庞义行

（山钢股份莱芜分公司 宽厚板事业部，山东 莱芜271100）

1 前言

随着我国铁路、公路、大跨度和大跨径桥梁建设的快速发展，桥梁钢的需求快速增长，预计我国桥梁结构用钢年需求将突破150万t。通过市场调查，客户对宽厚板产品质量关注的主要因素是钢板的力学性能，不仅要求性能合格，而且要稳定。当前莱钢生产的桥梁钢为Q345qC系列，性能稳定性差，波动较大，平均一次性能合格率仅为93%，成为制约产品质量提升的瓶颈。

六西格玛作为一套系统、集成的业务改进方法体系，通过对现有的流程进行过程界定、测量、分析、改进、控制，即DMAIC流程进行持续改进，消除过程缺陷和无价值作业，实现过程输出趋于理想目标值，减少波动，进而提高质量、降低成本，达到客户满意。本研究结合当前桥梁钢产品力学性能波动大的问题，通过六西格玛应用进行性能合格率提升攻关，提高产品一次性能合格率，以期提升产品质量、拓宽莱钢专用板产品的销售市场、增加企业经济效益和提升市场知名度。

2 确定关键影响因子

2.1 生产工艺流程

炼钢完成后经板坯连铸机拉坯后，将板坯送至轧线，板坯在加热炉内加热至一定温度，出钢后经高压水除鳞，送至粗轧，由粗轧轧制到设定中间坯厚度，经过辊道输送至精轧机，通过多道次轧制成目标厚度，经Mulpic控制冷却至目标温度，通过热矫直机矫直，提高板形质量，然后由横移输送至冷床进行空冷。工艺流程：炼钢→板坯→加热→除鳞→粗轧→精轧→Mulpic水冷→热矫。

2.2 CE矩阵

根据工艺流程中工序输入因子与输出因子的相关性，通过CE矩阵计算流程输出重要度，确定重要影响因子，绘制CE矩阵如表1所示。

表1 影响性能的CE矩阵

根据流程因子及相关性重要度加权分析，确定化学成分、加热温度、粗轧开轧温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度、开冷温度、冷却速率、ACC终冷温度共8个重要因子。

2.3 过程失效模式及后果分析

根据过程系统功能要求、潜在失效模式、失效后果、严重度（S）、频度（O）、探测度（D）、失效机理、控制预防方法对风险等级（RPN）进行过程失效模式及后果分析（PFEMA）打分，筛选因子，找出关键因子及快速改善机会［1］。RPN＝S×O×D。运用pareto图（见图1）对PFEMA中影响因子进行筛选，确定出：化学成分、加热温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度、ACC终冷温度、冷却速率6个关键因子。同时实施了热电偶维护与校准标准化、高温计维护与校准标准化等快速改善项目。

图1 潜在失效起因/机理pareto图

3 关键因子分析

3.1 理论分析

根据生产流程分析，决定产品力学性能的主要有2个环节：轧钢过程和炼钢过程。炼钢工序主要是化学成分，钢的化学成分见表2。

表2 桥梁钢化学成分 %

随含C量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑形和冲击性能降低；Mn是良好的脱氧剂和脱硫剂，不但可以提高钢的韧性，且较大幅度提高钢的强度和硬度，提高钢的淬透性，改善钢的热加工性能；Si作为还原剂和脱氧剂，Si含量较高时，可提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度；Nb能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑形和韧性有所降低，可以提高钢的抗大气腐蚀性能、改善焊接性能。Ti是钢中强脱氧剂，使钢的组织致密，晶粒细化，降低钢的敏感性和冷脆性，改善钢的焊接性能［2］。

轧钢过程主要影响因素是加热温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度、ACC终冷温度、冷却速率。1）合理的板坯加热温度，可以改善钢中偏析等缺陷，加热温度过高，会发生钢的过热、过烧，钢坯表面严重氧化脱碳。2）精轧开轧温度一般在Ar3，实现未再结晶区轧制，开轧温度较高，存在回复再结晶，开轧温度越低，轧制过程中奥氏体晶粒越细小。3）奥氏体区轧制，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，相变后越易出现魏氏组织；终轧温度过低，畸变能越大，形成先共析铁素体越多，影响钢板的强韧性。4）ACC终冷温度越低，冷却后析出的针状铁素体越多，当ACC终冷温度降低到550℃以下，出现贝氏体组织，钢板韧性有降低的趋势。随着ACC终冷温度降低，屈服强度、抗拉强度逐渐升高，韧性总体提升。5）冷速越大，冷却过程中组织转变的晶粒越细小，冷却后析出的针状铁素体越多，冷速越快出现贝氏体组织含量越高，屈服强度、抗拉强度逐渐升高，韧性总体提升。

3.2 回归分析

根据确定的关键因子，采用多元回归分析确定C、Si、Mn、P、S、Nb、Ti及板坯加热温度、精轧开轧温度、精轧终轧温度、ACC终冷温度、冷却速率对力学性能是否显著影响。其中P、S作为有害元素且含量极低，不作为回归分析的因子。

根据数据统计建立回归方程，结合因子回归系数的显著行检验，删除不显著因子，得出最终回归方程如下：

屈服强度＝888＋265×C＋49.5×Mn-0.421×加热温度－0.211×ACC终冷温度；抗拉强度＝1 107＋226×C＋45.1×Mn－0.409×加热温度－0.248×ACC终冷温度。根据方程得出：C含量、Mn含量、加热温度、ACC终冷温度共4个因子对产品性能有显著影响，故确定为下一步改善对象。

4 因子改善及效果

由于需要改善因子数目＜5，根据六西格玛试验设计要求，采用4因子2水平加3中心点的全因子DOE试验设计。通过试验设计，找出因子C、Mn、加热温度、ACC终冷温度对钢板力学性能变化的影响，通过调整关键因子提高产品性能稳定性。通过因子设计，建立拟合模型如下：

屈服强度＝425.759＋6.35×C＋3.75×Mn－4.00×板坯加热温度－1.125×ACC终冷温度－1.25×C×Mn+2.50×C×板坯加热温度-2.625×C×ACC终冷温度-3.75×Mn×ACC终冷温度；抗拉强度＝523.474＋12.75×C＋2.25×Mn＋1.875×板坯加热温度－6.75×ACC终冷温度－2.5×C×ACC终冷温度＋3.625×Mn×板坯加热温度－3.50×Mn×ACC终冷温度。

结合回归模型，利用相应优化器，得出最佳因子范围见表3。

表3 最佳因子范围

统计Q345qC系列性能情况，参数调整前，屈服强度平均409 MPa，波动范围318～525 MPa，波动值207 MPa；抗拉强度平均542 MPa，波动范围423～667 MPa，波动值244 MPa。根据最佳因子范围，调整生产现场参数后，桥梁钢产品一次性能合格率由此前的93%提升至97%，同时屈服强度与抗拉强度的平均值及稳定性较前期有明显提升，波动范围均＜5%，见图2。

通过六西格玛在生产过程中的应用指导，有效地促进了产品质量的稳定提升，降低了生产成本，提高了企业在市场中的竞争力。

图2 桥梁钢强度优化改进前后对比