用正交試驗(yàn)法分析造粒顆粒成形影響因素

逯江, 張金, 李偉

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 安陽卷煙廠,河南 安陽 455000；

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

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用正交試驗(yàn)法分析造粒顆粒成形影響因素

逯江1, 張金1, 李偉2

(1.河南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司 安陽卷煙廠,河南 安陽 455000；

2.鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

摘要：為優(yōu)化設(shè)計(jì)造粒機(jī)的結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了其造粒性能，找到了影響顆粒成形的關(guān)鍵因素和非關(guān)鍵因素，為后續(xù)研究和改進(jìn)造粒機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考.采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，分析了滾筒造粒機(jī)造粒過程中的加水量X1、轉(zhuǎn)速X2、加氣量X3和傾角X4這4個(gè)因素對(duì)造粒過程中顆粒成形的影響.雖然影響顆粒外觀質(zhì)量的因素較多，但顆粒的粒度D和球形度ψ這兩個(gè)因素的影響最大，故選取顆粒的粒度D和球形度ψ作為試驗(yàn)研究指標(biāo)進(jìn)行極差分析和方差分析.分析結(jié)果表明，各因素對(duì)造粒顆粒粒度D影響的顯著性由大到小的順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)速、傾角、加氣量、加水量；各因素對(duì)造粒顆粒球形度ψ影響的顯著性由大到小的順序?yàn)椋杭託饬?、加水量、轉(zhuǎn)速、傾角；試樣獲得最佳粒度D的方案為X12X24X34X41，獲得最佳球形度ψ的方案為X12X24X32X43，按此工藝方案可得到較高的成品率，且工藝可行.

關(guān)鍵詞：正交試驗(yàn)；滾筒造粒；影響因素

造粒在制藥、玻璃、化工等國民經(jīng)濟(jì)中的許多部門得到普遍的應(yīng)用[1-3].廣義上的造粒是把粉體、熔融液、水溶液等狀態(tài)的物料經(jīng)加工制成具有一定形態(tài)與大小的粒狀物的操作；狹義上的造粒是將粉末狀物料聚結(jié)，制成具有一定形狀與大小的顆粒的操作.通常的造粒指的是狹義上的造粒.近些年，國內(nèi)主要采用滾筒造粒機(jī)作為分子篩的主要生產(chǎn)設(shè)備，在一定程度上改變了非金屬礦生產(chǎn)規(guī)模小、效率低、環(huán)境差的現(xiàn)狀，推動(dòng)了我國非金屬礦產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級(jí)和快速發(fā)展.

造粒過程比較復(fù)雜，影響顆粒成形的因素有很多，如直徑、產(chǎn)能、轉(zhuǎn)速、傾角、加粉和加液方式、滾動(dòng)時(shí)間、加氣量、霧滴大小等，這些因素的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有重要的影響.常把準(zhǔn)備在試驗(yàn)中研究的有關(guān)影響指標(biāo)的條件稱為因素，把在試驗(yàn)中準(zhǔn)備研究的各種因素的不同狀態(tài)稱為水平，這些因素和各種水平之間是相互交織的，為了尋求最優(yōu)化的生產(chǎn)條件，需對(duì)各種因素及各種因素的不同狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)研究，這是有關(guān)多因素的試驗(yàn)問題的研究[4].選擇正交試驗(yàn)法對(duì)造粒機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，該方法的優(yōu)點(diǎn)是試驗(yàn)次數(shù)少、效果好、方法簡單、使用方便、效率高.因此，在工農(nóng)業(yè)和其他科學(xué)研究領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[5].

1正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法

1.1　正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的基本步驟

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)總體可以分為2部分：一部分是試驗(yàn)設(shè)計(jì)，另一部分是試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.基本設(shè)計(jì)步驟如下[6]：

1)根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?，選取試驗(yàn)指標(biāo)；

2)根據(jù)實(shí)際情況選取試驗(yàn)因素和各個(gè)因素的變化水平；

3)確定正交表，在滿足條件的情況下盡可能選取試驗(yàn)次數(shù)比較少的正交表；

4)根據(jù)試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄下來；

5)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳因素水平組合，為實(shí)際大批量生產(chǎn)打下基礎(chǔ).

1.2　試驗(yàn)結(jié)果分析方法

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的處理分析通常有2種方法：一種是極差分析法，另一種是方差分析法.極差分析法也叫直觀分析法，是通過對(duì)每一因素作極差來分析問題.所謂極差就是各列中各水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值的最大值與最小值之差.方差分析就是將因素水平(或交換作用)的變化引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異與誤差的波動(dòng)所引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異區(qū)分開來的一種方法.

2造粒過程的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果

2.1　試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的方法，對(duì)造粒機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善其造粒性能，找到影響顆粒成形的關(guān)鍵因素和非關(guān)鍵因素，為以后繼續(xù)研究和改進(jìn)造粒機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考.

2.2　試驗(yàn)因素、水平和指標(biāo)的確定

由于影響顆粒成形的因素較多，在文中的正交試驗(yàn)安排中，僅選取了加水量、轉(zhuǎn)速、加氣量和傾角為考慮因素，這些因素分別用X1、X2、X3和X4表示.試驗(yàn)中每組參數(shù)選取4個(gè)工藝水平，水平跨距較小且參數(shù)變化步長基于相同的比例，具體試驗(yàn)因素及水平見表1.

表1　試驗(yàn)因素及水平

由于對(duì)顆粒的均勻性要求比較高，所以試驗(yàn)指標(biāo)僅選取了顆粒的粒度D和球形度ψ.顆粒的球形度ψ可以由下式[7]推得：

(1)

(2)

(3)

式中：rmean為平均粒徑;rrms,d為半徑偏差的均方根;rmax為最大粒徑;rmin為最小粒徑.

2.3　試驗(yàn)結(jié)果

從表1中可以看出，這是一個(gè)4水平4因素的正交試驗(yàn)，選用L16(45)正交表，試驗(yàn)安排見表2，其中e為誤差列.

表2　正交試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果

3試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1　極差分析

極差分析是一種簡單、容易掌握的分析方法，此方法只需要一些簡單的計(jì)算和比較就可得到因素對(duì)指標(biāo)影響的大小順序.

3.1.1顆粒粒度D的極差分析

試驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)和極差分析后的結(jié)果見表3，顆粒粒度的效應(yīng)曲線如圖1所示.

表3　顆粒粒度D的極差分析結(jié)果

注：k1、k2、k3、k4分別代表各因素不同水平的算術(shù)平均值，R為極差.

從表3中還可以看出，極差值R由大到小對(duì)應(yīng)

的因素排序?yàn)椋篨2>X4>X3>X1，這說明轉(zhuǎn)速對(duì)顆粒粒度的影響最大，其次是傾角、加氣量和加水量.

圖1為顆粒粒度與多因素的趨勢圖，縱坐標(biāo)是顆粒粒度極值，這個(gè)值越大越好，橫坐標(biāo)是4個(gè)影響因素的不同水平[8].

從圖1中可以看出,加水量為24 mL/s、轉(zhuǎn)速為70 r/min、加氣量為0.25 MPa、傾角為1.2°時(shí)，顆粒粒度極值最大，故選取X12X24X34X41正交組合可以得出最優(yōu)顆粒粒度.

從圖1和表3中可以看出，極差值R越大，則這個(gè)工藝參數(shù)對(duì)顆粒粒度的影響越大.

圖1　顆粒粒度的效應(yīng)曲線圖

3.1.2顆粒球形度ψ的極差分析

顆粒球形度的極差分析結(jié)果見表4.

表4　顆粒球形度ψ的極差分析結(jié)果

從表4中可以看出，加氣量對(duì)球形度的影響最大，其次是加水量、轉(zhuǎn)速和傾角.

圖2為顆粒球形度與多因素的趨勢圖，即其效應(yīng)曲線，縱坐標(biāo)是顆粒球形度的極值，這個(gè)值越大越好，橫坐標(biāo)是4個(gè)影響因素的不同水平[9].

從圖2中可以看出，加水量為24 mL/s、轉(zhuǎn)速為70 r/min、加氣量為0.15 MPa、傾角為1.6°時(shí)，顆粒球形度的極值最大，故選取X12X24X32X43正交組合可以得出最優(yōu)顆粒粒度.

圖2　顆粒球形度的效應(yīng)曲線圖

3.2　方差分析

極差分析方法簡單明了，通俗易懂，計(jì)算工作量少，便于普及和推廣，但是極差分析不能估計(jì)試驗(yàn)誤差.而在實(shí)際試驗(yàn)中，任何試驗(yàn)都不可避免地存在著試驗(yàn)誤差，極差分析不能估計(jì)試驗(yàn)誤差的大小，無法區(qū)分某因素各個(gè)水平所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)平均值間的差異有多少是由因素水平不同引起的，又有多少是由試驗(yàn)誤差引起的[10].為解決此問題，引入方差分析方法.

3.2.1顆粒粒度D的方差分析

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)運(yùn)用正交設(shè)計(jì)軟件得到的方差分析結(jié)果見表5.

表5　顆粒粒度D的方差分析結(jié)果

注：“**”表示非常顯著；“*”表示顯著；“—”表示無影響.

從表5中分別查得，臨界值F0.01(3,3)=29.457，F(xiàn)0.05(3,3)=9.277，F(xiàn)0.1(3,3)=5.391，F(xiàn)0.25(3,3)=2.356，因此FX1F0.05(3,3)，F(xiàn)X3>F0.1(3,3)，F(xiàn)X4>F0.25(3,3).這表明，轉(zhuǎn)速和傾角對(duì)顆粒粒度有非常顯著的影響，加氣量對(duì)其有顯著影響，而加水量對(duì)其則無影響.

3.2.2顆粒球形度ψ的方差分析

基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顆粒球形度ψ的方差分析結(jié)果見表6.

表6　顆粒球形度ψ的方差分析

注：“***”表示非常非常顯著；“**”表示非常顯著；“*”表示顯著；“o”表示有一定影響； “—”表示無影響.

從表6中分別查得臨界值F0.01(3,6)=5.420，F(xiàn)0.05(3,6)=4.757，F(xiàn)0.10(3,6)=3.289，F(xiàn)0.25(3,6)=1.784.因此FX1>F0.01(3,6)，F(xiàn)X2F0.10(3,6)，F(xiàn)X4

通過對(duì)各個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行的方差分析，得到各個(gè)因素對(duì)指標(biāo)的影響程度，方差分析得到的結(jié)果和極差分析得到的結(jié)果基本一致.

4結(jié)語

為了研究加水量、轉(zhuǎn)速、加氣量和傾角對(duì)顆粒粒度D及球形度ψ的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)方案，通過極差、方差分析和各因素對(duì)粒度D及球形度ψ的效應(yīng)，確定了影響顆粒質(zhì)量的關(guān)鍵因素和非關(guān)鍵因素，分析試驗(yàn)結(jié)果后得出以下結(jié)論:

1)在造粒過程中，對(duì)顆粒粒度D影響的顯著性由主到次的順序?yàn)椋恨D(zhuǎn)速、傾角、加氣量和加水量；對(duì)球形度ψ影響的顯著性由主到次的順序?yàn)椋杭託饬?、加水量、轉(zhuǎn)速和傾角.

2)顆粒獲得最佳粒度D和最佳球形度ψ的工藝方案分別為：獲得最優(yōu)粒度D的最佳方案為加水量24 mL/s、轉(zhuǎn)速70 r/min、加氣量0.25 MPa、傾角1.2°；獲得最優(yōu)球形度ψ的最佳方案為加水量24 mL/s、轉(zhuǎn)速70 r/min、加氣量0.15 MPa、傾角1.6°.

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(責(zé)任編輯：杜明俠)

Analysis on Influencing Factors of Granulated Particle Forming Based

on Orthogonal Experiment Method

LU Jiang1, ZHANG Jin1, LI Wei2

(1.Anyang Cigarette Factory, China Tobacco Henan Industrial Co., Ltd., Anyang 455000, China；

2.Mechanical & Electrical Engineering College, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

Abstract:To optimize the design of the structure of the granulator, transform its granulating behavior, eventually, the key factors and non-critical factors affecting particle formation are found. These will provide a reference for further research and the improvement of granulator design. In this paper, adopting orthogonal experimental design method，the effects of the four factors of water additionX1, rotary speedX2, gas additionX3 and inclination angleX4 on forming particles during granulating particles by drum granulator causing are analyzed. And this orthogonal experiment only choose the particle sizeDand sphericityψas the test index to make the range analysis and variance analysis. The results show that the descending order of the significance of the effect of each factor on the particle sizeDas follows: rotary speed, inclination angle, gas addition, water addition; while sphericityψ: gas addition, water addition, rotary speed, inclination angle. Furthermore, the program for the optimal sizeDisX12X24X34X41, that for the optimal sphericityψisX12X24X32X43， With the technology, a higher yield can be obtained, it shows that the technology is feasible.

Keywords:orthogonal experiment; drum granulation; influencing factors

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-5634(2015)06-0078-05

中圖分類號(hào)：TQ027

DOI:10.3969/j.issn.1002-5634.2015.06.019

作者簡介：逯江(1987—)，男，河南長垣人，工學(xué)碩士，主要從事顆粒加工控制技術(shù)及煙機(jī)設(shè)備維修管理方面的研究.

基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)項(xiàng)目(SS2012AA063103).

收稿日期:2015-10-12