正交试验设计案例分析.docx

正交实验设计案例分析戴杰 摘要：正交实验设计法在工业生产中具有广阔的应用领域，但 由于推广不够，在实践少有应用，除了观念上的影响外，对操 作方法的疑惑和不熟悉，也是重要因素。我们小组选取了两个 典型案例，对正交实验设计法的操作方法和步骤进行了介绍。 正交实验设计法在工业生产中具有广阔的应用领域。作为一种科学的实验方法，它以 投资少、易操作见效快的特点而为人们所关注，在已经试点过的单位都不同程度地取得了 明显效果，受到企业的普遍欢迎。正交实验设计法虽然已经取得了骄人的业绩，但它的推 广并不普遍。原因主要是许多企业科学意识差，对正交法缺乏正确认识，不懂操作程序， 甚至怕麻烦。鉴于此，我们选择了两个典型案例，对正交法的应用程序和方法做出了说明。 一、双氰胺生产工艺的优化研究 1.1 立项背景 山西省双氰胺厂。1989 年引进技术，设计能力为年产双氰胺 500t，1990 年投产， 1991 年全年生产双氰胺 300t。虽然当时双氰胺出厂价为 15000 元/t，市场供不应求，但由 于该企业产量达不到设计能力，成本很高，年亏损 30 多万元，企业处于非常困难的境地。 1.2 经诊断发现的问题 双氰胺的主要原材料质量差，有效含氮量低。调查结果：石灰氮最好是一级品占 一半，其余为二级品以下。石灰氮产品的行业标准（有效含氮量）是：优级品=20%，一 级品18%，二级品17%，次品17%。经过对比，该厂石灰氮有效含氮量低，是双氰胺消 耗高、成本高、产量低的主要原因。 石灰窑 CO2 气体浓度太低且很不稳定，是制约双氰胺生产的关键因素。经调查 发现，CO2 气体浓度一般在 17%以下，有时 12%左右，致使双氰胺车间第一道工序（即水 解工序）脱钙速度慢、时间长，是制约双氰胺产量的关键。 双氰胺的生产工艺影响因素多，优化潜力大。经分析认为：水解投料量、水解 pH 值、聚合工序的聚合温度、聚合 pH 值、结晶温度等因素，均对产品质量和消耗有影响。 多因素影响正好适用正交法。 1.3 正交法在各生产车间的应用及效果 （1）提高白灰窑 CO2 气体浓度的正交实验。经调查，投入的煤和石头的比例是由人 工估计的，并不计量，每天加料总量和分配的层次随意性很大。由于没有固定的工艺标准， CO2 气体浓度既不可能稳定，生产效果也不可能提高。故采取了以下措施：一是安装地磅， 投入的煤和石头要求过磅计量；二是实施正交优化。 经计算，石灰窑优化方案的因素水平及实验结果（选用 L9(3^4)正交表安排实验）分别 如表 1、表 2 所示。 表 1 因素水平表 A3 A3，B2，C3 水平 因 素 水平 煤石比 投料量（t/次） 投料层次（次/d） 1 1:0.14 5 7 2 1:0.17 5.5 8 3 1:0.2 6 9 表 2 实验结果表 方案 因 素 方案 A 煤石比 B 投料量（次班） C 投料层次（次 班） 实验结果 CO2 浓度（%） 1 1:0.14 5 9 26.4 2 1:0.17 5 7 28.7 3 1:0.20 5 8 27.4 4 1:0.14 5.5 8 28.6 5 1:0.17 5.5 9 30.1 6 1:0.20 5.5 7 29.4 7 1:0.14 6 7 29.2 8 1:0.17 6 8 30.4 9 1:0.20 6 9 32.2 K1 平均值 28.1 27.5 29.1 因素主次: B，C，A 优水平: K2 平均值 29.8 29.4 32.1 因素主次: B，C，A 优水平: K3 平均值 29.7 30.6 30 因素主次: B，C，A 优水平: Rj 1.7 3.1 3 因素主次: B，C，A 优水平: 经计算分析，显然优化方案为 A2B3C3。即 A 煤石比为 1:0.17，加料量为 6t/次，加料 层次为 9 次/d 。经进一步优化，加料层次为 12 次/d，使二氧化碳气体浓度达 38%。 （2）提高石灰氮有效含氮量和产量的正交实验。经过对氮化车间 3 台沉降炉产出成 品状况分析和操作情况分析，我们发现成品不均匀，一层一层的，每层 3cm 厚，在两层连 接处质量好，而在两层之间质量疏松，经化验有效含氮量低。工人操作，电石在上端有加 料机均匀撒于料面，由于冷料加入，炉温逐步下降，连续加料，待炉温降低 80 摄氏度时， 才停止加料，致使料层厚度超过 3cm。 从上面的操作过程分析：连续加料时间太长，使得料层太厚，在停止加料后，氮气与 电石进行氮化反应，生成 CaCN2，由于氮化反应是一个放热反应，炉温慢慢升高，当再回 到 900 摄氏度重新加料，又是厚厚一层，炉温降低 80 摄氏度才停止加料。这样就造成停止 加料后，氮气与料层表面接触，反应生成 CACN2，由于料层厚，氮气深入内部反应不易，