六西格瑪在橋梁用鋼力學性能改善中的應用

龐義行

（山鋼股份萊蕪分公司 寬厚板事業部，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的快速發展，橋梁鋼的需求快速增長，預計我國橋梁結構用鋼年需求將突破150萬t。通過市場調查，客戶對寬厚板產品質量關注的主要因素是鋼板的力學性能，不僅要求性能合格，而且要穩定。當前萊鋼生產的橋梁鋼為Q345qC系列，性能穩定性差，波動較大，平均一次性能合格率僅為93%，成為制約產品質量提升的瓶頸。

六西格瑪作為一套系統、集成的業務改進方法體系，通過對現有的流程進行過程界定、測量、分析、改進、控制，即DMAIC流程進行持續改進，消除過程缺陷和無價值作業，實現過程輸出趨于理想目標值，減少波動，進而提高質量、降低成本，達到客戶滿意。本研究結合當前橋梁鋼產品力學性能波動大的問題，通過六西格瑪應用進行性能合格率提升攻關，提高產品一次性能合格率，以期提升產品質量、拓寬萊鋼專用板產品的銷售市場、增加企業經濟效益和提升市場知名度。

2 確定關鍵影響因子

2.1 生產工藝流程

煉鋼完成后經板坯連鑄機拉坯后，將板坯送至軋線，板坯在加熱爐內加熱至一定溫度，出鋼后經高壓水除鱗，送至粗軋，由粗軋軋制到設定中間坯厚度，經過輥道輸送至精軋機，通過多道次軋制成目標厚度，經Mulpic控制冷卻至目標溫度，通過熱矯直機矯直，提高板形質量，然后由橫移輸送至冷床進行空冷。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

根據工藝流程中工序輸入因子與輸出因子的相關性，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

根據流程因子及相關性重要度加權分析，確定化學成分、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

根據過程系統功能要求、潛在失效模式、失效后果、嚴重度（S）、頻度（O）、探測度（D）、失效機理、控制預防方法對風險等級（RPN）進行過程失效模式及后果分析（PFEMA）打分，篩選因子，找出關鍵因子及快速改善機會［1］。RPN＝S×O×D。運用pareto圖（見圖1）對PFEMA中影響因子進行篩選，確定出：化學成分、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個關鍵因子。同時實施了熱電偶維護與校準標準化、高溫計維護與校準標準化等快速改善項目。

圖1 潛在失效起因/機理pareto圖

3 關鍵因子分析

3.1 理論分析

根據生產流程分析，決定產品力學性能的主要有2個環節：軋鋼過程和煉鋼過程。煉鋼工序主要是化學成分，鋼的化學成分見表2。

表2 橋梁鋼化學成分 %

隨含C量增加，屈服點和抗拉強度升高，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、屈服點和抗拉強度；Nb能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，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是鋼中強脫氧劑，使鋼的組織致密，晶粒細化，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，會發生鋼的過熱、過燒，鋼坯表面嚴重氧化脫碳。2）精軋開軋溫度一般在Ar3，實現未再結晶區軋制，開軋溫度較高，存在回復再結晶，開軋溫度越低，軋制過程中奧氏體晶粒越細小。3）奧氏體區軋制，終軋溫度越高，奧氏體晶粒越粗大，相變后越易出現魏氏組織；終軋溫度過低，畸變能越大，形成先共析鐵素體越多，影響鋼板的強韌性。4）ACC終冷溫度越低，冷卻后析出的針狀鐵素體越多，當ACC終冷溫度降低到550℃以下，出現貝氏體組織，鋼板韌性有降低的趨勢。隨著ACC終冷溫度降低，屈服強度、抗拉強度逐漸升高，韌性總體提升。5）冷速越大，冷卻過程中組織轉變的晶粒越細小，冷卻后析出的針狀鐵素體越多，冷速越快出現貝氏體組織含量越高，屈服強度、抗拉強度逐漸升高，韌性總體提升。

3.2 回歸分析

根據確定的關鍵因子，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。

根據數據統計建立回歸方程，結合因子回歸系數的顯著行檢驗，刪除不顯著因子，得出最終回歸方程如下：

屈服強度＝888＋265×C＋49.5×Mn-0.421×加熱溫度－0.211×ACC終冷溫度；抗拉強度＝1 107＋226×C＋45.1×Mn－0.409×加熱溫度－0.248×ACC終冷溫度。根據方程得出：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目＜5，根據六西格瑪試驗設計要求，采用4因子2水平加3中心點的全因子DOE試驗設計。通過試驗設計，找出因子C、Mn、加熱溫度、ACC終冷溫度對鋼板力學性能變化的影響，通過調整關鍵因子提高產品性能穩定性。通過因子設計，建立擬合模型如下：

屈服強度＝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。

結合回歸模型，利用相應優化器，得出最佳因子范圍見表3。

表3 最佳因子范圍

統計Q345qC系列性能情況，參數調整前，屈服強度平均409 MPa，波動范圍318～525 MPa，波動值207 MPa；抗拉強度平均542 MPa，波動范圍423～667 MPa，波動值244 MPa。根據最佳因子范圍，調整生產現場參數后，橋梁鋼產品一次性能合格率由此前的93%提升至97%，同時屈服強度與抗拉強度的平均值及穩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過程中的應用指導，有效地促進了產品質量的穩定提升，降低了生產成本，提高了企業在市場中的競爭力。

圖2 橋梁鋼強度優化改進前后對比