應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)法探索分級(jí)機(jī)的最佳工藝參數(shù)*

李世婕，曾 燕，胡澤宇，朱火清，黃永達(dá)，劉宏江

廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東 廣州 510650

應(yīng)用正交實(shí)驗(yàn)法探索分級(jí)機(jī)的最佳工藝參數(shù)*

李世婕，曾 燕，胡澤宇，朱火清，黃永達(dá)，劉宏江

廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東 廣州 510650

為了獲得最佳的分級(jí)機(jī)工藝參數(shù)，以進(jìn)口產(chǎn)品為參考標(biāo)準(zhǔn)，采用四因素、四水平的正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)分級(jí)實(shí)驗(yàn)，考察各因素對(duì)分級(jí)后釬劑的平均粒徑及體積分布的影響．通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行極差和方差的綜合分析，結(jié)果表明：各因素對(duì)考察指標(biāo)影響的大小順序?yàn)槎?jí)頻率>一級(jí)頻率>風(fēng)門(mén)狀態(tài)>主機(jī)頻率；最優(yōu)組合為主機(jī)頻率5 Hz，一級(jí)頻率10 Hz，二級(jí)頻率20 Hz，風(fēng)門(mén)狀態(tài)為全開(kāi)；二級(jí)頻率對(duì)平均粒徑及體積分布的影響顯著．最后采用優(yōu)化組合工藝制備了分級(jí)的釬劑，并且進(jìn)行了激光粒度分析并與進(jìn)口產(chǎn)品對(duì)比，表明所制備的分級(jí)釬劑的各項(xiàng)指標(biāo)均與進(jìn)口產(chǎn)品一致．

正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；干式噴涂釬劑；分級(jí)機(jī)

鋁及鋁合金由于密度小、熱導(dǎo)率高且物美價(jià)廉，已成為制造熱交換器的首選材質(zhì)，基本上取代了銅及銅合金．以汽車(chē)行業(yè)為例，目前汽車(chē)的水箱、冷凝器和蒸發(fā)器等熱交換器的鋁化率已達(dá)到95%以上．同時(shí)，鋁制熱交換器還廣泛應(yīng)用于電力及制冷行業(yè)．

目前，生產(chǎn)釬焊鋁制熱交換器大多采用濕噴工藝，即先將鋁釬劑用水調(diào)制成5%左右的懸浮液，然后將此懸浮液通過(guò)噴淋系統(tǒng)均勻噴布于工件上，再將噴布的含水釬劑烘干，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐中完成釬焊．由于水的引入，濕噴工藝存在以下缺點(diǎn)：水的加入又再被烘失，既浪費(fèi)水資源又增加電力烘干成本；水漬導(dǎo)致焊后工件的外觀不夠光亮；形成廢水廢渣，不符合當(dāng)今綠色環(huán)保制造的要求和理念．靜電干噴工藝可很好地解決濕噴工藝帶來(lái)的這些問(wèn)題．靜電干噴工藝是在壓縮空氣的動(dòng)力推動(dòng)下將干式噴涂釬劑推出噴槍?zhuān)趪姌屒岸说碾婋x區(qū)域中帶上負(fù)電荷，然后在空氣力場(chǎng)和靜電電場(chǎng)的作用下，定向吸附到帶正電荷的工件表面，形成一層均勻牢固的薄膜，最后在氮?dú)獗Ｗo(hù)的隧道爐中完成釬焊[1]．

干式噴涂釬劑的顆粒品質(zhì)對(duì)靜電干噴工藝起決定性的因素，而其中的粒度分布更是重要因素．釬劑的粒度太細(xì)，其比表面積大，容易使顆粒間相互吸附，造成團(tuán)聚堵塞槍口，從而導(dǎo)致加料不順暢及布料不均勻；粒度太粗，其帶電效果差，同時(shí)又加上自重過(guò)大，導(dǎo)致對(duì)工件的吸附力不足，成膜時(shí)易產(chǎn)生桔皮，影響薄膜的平整及光澤[2]．

通常對(duì)用于靜電干噴工藝的鋁釬劑的粒度分布有嚴(yán)格的要求，其50%的顆粒粒徑分布應(yīng)在3.5～25 μm范圍內(nèi)[3]，要達(dá)到此粒徑分布的要求，需使用粒度分級(jí)機(jī)設(shè)備．本文對(duì)粒度分級(jí)機(jī)設(shè)備的工藝參數(shù)進(jìn)行研究，采用正交實(shí)驗(yàn)法，旨在將影響分級(jí)機(jī)分級(jí)效果的各因素水平進(jìn)行合理搭配，探索分級(jí)機(jī)的最佳工藝條件，以生產(chǎn)出符合粒徑要求的釬劑產(chǎn)品．

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及方法

實(shí)驗(yàn)原料為自產(chǎn)的氟鋁酸鉀共晶釬劑．分級(jí)時(shí)需要考慮的因素比較多，如對(duì)所有因素進(jìn)行全面搭配實(shí)驗(yàn)，工作量大難以實(shí)施．正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用正交表來(lái)安排與分析多因素實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)計(jì)方法，它從實(shí)驗(yàn)因素全部水平的組合中挑選出部分有代表性的水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，了解全面實(shí)驗(yàn)的情況，找出最優(yōu)的水平組合[4]．

實(shí)驗(yàn)時(shí)按照正交實(shí)驗(yàn)法設(shè)計(jì)步驟，在分級(jí)機(jī)的控制柜上調(diào)整各有關(guān)參數(shù)因素的水平值，待進(jìn)料運(yùn)行穩(wěn)定一段時(shí)間后，于一號(hào)出料口(粗顆粒出料口)取樣進(jìn)行粒度分析．圖1為分級(jí)流程示意圖．

圖1 分級(jí)流程圖Fig.1 Classifier flow chart

1.2 儀器與設(shè)備

用型號(hào)為WTJ-28的粉碎機(jī)粉碎將氟鋁酸鉀共晶釬劑制成粉狀釬劑，再用型號(hào)為JMC-500-2的二次分級(jí)機(jī)對(duì)所得粉末釬劑進(jìn)行分級(jí)，得干式噴涂釬劑產(chǎn)品，最后用型號(hào)為7003的激光粒度分析儀分析干式噴涂釬劑的粒度分布．

1.3 實(shí)驗(yàn)因素及水平的選取

從日常的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，影響分級(jí)機(jī)分級(jí)效果的因素主要有四個(gè)，即主機(jī)頻率、一級(jí)分級(jí)頻率、二級(jí)分級(jí)頻率和風(fēng)門(mén)狀態(tài)(即二次進(jìn)風(fēng)口的風(fēng)門(mén)大小)[5]．經(jīng)初步試驗(yàn)探索，確定了這四個(gè)因素的水平值．具體的因素水平列于表1．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

考察評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)參照進(jìn)口產(chǎn)品的粒徑大小及分布范圍，平均粒徑以接近15 μm為最佳，粒徑D<3 μm顆粒的體積百分比越小越好，粒徑D>10 μm顆粒的體積百分比越大越好．本實(shí)驗(yàn)為四因素四水平正交實(shí)驗(yàn)，選用L16(45)正交表，多出一列作為誤差分析，通過(guò)方差及極差法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，從而選擇出最佳工藝條件，具體的實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果列于表2．

表1 實(shí)驗(yàn)因素與水平

表2 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

注：1)A，B，C和D分別代表主機(jī)頻率、一級(jí)頻率、二級(jí)頻率和風(fēng)門(mén)狀態(tài)四個(gè)因素 2)Y1，Y2和Y3分別代表三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，即平均粒徑、粒徑D<3 μm顆粒的體積分布及粒徑D>10 μm顆粒的體積分布

2.1 極差分析法及討論

表3為極差分析表．由表3可知：主機(jī)頻率(A)、一級(jí)頻率(B)、二級(jí)頻率(C)和風(fēng)門(mén)狀態(tài)(D)四因素對(duì)平均粒徑影響大小依次為C>B>A>D，最優(yōu)水平組合為A1B2C2D4；四因素對(duì)粒徑D<3 μm顆粒的體積百分比的影響大小順序?yàn)镃>B>D>A，最優(yōu)水平組合A1B2C2D4；四因素對(duì)粒徑D>10 μm顆粒的體積百分比的影響大小順序?yàn)镃>B>D>A，最優(yōu)水平組合A1B2C2D4．三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析結(jié)論幾乎一致，最優(yōu)組合都是 A1B2C2D4．其中考察因素對(duì)平均粒徑的影響大小順序C>B>A>D，與另外兩評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響大小順序C>B>D>A略有不同．但是從平均粒徑的極差分析結(jié)果可以看出，A和D的極差值均小于同組的空列(誤差)的極差，故A和D對(duì)平均粒徑的影響可以忽略不計(jì)．因此，綜合考慮四因素對(duì)三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響，大小順序可認(rèn)為是C>B>D>A，最優(yōu)組合為A1B2C2D4，即主機(jī)頻率5 Hz，一級(jí)頻率10 Hz，二級(jí)頻率20 Hz，風(fēng)門(mén)狀態(tài)為全開(kāi)．

2.2 方差分析法與討論

極差分析法雖然能找出因素對(duì)考察指標(biāo)影響的大小順序和最佳水平組合，但不能將試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)誤差引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)與試驗(yàn)條件改變引起的數(shù)據(jù)波動(dòng)區(qū)別開(kāi)來(lái)，也沒(méi)有提供所考察的各因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果(指標(biāo))影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)，因此無(wú)法知道分析的精度如何[6]．然而在實(shí)際生產(chǎn)中需要嚴(yán)格控制對(duì)考察指標(biāo)有顯著影響的因素，對(duì)那些沒(méi)有顯著影響的因素可以忽略[7]．方差分析能夠很好地彌補(bǔ)極差分析的缺陷，將數(shù)據(jù)的總變異分解成因素引起的變異和誤差引起的變異兩部分，構(gòu)造F統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行F檢驗(yàn)，從而判斷各因素作用的顯著性大?。?dāng)誤差自由度很小的時(shí)候，F(xiàn)檢驗(yàn)靈敏度很低，有時(shí)即使因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)有影響，用F檢驗(yàn)也判斷不出來(lái)．為了增大誤差自由度，提高F檢驗(yàn)的靈敏度，在進(jìn)行顯

表3 極差分析表

注：1)k1，k2,k3,k4為各因素同一水平Y(jié)值的平均值 2)R為每一因素中4個(gè)水平Y(jié)值的平均值的極差

著性檢驗(yàn)之前，先將各因素的方差與誤差方差比較，若因素的方差小于2倍誤差的方差，可將這些因素的偏差平方和、自由度并入誤差的偏差平方和、自由度，這樣使誤差的偏差平方和及自由度增大，提高F檢驗(yàn)的靈敏度．

表4為方差分析表，表4中把影響平均粒徑及體積分布(D>10 μm)的主機(jī)頻率與風(fēng)門(mén)狀態(tài)這兩個(gè)因素的偏差平方和與自由度并入誤差中再進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)．從表4中可以看出：以平均粒徑為指標(biāo)，因素二級(jí)頻率F比>F0.01，說(shuō)明該因素的影響高度顯著，其余因素F比F比>F0.05，說(shuō)明該因素有顯著影響，其余因素F比10 μm)為指標(biāo)，因素二級(jí)頻率F比>F0.01，說(shuō)明該因素的影響高度顯著，其余因素F比

以上述最優(yōu)組合工藝條件做驗(yàn)證試驗(yàn)，用激光粒度分析儀測(cè)得分級(jí)出的干噴釬劑的平均粒徑為13.826 μm，D<3 μm顆粒的體積分布為6.386%，D>10 μm顆粒的體積分布為44.729%，這與進(jìn)口產(chǎn)品粒度分析的各項(xiàng)指標(biāo)非常接近(圖2)．

圖2 粒度分析圖Fig.2 Particle size analysis

指標(biāo)因素平方和自由度均方F比F分布臨界值Fa顯著水平平均粒徑/μm主機(jī)頻率33.752311.251—一級(jí)頻率97.67332.5573.147二級(jí)頻率225.232375.0777.257F0.05(3,9)=3.86**風(fēng)門(mén)狀態(tài)32.541310.847—F0.01(3,9)=6.99空列(誤差)26.82538.942—誤差Δ93.118910.346—體積分布(D<3μm)/%主機(jī)頻率39.3313.12.485一級(jí)頻率119.687339.8967.569F0.05(3,3)=9.28二級(jí)頻率310.5983103.53319.642F0.01(3,3)=29.46*風(fēng)門(mén)狀態(tài)86.447328.8165.467空列(誤差)15.81435.271—體積分布(D>10μm)/%主機(jī)頻率342.8223114.274—一級(jí)頻率1184.5093394.8362.994二級(jí)頻率3179.50431059.8358.036F0.05(3,9)=3.86**風(fēng)門(mén)狀態(tài)539.9883179.996—F0.01(3,9)=6.99空列(誤差)304.2183101.406—誤差Δ1187.0289131.892—

3 結(jié) 論

(1)極差分析法表明，主機(jī)頻率(A)、一級(jí)頻率(B)、二級(jí)頻率(C)和風(fēng)門(mén)狀態(tài)(D)四因素對(duì)平均粒徑影響大小依次為C>B>A>D，四因素對(duì)體積分布(粒徑小于3 μm)百分比的影響大小順序?yàn)镃>B>D>A，四因素對(duì)體積分布(粒徑大于10 μm)百分比的影響大小順序?yàn)镃>B>D>A．綜合考慮，最優(yōu)組合為A1B2C2D4．

(2)方差分析法表明，二級(jí)頻率對(duì)平均粒徑及體積分布(D>10 μm)的影響高度顯著，二級(jí)頻率對(duì)體積分布(D<3μm)有顯著影響，其他因素對(duì)三個(gè)指標(biāo)均為非顯著性影響．

(3)按照最優(yōu)組合工藝條件做分級(jí)試驗(yàn)，分級(jí)后的干噴釬劑平均粒徑為13.826 μm，D<3 μm顆粒的體積分布為6.386%，D>10 μm顆粒的體積分布為44.729%，與進(jìn)口產(chǎn)品的各項(xiàng)性能指標(biāo)非常接近．

[1] 李紅生，王文麗．靜電噴涂技術(shù)的應(yīng)用[J]．涂裝與電鍍，2004(4)：33-35．

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Application of orthogonal experiment method to the exploration of the best parameters of the classifier

LI Shijie，ZENG Yan，HU Zeyu，ZHU Huoqing，HUANG Yongda，LIU Hongjiang

GuangdongWeldingInstitute(E.O.PatonChinese-UkrainianInstituteofWelding)，Guangzhou510650，China

In order to obtain the best technological parameters of the classifier and with a standard of the imported product，the orthogonal experiment is designed with four factors and four levels. Based on the analysis of the three indexes including average particle size and the volume distribution of the flux after the classification and comparing the range analysis and variance analysis，the experimental results show that the influence sequence of each factor on the three indexes is as follows: second frequency>primary frequency>ventilation door>main frequency. And the optimal combination is the main frequency 5Hz, primary frequency 10Hz, secondary frequency 20Hz, and the ventilation door is full open. The secondary frequency has a significant effect on the average particle size and volume distribution. The particle size analysis of the flux which employs optimized combined classification technology is carried out by laser particle size analyzer，which indicates that the indexes of the prepared packing are consistent with the imported products.

orthogonal experimental design；dry spraying flux；classifier

2017-04-26

廣東省科學(xué)院科研平臺(tái)環(huán)境與能力建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(2016GDASPT-0205)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B050503004)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015B050502005)

李世婕(1987-)，女，廣東揭陽(yáng)人，本科．

1673-9981(2017)02-0112-06

TQ630.6

A