胡明謙,魏 國,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 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 110004;2.本溪鋼鐵 （集團(tuán)）公司,遼寧 本溪 117000）

應(yīng)用 6σ法對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)中采取了使用無碳磚襯鋼包、無碳開澆渣、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(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)計一個目標(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 測量系統(tǒng)和制造系統(tǒng)分析

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

1.1.1 測量系統(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定鋼中的 C,S含量.測量對象:碳含量;樣本數(shù)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(tǒng)是否可靠.

（1）重復(fù)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(jìn)行多次重復(fù)測量所產(chǎn)生的波動,記為 EV.

（2）再現(xiàn)性波動:主要是度量不同的操作者在測量過程中產(chǎn)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(fù)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(tǒng)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(jù)測量系統(tǒng)能力判別準(zhǔn)則的判別標(biāo)準(zhǔn),當(dāng) P/TV=19.42<30%,認(rèn)為測量系統(tǒng)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(xiàn)百分比遠(yuǎn)大于合計量具 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）,各測量值之間存在較大差異,不呈水平線狀,樣本覆蓋測量數(shù)據(jù)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(jù) 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(jù)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(tǒng)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(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)計控制狀態(tài)時,對制造過程能力進(jìn)行分析才有意義.如果有特殊原因的影響,在控制圖上會有異常點出現(xiàn).圖 2為超低碳鋼增碳量的概率圖.

由圖 2可見,數(shù)據(jù)點大致成直線,計算得概率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,各點隨機分布在中心線附近,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,通過計算指數(shù) Ppk評價系統(tǒng)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(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 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)場生產(chǎn)數(shù)據(jù),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(shù)據(jù)點都落在正態(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)檢驗和方差齊性檢驗結(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,擬合值中各點隨機分布在 0的兩側(cè),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(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)行計算,得:P=0.037<0.05,拒絕原假設(shè) 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(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗和方差齊性檢驗結(jié)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(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)行計算得 P=0.033<0.05,拒絕原假設(shè)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(jié)果顯示,數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布,正態(tài)檢驗和方差齊性檢驗結(jié)果符合要求.

建立原假設(shè) H0:μ1=μ2=μ3=μ4;備擇假設(shè):4種中間包涂料對應(yīng)的增碳量不全相同.利用M initab進(jìn)行計算,得:P=0.953>0.05,接受原假設(shè),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(fā)現(xiàn)有明顯規(guī)律 （見圖 5）,認(rèn)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(hù)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(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)檢驗和方差齊性檢驗結(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)檢驗和方差齊性檢驗結(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)實踐

根據(jù)上述分析,結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)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(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）使用無碳開澆渣

在實際生產(chǎn)中,對普通開澆渣和無碳開澆渣的應(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,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.在澆注超低碳鋼時應(yīng)保持穩(wěn)態(tài)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(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管理辦法對連鑄過程增碳問題進(jìn)行研究,結(jié)果表明,本鋼測試系統(tǒng)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(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,采取了使用無碳磚襯鋼包、使用無碳開澆渣、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.

[1]孫決定.我國 IF鋼的研究與生產(chǎn) [J].冶金信息導(dǎo)刊,2006（5）:6-9.

（SUN Jue-d ing.R esearch and p roduction of IF steel in dom estic cteelm ills[J].M etallu rgical Info rm ation R ev iew,2006（5）:6-9.）

[2]王利.汽車用高強度 IF薄板鋼[J].寶鋼技術(shù),1997（1）:58-61.

（W ANG L i.H igh tensile strength IF steelsheet fo r au tom o tive app lications[J].Bao Steel Techno logy,1997（1）:58-61.）

[3]傅杰,周德光.低碳超級鋼中氧硫氮的控制及其對鋼組織性能的影響[J].云南大學(xué)學(xué)報

（自然科學(xué)版）,2002（1）:158-162.（FU Jie,ZHOU D e-guang.Con tro l of oxygen,su lfu r,n itrogen and its effects onm icrostructu re and p roperties of low carbon super- steel[J]. Jou rnal of Yunnan U n iversity（N atu ralSciences）,2002（1）:158-162.）

[4]王雅貞,張巖.新編連續(xù)鑄鋼工藝及設(shè)備[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2007.

（W ANG Ya-zhen,ZHANG Yan.A new con tinuous casting p rocess and equ ipm en t[M]. Beijing:M etallu rgy Industry Press,2007.）

[5]張志強,張炯明.連鑄坯表面振痕形成機理的研究[J].鋼鐵研究,2008（1）:19-22.

（ZHANG Zhi-qiang,ZHANG Jiong-m ing.R esearch on them echan ism of oscillationm ark fo rm ation du ring con tinuous casting of steel[J].R esearch on Iron and Steel,2008（1）:19-22.）

[6]文放懷.六西格瑪入門 [M].廣州:廣東省出版集團(tuán),2005.

（W EN Fang-huai. In troduction of six sigm a[M].Guangzhou:Guangdong Pub lishing G roup,2005.）

[7]馬林,何楨.六西格瑪管理[M].北京:中國人民大學(xué)出版社,2004.

（M A L in,H E Zhen.Six sigm a[M].Beijing:Ch ina R enm in U niversity Press,2004.）

[8]林功文.保護(hù)渣向超低碳鋼液增碳的原因及數(shù)學(xué)分析[J].鋼鐵研究學(xué)報,2001（6）:15-18.

（L IN Gong-w en.R eason andm athem atic analysis fo r carbon p ick-up from m o ld flux in u ltra-low-carbon steel[J].Jou rnalof Iron and SteelR esearch,2001（6）:15-18.）

[9]桂美文,陳宗毅.超低碳鋼脫碳與增碳因素分析[J].鋼鐵研究,1993（6）:3-8.

（GU IM ei-w en CH EN Zong-yi.A nalysis on facto rs affecting recarbu rization and decarbu rization of ex tra low carbon steel[J].R esearch on Irona nd Steel,1993（6）:3-8.）

[10]羅輝.中低碳鋼中間包鋼水增碳的原因及解決措施[J].江蘇冶金,2008（1）:59-60.

（LUO H u i.R easons and so lu tions of recarbu rization fo r the low-carbon steel in tund ish[J].Jiangsu M etallu rgy,2008（1）:59-60.）

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.