六西格瑪方法在提高65Mn鋼初煉成分合格率上的應用

郭慶軍

（山鋼股份萊蕪分公司煉鋼廠，山東 濟南271126）

1 前 言

經(jīng)統(tǒng)計，萊鋼窄帶線65Mn 鋼連續(xù)8 批次的初煉成分合格率平均為64.7%，C、P 初煉成分波動較大，造成鋼材性能的波動，并最終影響到產(chǎn)品質(zhì)量。該鋼種自開發(fā)成功以來，性能的均勻性一直是客戶關(guān)注的重點，容易引發(fā)質(zhì)量異議，影響萊鋼窄帶新產(chǎn)品在市場上的競爭力。為提高65Mn鋼C、P初煉成分合格率，引入六西格瑪工具對影響因素進行分析，六西格瑪改進模式共分為5 個階段，每個階段在邏輯上都是緊密相聯(lián)的，每一個分析和改進步驟的進行與評估都是以充分的數(shù)據(jù)作支撐，是一個邏輯嚴密的過程循環(huán)。通過梳理工藝路線，查找需要改進的方向，并對缺陷進行定義，確定需要改進的方向。項目組引入六西格瑪管理工具，對65Mn 鋼種生產(chǎn)過程存在的問題進行系統(tǒng)分析，制定針對性解決措施，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的提高。

2 六西格瑪方法的應用

2.1 工藝路線

煉鋼廠窄帶線65Mn鋼工藝流程如圖1所示。

圖1 65Mn鋼工藝流程

65Mn 系列鋼種在LF 爐的精煉周期在40 min左右，其中軟吹保證10 min以上，軟吹時間越長，鋼水“潔凈度”越高。鋼水到站樣①成分出來后開始按照鋼種要求調(diào)整成分，成分偏差大爐次首先按照質(zhì)量計劃要求鋼種成分下限進行調(diào)整，取樣化驗成分再按照標準中限進行微調(diào)，成分偏差大的爐次可能會導致精煉周期延長，最終影響連鑄的“恒拉速”，從而對鋼材質(zhì)量造成一定的影響。從LF爐精煉周期看，保證鋼水初煉成分滿足要求，就可以縮短調(diào)整成分的時間，在規(guī)定的精煉周期內(nèi)軟吹時間就可以延長，鋼水質(zhì)量相應得到了提高。

六西格瑪?shù)膬r值觀之一就是聚焦過程改進，減少或消除過程變異。項目組針對可能影響65Mn系列鋼種碳磷初煉成分的過程進行梳理，并最終確定本項目的涉及過程（見圖2）［1］。

圖2 項目過程示意圖

2.2 定義階段

2.2.1Y及缺陷的定義

65Mn系列鋼種初煉成分合格率指的是鋼水初煉成分滿足轉(zhuǎn)爐內(nèi)控要求的合格率。同時規(guī)定：鋼水碳初煉成分低于轉(zhuǎn)爐內(nèi)控標準下限高于標準上限，磷初煉成分高于標準上限的定義為Y的缺陷。

Y1碳元素初煉合格率為 碳 元 素 初 煉成 分在0.53%～0.63%的合格率。Y2磷元素初煉合格率為磷元素初煉成分在≤0.02%區(qū)間內(nèi)的合格率。

1.2.2Y現(xiàn)狀及其影響因子

提高65Mn鋼C、P初煉成分是企業(yè)提質(zhì)增效的內(nèi)部需求，從連續(xù)8 批次65Mn 系列鋼種初煉成分不合格爐次統(tǒng)計情況來看，碳磷初煉成分不合爐次占不合格總爐數(shù)的85.6%（見圖3），C、P不合格比例決定了65Mn鋼初煉成分合格率的高低。從分批次統(tǒng)計來看，65Mn 系列鋼種C、P 初煉成分合格率波動較大（見圖4），說明整體控制水平仍然處在較低水平。

圖3 65Mn鋼初煉成分不合格品統(tǒng)計

圖4 65Mn鋼初煉成分合格率統(tǒng)計

2.3 測量階段

2.3.1 測量系統(tǒng)分析［2］

在定義階段，確定了關(guān)鍵質(zhì)量特性為65Mn 鋼種的C、P 含量，因此將65Mn 鋼種的C、P 含量作為被測量對象，通過制定詳細的測量計劃進行測量系統(tǒng)分析（MSA）。分析結(jié)果見表1。

表1 C、P元素測量結(jié)果

通過表1可知，C、P元素的%P/TV和%P/T均＜30%，可區(qū)分類別數(shù)均＞5，測量系統(tǒng)可以接受。

2.3.2 微觀流程分析與因果矩陣

為了找出確切原因，針對輸入變量、過程變量、輸出變量三方面繪制了微觀流程圖，并根據(jù)人、機、料、法、環(huán)等方面找出對輸出指標的相關(guān)影響因子，同時根據(jù)重要度進行打分。為避免遺漏因子，根據(jù)微觀流程分析與因果矩陣分值結(jié)果繪制了Pareto圖（見圖5）。共篩選出擋渣效果、槍位控制、氧壓控制等19 個因子，需要重點關(guān)注這些因子對初煉合格率的影響。

圖5 流程因子對初煉合格率的影響程度

2.3.3 失效模式及效果分析

為了發(fā)現(xiàn)及評價流程中的C、P 初煉成分不合格及其帶來的后果，確定消除或減少C、P初煉成分不合發(fā)生機會的措施。即時實施減少C、P 初煉成分不合發(fā)生的機會，并使損失降低最大化；預防C、P初煉成分不合鋼水進入下一道工序；估計潛在的設(shè)計和流程不足之處。通過對矩陣中篩選的19個因子進行了潛在失效模式分析，從失效模式、失效后果并找出失效的起因機理，分別在嚴重度、出現(xiàn)頻度和探測度3 個緯度根據(jù)得出進行失效的起因綜合評價，并通過柏拉圖（見圖6）對導致C、P 初煉成分不合的起因和機理因子的RPN 指數(shù)進行排序分析。

圖6 C、P初煉成分不合的起因和機理因子RPN指數(shù)柏拉圖

逐個因子進行了分析并根據(jù)二八原則篩選出11 個關(guān)鍵因子，其中7 個可以進行快速改善，而對于入爐鐵水Si、入爐鐵水溫度、碳粉加入量、石灰加入量等對C、P 初煉成分不合的影響雖然有一定的認識，但無具體量化指標，現(xiàn)場操作調(diào)整方法也不統(tǒng)一，各班次相差很大，需要進行深入研究。

2.3.4 快速改善

根據(jù)失效模式及效果分析確定7 個因子進行快速改善，分別制定相應的改善措施，并進行效果驗證，如表2所示。

2.4 分析階段

分析階段的主要任務(wù)是根據(jù)DM 階段遺留的因子進行驗證是否對缺陷有顯著影響，并結(jié)合生產(chǎn)實際情況確定關(guān)鍵因子。項目團隊根據(jù)收集的數(shù)據(jù)特性合理選擇工具，本項目選擇回歸對數(shù)據(jù)進行分析，得出回歸方程：

初煉碳=0.997-0.000 485 鐵水溫度-0.202鐵水Si+0.000 193石灰+0.000 277增碳劑；

初煉磷=-0.034 4+0.000 045 鐵水溫度+0.022 5鐵Si-0.000 010石灰。

根據(jù)殘差圖分析，鐵水溫度、鐵水Si、石灰加入量、碳粉加入量對初煉碳的影響較為顯著，鐵水溫度、鐵水Si、石灰加入量對初煉磷的影響較為顯著。從生產(chǎn)實際分析，以上結(jié)論較為合理。

表2 7個因子快速改善措施及效果驗證

2.5 改進階段

在A階段已經(jīng)確認了關(guān)鍵因子，為了得到各因子的最佳值，采用DOE 試驗的方法［3］，尋找各因子的最佳設(shè)置，項目組制定了試驗計劃。采用全因子試驗設(shè)計2k，復制2 次，為了判斷中心點是否顯著，增加4個中心點，共20次試驗。但是從DOE實驗結(jié)果分析看，彎曲項P=0＜0.05，說明相應變量存在彎曲現(xiàn)象，因此改用響應曲面設(shè)計進行分析。為保持溫度的序貫性，采用中心復合表面設(shè)計（CCF）。通過P值、殘差分析圖以及響應變量對自變量的散點圖確定模型是顯著的，各主效應項均顯著，試驗模型沒有彎曲和失擬。同時使用響應優(yōu)化器尋找最優(yōu)區(qū)域。通過終點碳、磷的回歸系數(shù)以及響應變量優(yōu)化器圖進行指導生產(chǎn)，即根據(jù)入爐鐵水溫度和鐵水Si 來指導石灰加入量，并得到滿足要求的終點碳、磷含量。石灰加入量參考值見表3。

表3為原料條件滿足實驗要求時理論加入量。同時在生產(chǎn)中存在不可抗拒元素，原料條件無法達到要求，對于異常按照以下方式處理：鐵水Si＞0.5%，每增加0.05%，石灰加入量增加100～150 kg，同時混鐵爐鐵水溫度按下限控制。鐵水Si＜0.3%，石灰加入量按不低于1 100 kg 加入，同時混鐵爐鐵水溫度按上限控制。

改善階段的工作重點是提高放鋼碳、降低一次拉碳磷含量，通過快速改善以及DOE 分析并制定了指導生產(chǎn)的石灰加入量參考表，從生產(chǎn)檔案中選取A 階段的放鋼碳、磷生產(chǎn)數(shù)據(jù)與I 階段數(shù)據(jù)進行改善效果驗證（見圖7）。

圖7 放鋼碳分階段控制圖

表3 轉(zhuǎn)爐石灰加入量參考值

通過圖7可以看出，改善階段所做的工作達到了一定的效果，一次拉碳和放鋼碳均得到了提高，而一次拉碳磷也得到了相應的降低。

2.6 控制階段（C階段）

改善后選取連續(xù)2個月生產(chǎn)的65Mn 鋼成分數(shù)據(jù)，對初煉C和初煉P做單值-移動極差控制圖，初煉C和初煉P均處于受控狀態(tài)，從分階段控制圖（見圖8、9）對比看出，控制范圍比改善前縮小，說明整個改善過程是有效的。

3 結(jié) 語

通過運用六西格瑪工具找出造成65Mn鋼C、P初煉成分合格率偏低的原因，制定針對性快速改善措施；對于無法快速改善的因子，運用DOE的分析預測功能，給出各種原材料條件下加料量，實現(xiàn)了終點數(shù)據(jù)的精準控制。通過合理利用六西格瑪管理工具，制定了轉(zhuǎn)爐石灰加入量參考表及中高碳低磷鋼操作模型，提高了轉(zhuǎn)爐脫磷率，轉(zhuǎn)爐一次拉碳平均P 含量降低了0.004%以上。在上料口增加石灰篩分設(shè)備，篩出的石灰粉面率由3%提高到8%左右，石灰加入量降低1.8 kg/t鋼。通過貼磚、噴補等手段確保出鋼口漏斗形狀，實行終渣稠化模式，放鋼回磷量由0.012%減少至0.006%左右。65Mn 鋼初煉成分合格率由64.7%提高至82.7%。

圖8 初煉C分階段控制圖

圖9 初煉P分階段控制圖