應用 6σ法控制超低碳鋼連鑄過程增碳

胡明謙,魏 國,劉 洋,紀惠梅,沈峰滿

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

應用 6σ法控制超低碳鋼連鑄過程增碳

胡明謙1,2,魏 國1,劉 洋2,紀惠梅2,沈峰滿1

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

應用 6σ法對影響連鑄過程的增碳因素進行分析,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、保護渣種類等因素對超低碳鋼增碳量的影響.結果表明,鋼包磚襯、開澆渣種類、保護渣種類是影響超低碳鋼增碳的主要因素.根據研究結果,在生產中采取了使用無碳磚襯鋼包、無碳開澆渣、低碳結晶器保護渣等措施,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;保護渣

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

目前,本鋼 RH真空精煉裝備可以將鋼水中碳的質量分數 w[C]降低至 0.001%以下,但在后續處理工序中,鋼水中 w[C]增至 0.003%以上,抵消了 RH精煉設備的冶金效果.

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的合格爐數僅占生產總量的 68.59%,與同行業的先進水平有一定差距.為此,本研究采用 6σ管理方法對連鑄過程的增碳影響因素進行分析,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.

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管理方法的應用

六西格瑪 （6σ）作為品質管理概念,其目的是設計一個目標,在生產過程中降低產品及流程的缺陷次數,防止產品變異,提升品質.近年來,它已經從流程優化概念發展為衡量業務流程能力的標準和業務流程不斷優化的方法[6,7].

1.1 測量系統和制造系統分析

測量系統分析,是指用統計學的方法來了解測量系統中的各個波動源,以及它們對測量結果的影響,最后給出本測量系統是否合乎使用要求的明確判斷.測量系統必須具有良好的準確性和精確性.

1.1.1 測量系統重復性與再現性

本文使用 EM IA-820V碳硫分析儀,采用紅外線吸收方法測定鋼中的 C,S含量.測量對象:碳含量;樣本數量:10個;檢驗員:2人.檢驗員分別對給定的 10個樣本各測量 2次,以驗證測量系統是否可靠.

（1）重復性波動:是指在盡可能相同的測量條件下,對同一測量對象進行多次重復測量所產生的波動,記為 EV.

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

（3）測量對象間的波動:對測量對象來說,總是存在差異的.如果有 n個測量對象,k個測量者,每個測量者對每個測量對象均重復測量 m次,那么對這些測量對象可計算得到 n個均值,計算其極差 R p,測量對象間的波動記為 PV.

測量系統能力用波動 R&R與總波動之比來度量,通常記為 P/TV,即

式中:R&R為{（AV）2+（EV）2}1/2;TV為測量過程的總波動.本研究中,P/TV=0.000 382 5/0.001 970 2×100%=19.42%,根據測量系統能力判別準則的判別標準,當 P/TV=19.42<30%,認為測量系統是可靠的[7].使用 6σ管理法的專用軟件M initab計算得到圖 1.

由圖 1中變異分量圖 （上左）可見,樣本間的貢獻百分比遠大于合計量具 R&R的貢獻百分比,表明大部分變異是由于樣本間的差異所致.根據圖 1（上右）,各測量值之間存在較大差異,不呈水平線狀,樣本覆蓋測量數據取值的全范圍;由圖 1（中左）和 （中右）可見,兩個檢驗員之間差異較小;根據 Xbar控制圖 （左下）,圖中的大部分點都在控制限制之外,表明變異主要是由于被測樣本間的差異所致;根據圖 （右下）,是對于樣本檢驗員的 P值的直觀表示,表明每個樣本和檢驗員之間不存在顯著的交互作用.這驗證了測量系統的可靠性.

1.1.2 制造過程能力分析

制造過程能力是評價過程滿足過程預期要求的能力及其表現的方法.只有當過程處于統計控制狀態時,對制造過程能力進行分析才有意義.如果有特殊原因的影響,在控制圖上會有異常點出現.圖 2為超低碳鋼增碳量的概率圖.

由圖 2可見,數據點大致成直線,計算得概率P=0.163>0.05,可以推斷數據服從正態分布.確定過程有能力符合規格限制并生產出“良好”的部件.

圖 3為增碳量的單值控制圖.從圖中可以看出,各點隨機分布在中心線附近,并且處于控制范圍內,沒有表現出任何趨勢或模式,流程穩定,處于可控狀態.確保過程受控后,通過計算指數 Ppk評價系統的制造過程能力[7].通常:Ppk小于 1時,過程能力不足;Ppk在 1～1.33時,過程能力尚可;Ppk在 1.33～1.67時,過程能力充足.

本研究中,計算得 Ppk=-0.16<1,制造過程能力較差,需要進行改善.

1.2 增碳因素分析

連鑄生產過程中,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 2008年 1～5月份的超低碳鋼增碳情況進行分析整理,共找出 5項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、保護渣種類.采用 6σ法對其進行分析,確定主要影響因素.

1.2.1 鋼包磚襯的影響

根據現場生產數據,研究不同鋼包磚襯 （無碳磚襯和普通磚襯）對超低碳鋼增碳的影響.由圖 4可見,幾乎所有數據點都落在正態概率圖的置信邊界內,正態分布與數據擬合得很好,可以推斷數據服從正態分布,正態檢驗和方差齊性檢驗結果符合要求.由概率圖和直方圖可以看出,數據基本符合正態分布,擬合值中各點隨機分布在 0的兩側,驗證了該單因子方差分析的顯著性.

就不同鋼包磚襯對增碳量是否有影響的問題進行單因子方差分析[7].建立原假設 H 0:μ1=μ2;備擇假設:H 1:μ1≠μ2.利用 M initab進行計算,得:P=0.037<0.05,拒絕原假設 H 0:μ1=μ2,即不同磚襯對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 （無碳和普通）對超低碳鋼增碳的影響.結果顯示,數據服從正態分布,正態檢驗和方差齊性檢驗結果符合要求.

對不同開澆渣 （無碳和普通）對超低碳鋼增碳的影響進行單因子方差分析.同前方法,建立原假設 H 0:μ1=μ2;備擇假設:H 1:μ1≠μ2,利用M initab進行計算得 P=0.033<0.05,拒絕原假設H 0:μ1=μ2,即不同開澆渣對增碳量有顯著差異.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.分析結果顯示,數據服從正態分布,正態檢驗和方差齊性檢驗結果符合要求.

建立原假設 H0:μ1=μ2=μ3=μ4;備擇假設:4種中間包涂料對應的增碳量不全相同.利用M initab進行計算,得:P=0.953>0.05,接受原假設,即中間包涂料對增碳量沒有顯著差異.

分析使用不同中間包涂料時的增碳量,并未發現有明顯規律 （見圖 5）,認為這幾種涂料對增碳影響沒有顯著差別.

1.2.4 不同批次中包保護渣對增碳量的影響

采用單因子方差分析方法,研究不同批次中包保護渣 （不同生產日期）的影響.分析結果顯示,數據服從正態分布,正態檢驗和方差齊性檢驗結果符合要求.

建立原假設 H0:μ1=μ2=μ3;備擇假設:H 1:μ1、μ2和μ3不全相等;利用 M initab進行計算,得:P=0.973>0.05,接受原假設,認為中包保護渣批次對超低碳鋼增碳沒有顯著性影響.

1.2.5 保護渣碳含量的影響

采用單因子方差分析方法,研究不同保護渣（w[C]<3%和 w[C]>3%）的影響.分析結果顯示,數據服從正態分布,正態檢驗和方差齊性檢驗結果符合要求.

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

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

2 防止增碳生產實踐

根據上述分析,結合現場實踐經驗,采取以下控制連鑄過程鋼坯增碳的措施:

（1）使用無碳磚襯鋼包

表 2為使用不同含碳量磚襯鋼包的鑄坯增碳情況對比.從中表可見,使用無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.使用無碳磚鋼包可以降低增碳量 6.3×10-6.

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

（2）使用無碳開澆渣

在實際生產中,對普通開澆渣和無碳開澆渣的應用效果進行了比較,結果表明,使用普通開澆渣平均增碳量為 1.72×10-6,改用無碳開澆渣后平均增碳量降低到 0.41×10-6.

（3）使用低碳結晶器保護渣

在實際生產中,選擇了 A渣用作超低碳鋼連鑄結晶器保護渣,而棄用了碳含量較高的 B渣.通過現場使用情況看,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渣作為連續結晶器保護渣有效控制了鋼水增碳量.

（4）采用穩態澆鑄工藝

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

通過采取無碳鋼包磚襯、無碳開澆渣及使用低碳保護渣,嚴格控制中包渣質量,采用穩態澆鑄工藝等措施,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月增碳量對比Fig.6 Ca rbon p ickup o f u ltra low ca rbonstee l in 2008 and 2009

3 結 論

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

（2）采用單因子分析等統計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、保護渣種類等因素對超低碳鋼增碳量的影響.結果表明鋼包磚襯、開澆渣種類、保護渣種類是連鑄過程增碳的主要因素.

（3）根據分析結果,采取了使用無碳磚襯鋼包、使用無碳開澆渣、使用低碳結晶器保護渣等措施,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,東北大學教授,博士生導師.