正交实验设计案例分析

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1、正交实验设计案例分析45120611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

2、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（1）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<

3、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。（2）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。（3）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

4、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因素水平表水平因素煤石比投料量（t/次）投料层次（次/d）11:0.145721:0.175.5831:0.269表2实验结果表方案因素A煤石比B投料量（次班）C投料层次（次班）实验结果CO2浓度（%）11:0.145926.421:0.175728.7

5、31:0.205827.441:0.145.5828.651:0.175.5930.161:0.205.5729.471:0.146729.281:0.176830.491:0.206932.2K1平均值28.127.529.1因素主次:B，C，A优水平:A3，B2，C3K2平均值29.829.432.1K3平均值29.730.630Rj1.73.13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

6、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，

7、由于料层厚，氮气深入内部反应不易，因此两层中间氮化不充分，造成质量差，而且反应慢，产量也低。由于找准了石灰氮质量差和产量低的原因，正交优化方案制定如下：首先把加料前后的温差由80摄氏度降低为20摄氏度以内（越低越好），这是为了减少一次加料的数量和厚度使CaC2和氮气能充分反应，既可提高产品质量，又可促进产量提高。其因素水平及实验结果分别如表3、表4所示。表3因素水平表水平因素加料温度A（摄氏度）进口氮压（mmH2O）萤石比例（%）回炉料比例D（%）1860301.01.02880401.51.53900502.020表4实验结