格爐數(shù)僅占生產(chǎn)總量的 68.59%,與同行業(yè)的先進(jìn)水平有一定差距.為此,本研究采用 6σ管理方法對(duì)連鑄過程的增碳影響因素進(jìn)行分析,以期為控制增碳量 （以 ΔC表示 ,即 w[C]增加值 ,單位為 10-6）提供參考依據(jù).

表 1 2008年 1～5月超低碳鋼增碳情況Tab le 1 Ca rbon p ickup o f u ltra-low ca rbon stee ldu ring con tinuous casting in 2008

1 6σ管理方法的應(yīng)用

六西格瑪 （6σ）作為品質(zhì)管理概念,其目的是設(shè)計(jì)一個(gè)目標(biāo),在生產(chǎn)過程中降低產(chǎn)品及流程的缺陷次數(shù),防止產(chǎn)品變異,提升品質(zhì).近年來,它已經(jīng)從流程優(yōu)化概念發(fā)展為衡量業(yè)務(wù)流程能力的標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)流程不斷優(yōu)化的方法[6,7].

1.1 測(cè)量系統(tǒng)和制造系統(tǒng)分析

測(cè)量系統(tǒng)分析,是指用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來了解測(cè)量系統(tǒng)中的各個(gè)波動(dòng)源,以及它們對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響,最后給出本測(cè)量系統(tǒng)是否合乎使用要求的明確判斷.測(cè)量系統(tǒng)必須具有良好的準(zhǔn)確性和精確性.

1.1.1 測(cè)量系統(tǒng)重復(fù)性與再現(xiàn)性

本文使用 EM IA-820V碳硫分析儀,采用紅外線吸收方法測(cè)定鋼中的 C,S含量.測(cè)量對(duì)象:碳含量;樣本數(shù)量:10個(gè);檢驗(yàn)員:2人.檢驗(yàn)員分別對(duì)給定的 10個(gè)樣本各測(cè)量 2次,以驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)是否可靠.

（1）重復(fù)性波動(dòng):是指在盡可能相同的測(cè)量條件下,對(duì)同一測(cè)量對(duì)象進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)量所產(chǎn)生的波動(dòng),記為 EV.

（2）再現(xiàn)性波動(dòng):主要是度量不同的操作者在測(cè)量過程中產(chǎn)生的波動(dòng),記為 AV.

（3）測(cè)量對(duì)象間的波動(dòng):對(duì)測(cè)量對(duì)象來說,總是存在差異的.如果有 n個(gè)測(cè)量對(duì)象,k個(gè)測(cè)量者,每個(gè)測(cè)量者對(duì)每個(gè)測(cè)量對(duì)象均重復(fù)測(cè)量 m次,那么對(duì)這些測(cè)量對(duì)象可計(jì)算得到 n個(gè)均值,計(jì)算其極差 R p,測(cè)量對(duì)象間的波動(dòng)記為 PV.

測(cè)量系統(tǒng)能力用波動(dòng) R&R與總波動(dòng)之比來度量,通常記為 P/TV,即

式中:R&R為{（AV）2+（EV）2}1/2;TV為測(cè)量過程的總波動(dòng).本研究中,P/TV=0.000 382 5/0.001 970 2×100%=19.42%,根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)能力判別準(zhǔn)則的判別標(biāo)準(zhǔn),當(dāng) P/TV=19.42<30%,認(rèn)為測(cè)量系統(tǒng)是可靠的[7].使用 6σ管理法的專用軟件M initab計(jì)算得到圖 1.

由圖 1中變異分量圖 （上左）可見,樣本間的貢獻(xiàn)百分比遠(yuǎn)大于合計(jì)量具 R&R的貢獻(xiàn)百分比,表明大部分變異是由于樣本間的差異所致.根據(jù)圖 1（上右）,各測(cè)量值之間存在較大差異,不呈水平線狀,樣本覆蓋測(cè)量數(shù)據(jù)取值的全范圍;由圖 1（中左）和 （中右）可見,兩個(gè)檢驗(yàn)員之間差異較小;根據(jù) Xbar控制圖 （左下）,圖中的大部分點(diǎn)都在控制限制之外,表明變異主要是由于被測(cè)樣本間的差異所致;根據(jù)圖 （右下）,是對(duì)于樣本檢驗(yàn)員的 P值的直觀表示,表明每個(gè)樣本和檢驗(yàn)員之間不存在顯著的交互作用.這驗(yàn)證了測(cè)量系統(tǒng)的可靠性.

1.1.2 制造過程能力分析

制造過程能力是評(píng)價(jià)過程滿足過程預(yù)期要求的能力及其表現(xiàn)的方法.只有當(dāng)過程處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)時(shí),對(duì)制造過程能力進(jìn)行分析才有意義.如果有特殊原因的影響,在控制圖上會(huì)有異常點(diǎn)出現(xiàn).圖 2為超低碳鋼增碳量的概率圖.

由圖 2可見,數(shù)據(jù)點(diǎn)大致成直線,計(jì)算得概率P=0.163>0.05,可以推斷數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布.確定過程有能力符合規(guī)格限制并生產(chǎn)出“良好”的部件.

圖 3為增碳量的單值控制圖.從圖中可以看出,各點(diǎn)隨機(jī)分布在中心線附近,并且處于控制范圍內(nèi),沒有表現(xiàn)出任何趨勢(shì)或模式,流程穩(wěn)定,處于可控狀態(tài).確保過程受控后,通過計(jì)算指數(shù) Ppk評(píng)價(jià)系統(tǒng)的制造過程能力[7].通常:Ppk小于 1時(shí),過程能力不足;Ppk在 1～1.33時(shí),過程能力尚可;Ppk在 1.33～1.67時(shí),過程能力充足.

本研究中,計(jì)算得 Ppk=-0.16<1,制造過程能力較差,需要進(jìn)行改善.

1.2 增碳因素分析

連鑄生產(chǎn)過程中,可能造成鋼水增碳的因素包括耐火材料、工藝制度以及操作[8,9].如鋼包工作層材質(zhì)采用含碳量較高的鋁鎂碳磚,使用過程中受到鋼水的侵蝕、沖刷,易造成鋼水增碳[10].

對(duì) 2008年 1～5月份的超低碳鋼增碳情況進(jìn)行分析整理,共找出 5項(xiàng)可能影響超低碳鋼增碳的因素,分別為鋼包磚襯、開澆渣種類、中間包涂料、中包渣批次、保護(hù)渣種類.采用 6σ法對(duì)其進(jìn)行分析,確定主要影響因素.

1.2.1 鋼包磚襯的影響

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù),研究不同鋼包磚襯 （無(wú)碳磚襯和普通磚襯）對(duì)超低碳鋼增碳的影響.由圖 4可見,幾乎所有數(shù)據(jù)點(diǎn)都落在正態(tài)概率圖的置信邊界內(nèi),正態(tài)分布與數(shù)據(jù)擬合得很好,可以推斷數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果符合要求.由概率圖和直方圖可以看出,數(shù)據(jù)基本符合正態(tài)分布,擬合值中各點(diǎn)隨機(jī)分布在 0的兩側(cè),驗(yàn)證了該單因子方差分析的顯著性.

就不同鋼包磚襯對(duì)增碳量是否有影響的問題進(jìn)行單因子方差分析[7].建立原假設(shè) H 0:μ1=μ2;備擇假設(shè):H 1:μ1≠μ2.利用 M initab進(jìn)行計(jì)算,得:P=0.037<0.05,拒絕原假設(shè) H 0:μ1=μ2,即不同磚襯對(duì)增碳量的影響有顯著差異,使用合適的鋼包磚襯有利于控制超低碳鋼增碳.

1.2.2 開澆渣影響

同樣采用單因子方差分析方法,研究不同開澆渣 （無(wú)碳和普通）對(duì)超低碳鋼增碳的影響.結(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果符合要求.

對(duì)不同開澆渣 （無(wú)碳和普通）對(duì)超低碳鋼增碳的影響進(jìn)行單因子方差分析.同前方法,建立原假設(shè) H 0:μ1=μ2;備擇假設(shè):H 1:μ1≠μ2,利用M initab進(jìn)行計(jì)算得 P=0.033<0.05,拒絕原假設(shè)H 0:μ1=μ2,即不同開澆渣對(duì)增碳量有顯著差異.因此,使用合適的開澆渣有利于控制超低碳鋼增碳.

1.2.3 中間包涂料批次的影響

采用單因子方差分析方法,研究不同中間包涂料的影響.分析結(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果符合要求.

建立原假設(shè) H0:μ1=μ2=μ3=μ4;備擇假設(shè):4種中間包涂料對(duì)應(yīng)的增碳量不全相同.利用M initab進(jìn)行計(jì)算,得:P=0.953>0.05,接受原假設(shè),即中間包涂料對(duì)增碳量沒有顯著差異.

分析使用不同中間包涂料時(shí)的增碳量,并未發(fā)現(xiàn)有明顯規(guī)律 （見圖 5）,認(rèn)為這幾種涂料對(duì)增碳影響沒有顯著差別.

1.2.4 不同批次中包保護(hù)渣對(duì)增碳量的影響

采用單因子方差分析方法,研究不同批次中包保護(hù)渣 （不同生產(chǎn)日期）的影響.分析結(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果符合要求.

建立原假設(shè) H0:μ1=μ2=μ3;備擇假設(shè):H 1:μ1、μ2和μ3不全相等;利用 M initab進(jìn)行計(jì)算,得:P=0.973>0.05,接受原假設(shè),認(rèn)為中包保護(hù)渣批次對(duì)超低碳鋼增碳沒有顯著性影響.

1.2.5 保護(hù)渣碳含量的影響

采用單因子方差分析方法,研究不同保護(hù)渣（w[C]<3%和 w[C]>3%）的影響.分析結(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗(yàn)和方差齊性檢驗(yàn)結(jié)果符合要求.

建立原假設(shè) H 0:μ1=μ2;備擇假設(shè):H 1:μ1≠μ2.利用M initab進(jìn)行計(jì)算得:P=0.01<0.05,拒絕原假設(shè).因此,選擇碳含量合適的結(jié)晶器保護(hù)渣有利于控制超低碳鋼增碳.

圖 5 不同中間包涂料對(duì)應(yīng)增碳量Fig.5 Com pa rison o f ca rbon p ickup be tw een d iffe ren t tund ish coa tings

2 防止增碳生產(chǎn)實(shí)踐

根據(jù)上述分析,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),采取以下控制連鑄過程鋼坯增碳的措施:

（1）使用無(wú)碳磚襯鋼包

表 2為使用不同含碳量磚襯鋼包的鑄坯增碳情況對(duì)比.從中表可見,使用無(wú)碳磚鋼包的平均增碳量為 0.4×10-6,而使用鋁鎂碳磚鋼包的平均增碳量為 6.7×10-6.使用無(wú)碳磚鋼包可以降低增碳量 6.3×10-6.

表 2 不同材質(zhì)鋼包的增碳量Tab le 2 Ca rbon p ickup unde r d iffe ren t lad le lin ings

（2）使用無(wú)碳開澆渣

在實(shí)際生產(chǎn)中,對(duì)普通開澆渣和無(wú)碳開澆渣的應(yīng)用效果進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,使用普通開澆渣平均增碳量為 1.72×10-6,改用無(wú)碳開澆渣后平均增碳量降低到 0.41×10-6.

（3）使用低碳結(jié)晶器保護(hù)渣

在實(shí)際生產(chǎn)中,選擇了 A渣用作超低碳鋼連鑄結(jié)晶器保護(hù)渣,而棄用了碳含量較高的 B渣.通過現(xiàn)場(chǎng)使用情況看,A渣平均增碳量為 0.67×10-6,而以往 B渣平均增碳量為 2.52×10-6.采用A渣作為連續(xù)結(jié)晶器保護(hù)渣有效控制了鋼水增碳量.

（4）采用穩(wěn)態(tài)澆鑄工藝

在穩(wěn)態(tài)澆注工藝條件下 （恒拉速、結(jié)晶器自動(dòng)液面控制等）,超低碳鋼的鋼液增碳量很小,僅為 （1.1～2.1）×10-6;非穩(wěn)態(tài)澆注工藝條件下,由于結(jié)晶器內(nèi)鋼液紊流和液面波動(dòng),鋼液與粉渣接觸面積增大,超低碳鋼的增碳量最高可達(dá) 6.6×10-6.在澆注超低碳鋼時(shí)應(yīng)保持穩(wěn)態(tài)澆注,防止鋼水增碳.

通過采取無(wú)碳鋼包磚襯、無(wú)碳開澆渣及使用低碳保護(hù)渣,嚴(yán)格控制中包渣質(zhì)量,采用穩(wěn)態(tài)澆鑄工藝等措施,鑄坯增碳量顯著降低.2009年 1～5月份,鑄坯平均增碳量均小于 3×10-6,見圖 6.

圖 6 2008年與 2009年 1～5月增碳量對(duì)比Fig.6 Ca rbon p ickup o f u ltra low ca rbonstee l in 2008 and 2009

3 結(jié) 論

（1）采用 6σ管理辦法對(duì)連鑄過程增碳問題進(jìn)行研究,結(jié)果表明,本鋼測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試人員測(cè)定精度能夠滿足超低碳鋼碳含量測(cè)定的要求;對(duì)超低碳鋼增碳量過程能力分析表明,本鋼生產(chǎn)超低碳鋼過程的增碳量處于可控狀態(tài),但過程控制能力較差,需要改善.

（2）采用單因子分析等統(tǒng)計(jì)方法分析研究了鋼包磚襯、開澆渣種類、中間包涂料、中包渣批次、保護(hù)渣種類等因素對(duì)超低碳鋼增碳量的影響.結(jié)果表明鋼包磚襯、開澆渣種類、保護(hù)渣種類是連鑄過程增碳的主要因素.

（3）根據(jù)分析結(jié)果,采取了使用無(wú)碳磚襯鋼包、使用無(wú)碳開澆渣、使用低碳結(jié)晶器保護(hù)渣等措施,使鑄坯增碳量顯著降低.

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App lica tion of 6σqua litym ethod in con tro lling of carbon p ickup of u ltra-low carbon steel dur ing con tinuous casting p rocess

HU M ing-q ian1,2,W EIGuo1,L IU Yang2,JIH u i-m ei2,SHEN Feng-m an1
（1.Schoo lofM aterials and M etallu rgy,N o rtheastern U niversity,Shenyang 110004,Ch ina 2.Benx i Iron and Steel（G roup）Co.L td.,Benxi117000,Ch ina）

The facto rs that influence the carbon p ickup du ring con tinuous casting p rocess of u ltra low carbon steel,such as lad le b rick,starter flux,tund ish coating,and covering slag are analyzed by the six sigm am anagem en tm ethod and sing le facto r analysism ethod.The resu lts show that the com position o f lad le b rick,starter flux,covering slag are them ost influencing facto rs fo r the carbon p ickup.A cco rding to the resu lts,carbon-free b rick lad le,carbon-free starter flux,low-carbonm o ld pow der are app lied,and sign ifican t reduction of carbon p ickup is attained,the carbon increm en t of u ltra low carbon steelhas reduced to less than 3×10-6.

u ltra low carbon steel;con tinuous casting;carbon p ickup;lad le b rick;covering slag

TF 777

A

1671-6620（2010）01-0022-06

2009-11-12.

胡明謙 （1973—）,男,遼寧本溪人,東北大學(xué)博士研究生,E-m ail:hum ingqianduoduo@sina.com;沈峰滿（1958—）,男,黑龍江密山人,東北大學(xué)教授,博士生導(dǎo)師.