六西格瑪方法在降低無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷中的應用

劉旺臣，賀亮，王存，何士國，于斌，張吉富，王杰

（鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口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%，主要被用來制作各種電機、發電機和變壓器的鐵芯，是電力、電子和軍工業生產中的重要原材料［2］。電工鋼對鋼水冶煉的成分控制，加熱軋制過程工藝溫度控制，鋼板厚度同板差、通板差以及鋼板表面質量要求較高，工藝質量控制難度大。因此，能夠生產高品質的電工鋼是衡量一個鋼鐵企業具有較高生產質量控制水平的重要標準。

根據成品鋼板晶粒取向，電工鋼一般分為無取向硅鋼和取向硅鋼兩類。鞍鋼1580熱軋線從2016年開始生產無取向硅鋼熱軋卷，已開發生產了 50AW1300、50AW800、50AW470、50AW250 等系列牌號無取向硅鋼，但在生產過程中，存在熱軋邊裂缺陷率高的問題，硅鋼全品種邊裂缺陷率高達5%。為了控制減少無取向硅鋼邊裂缺陷，提高產品質量，鞍鋼1580熱軋線采取六西格瑪質量分析方法對硅鋼熱軋生產工藝數據進行分析，查找影響無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的關鍵因子，制定工藝優化方案，提高產品質量。

1 確定關鍵因子

鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司1580線無取向硅鋼熱軋主要生產工藝流程為：連鑄坯→加熱→粗軋→精軋→卷取。通過檢查統計，無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷一般隨機出現在帶鋼工作側和傳動側，裂口深度一般為5～30 mm。圖1為無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷。

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

根據卷取機前的帶鋼表檢質量檢測儀檢查結果，邊裂缺陷在卷取之前就已經產生，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程工藝不當造成的。無取向硅鋼熱軋表檢儀檢測邊裂缺陷見圖2。

為了確定影響無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，對各項生產工藝因子進行逐步分析，確定一加熱段溫度、二加熱段溫度、均熱段溫度、均熱段加熱時間、出爐溫度、精軋導尺開口度余量等工藝因子是影響無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的重要因子。

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

2 關鍵因子對邊裂缺陷影響分析

2.1 理論分析

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

為了檢測無取向硅鋼的熱力學性能，對含硅3.2%的無取向硅鋼50AW250取軋線中間坯樣板，加工成試樣在GLEEBLE-3800熱模擬試驗機上進行熱模擬試驗，真空狀態下將試樣以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，將試樣進行熱拉伸，測得拉斷后試樣的最大力值并計算出斷面收縮率，據此做出熱塑性、熱強性模擬試驗曲線見圖3。

圖3 無取向硅鋼熱模擬試驗曲線Fig.3 Thermal Simulation Test Curve of Non-oriented Silicon Steel

從熱塑性曲線上看，無取向硅鋼在軋制溫度為1 200℃以上時 ，熱塑性隨溫度升高而大幅降低，在800℃附近存在脆性區；從熱強度曲線上看，無取向硅鋼在1 000℃以上時強度較低，在800～1 000℃時隨溫度降低強度逐漸升高，在800℃以下時隨溫度降低強度大幅升高。因此，無取向硅鋼板坯加熱溫度應控制在1 200℃以下，軋制溫度控制在800～1 200℃，考慮軋制過程中的溫降，無取向硅鋼板坯加熱溫度應控制在1 100～1 200℃區間。由于無取向硅鋼導熱性能較差［4］，板坯實際溫度比爐溫低，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，一旦加熱時間和加熱溫度控制不當，會造成硅鋼板坯產生裂紋，造成后續軋制過程中產生邊裂缺陷。

另外，為了減小無取向硅鋼熱軋過程帶鋼中心線波動，防止帶鋼在精軋機內跑偏產生順折和甩尾事故，熱軋過程中精軋側導板開口度余量一般較小，通過擠壓帶鋼保證軋制中心對中，而由于帶鋼與精軋側導板的摩擦作用，造成精軋側導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，伴隨著側導板和帶鋼間的塑性流變，通過界面的分子擴散和再結晶而實現焊接，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力不同，應力小的部位會脫離帶鋼被焊接在側導板上形成結瘤［5］，而軋制過程中高速運行的帶鋼撞擊側導板后容易產生邊部裂口缺陷［6］。檢查無取向硅鋼軋制后的精軋側導板表面狀態，發現導板表面存在大塊結瘤如圖4所示，根據檢查情況，結瘤多在精軋F2、F3、F4機架側導板上產生，因此判定邊裂缺陷主要可能在精軋F2、F3、F4機架產生。

2.2 數據分析

為了進一步分析加熱工藝、精軋側導板開口度與無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的相關性，收集了200卷無取向硅鋼熱軋卷的相關生產工藝數據和質量檢查結果，以加熱工藝、精軋側導板開口度參數為X因子，以邊部裂口缺陷發生概率為Y輸出因子，進行自定義響應曲面逐步優化分析，F檢驗分析結果見表1，擬合優度分析結果見表2，邊部裂口發生概率Y與顯著性因子的回歸方程見式（1）。

圖4 精軋側導板結瘤圖示Fig.4 Scaffolding Schematic Diagram of the Side Guide in Finishing Mill

表1 自定義響應曲面F檢驗分析結果Table 1 Test Analysis Results for Custom Response Curved Plane F

表2 自定義響應曲面分析擬合優度表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導板余量、F3導板余量、F4導板余量為影響無取向硅鋼邊部裂口缺陷的顯著因子，誤差占比7.39%，模型擬合優度達到90%以上，說明模型擬合準確性較好。

主效應圖見圖5，從圖中可以看出，一加熱段溫度、出爐溫度、F2導板余量、F3導板余量、F4導板余量與邊部裂口缺陷概率正相關，二加熱段溫度、均熱段溫度與邊部裂口缺陷概率負相關，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%，F3導尺開口度余量影響占比35.17%，二者影響合計達到63.75%，為影響最大的因子，其他因子和交互作用影響相對較小。

圖5 主效應圖Fig.5 Main Effect Diagram

以邊裂發生概率Y最小化、目標值0.015、最大值0.05為目標作響應優化分析，并根據工藝設備現狀優化出一組工藝控制參數。工藝目標值如下：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側導衛開口度 25 mm、F3側導衛開口度30 mm、F4側導衛開口度30 mm。將上述參數代入模型計算，邊裂缺陷率響應優化器分析計算結果見圖6，合意性=1，即可以實現質量目標。

圖6 邊裂缺陷率響應優化器分析結果Fig.6 Analysis Results by Response Optimizer for Defect Rate on Edge Cracking

3 應用效果

將工藝優化參數在現場進行實施驗證，無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷率大幅降低。圖7為工藝改進后無取向硅鋼表面質量，從圖中可以看出，帶鋼表面質量良好。無取向硅鋼邊裂缺陷率趨勢圖見圖8，從2018年7～9月，連續 3個月邊裂缺陷率控制到1%以下。

圖7 工藝改進后無取向硅鋼表面質量Fig.7 Surface Quality of Non-oriented Silicon Steel after Process Improvement

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

4 結論

（1）加熱爐各段加熱工藝溫度、硅鋼出爐溫度、精軋側導板開口度余量是影響無取向硅鋼熱軋邊裂缺陷的關鍵因子。加熱爐各段溫度控制不當，板坯在加熱過程中容易產生微裂紋，在后續軋制過程中延展產生邊部裂口缺陷；而帶鋼在精軋機內撞擊、刮磨精軋側導衛襯板，也會造成帶鋼產生邊部裂口缺陷。

（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側導衛開口度25 mm、F3側導衛開口度30 mm、F4側導衛開口度30 mm為工藝控制目標，可有效降低無取向硅鋼熱軋邊部裂口缺陷。

（3）通過適當控制加熱爐各段加熱工藝溫度、硅鋼出爐溫度和精軋側導板開口度余量，無取向硅鋼邊部裂口可以降低到1%以下。