正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中的應(yīng)用

紀(jì)郁琪 李俊皓

（招遠(yuǎn)市招金金合科技有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400）

前言

冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展的過程中，為持續(xù)提升產(chǎn)業(yè)質(zhì)效，強(qiáng)化生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)能的再擴(kuò)大、生產(chǎn)流程的再優(yōu)化[1]。生產(chǎn)企業(yè)有必要從實(shí)踐角度出發(fā)，采取更為系統(tǒng)高效的工作舉措，利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)等多種方式，持續(xù)完成對(duì)冶金工程參數(shù)的調(diào)整，以更好地滿足冶金產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求，構(gòu)建完備、高效的生產(chǎn)模式。

一、正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)概述

對(duì)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理以及特定的分析，有助于技術(shù)人員在思維層面形成精準(zhǔn)的認(rèn)知，持續(xù)提升正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在實(shí)踐環(huán)節(jié)的可操作性，避免試驗(yàn)漏洞的出現(xiàn)，打造完備的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｊ健?/p>

（一）正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理

正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)其目的在于通過對(duì)多因素多水平的有效研究，在完成對(duì)各類因素影響方面、影響程度梳理的前提下，縮短工作流程，提升試驗(yàn)效率，以更好地解決過往分析試驗(yàn)中暴露出的分析速度慢、分析成本高等系列問題[2]。在整個(gè)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)過程中，其主要通過正交表來完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、離散分析等相關(guān)工作，將因素表、因素水平數(shù)進(jìn)行交互分析，在此基礎(chǔ)上，獲得具有代表性的點(diǎn)開展后續(xù)的深度試驗(yàn)，從而達(dá)到以最少的試驗(yàn)測(cè)試達(dá)到最佳試驗(yàn)效果的目標(biāo)，在較短的時(shí)間內(nèi)周期，快速完成多因素的試驗(yàn)以及分析任務(wù)。

（二）正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)特點(diǎn)

正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在實(shí)際應(yīng)用環(huán)節(jié)，表現(xiàn)出科學(xué)性、針對(duì)性以及高效性等特點(diǎn)。具體來看，正交設(shè)計(jì)以正交表作為基礎(chǔ)。正交表含有整套規(guī)則，利用數(shù)學(xué)公式，形成了相對(duì)完備的模型L 表示正交表的代號(hào)、n 表示試驗(yàn)的次數(shù)、t 表示平均數(shù)、c 表示列數(shù)，通過對(duì)上述幾項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算，可以直觀地判定因素間的關(guān)聯(lián)性。例如L10(4^5)，表示需要進(jìn)行10 次試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中最多可以觀察5 個(gè)影響因素，每個(gè)影響因素均為4 水平。隨著正交表應(yīng)用頻率的不斷增加，其計(jì)算模型趨于完善，在很大程度上，滿足了不同場(chǎng)景下的使用需求[3]。同時(shí)開展多組試驗(yàn)，既保證了試驗(yàn)的目的性，還縮短了試驗(yàn)周期，實(shí)現(xiàn)了各個(gè)因素之間的有效比較以及因素之間影響程度地分析評(píng)估。在整個(gè)過程中，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)采取正交分解、綜合可比、均衡搭配的方式，形成對(duì)多影響因素的綜合性考察，掌握各影響因素之間的內(nèi)在聯(lián)系。與傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式相比，表現(xiàn)出極強(qiáng)的可操作性、可推廣性。

二、正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中應(yīng)有的必要性

為持續(xù)提升冶金工程的可操作性，扭轉(zhuǎn)過往冶金設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)環(huán)節(jié)存在的各類問題，打造系統(tǒng)化、完備化的冶金工程機(jī)制，技術(shù)人員可以做出必要的調(diào)整，將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)作為框架，對(duì)冶金工程做出必要的優(yōu)化設(shè)置，以持續(xù)提升冶金工程的技術(shù)水平。

從冶金產(chǎn)業(yè)發(fā)展的角度來看，冶金產(chǎn)品的質(zhì)量水平在很大程度上，取決于設(shè)計(jì)水平，工藝設(shè)計(jì)的科學(xué)性，影響了后續(xù)冶金工藝的基本流程以及工藝參數(shù)的選擇，因此相關(guān)企業(yè)以及技術(shù)人員對(duì)于冶金工程的設(shè)計(jì)方案高度重視，期望掌握各類影響因素，將設(shè)計(jì)參數(shù)與質(zhì)量水平之間建立起穩(wěn)定的聯(lián)系，從源頭上防范冶金質(zhì)量問題的出現(xiàn)。基于這種產(chǎn)業(yè)特性，冶金企業(yè)往往組織技術(shù)人員開展系統(tǒng)性的冶金試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果不斷修正冶金設(shè)計(jì)方案，推動(dòng)冶金技術(shù)體系的形成。但是從掌握的情況來看，冶金試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，通過不間斷的試驗(yàn)，論證不同影響因素之間的關(guān)系，這種情況的出現(xiàn)，使得冶金試驗(yàn)的成本過高，增加了冶金企業(yè)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[4]。為提升試驗(yàn)的針對(duì)性，管控費(fèi)用支出，拉低冶金試驗(yàn)成本，在較短的時(shí)間內(nèi)，快速完成試驗(yàn)任務(wù)，從而選擇最佳因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)冶金工程技術(shù)參數(shù)的調(diào)整。基于這種目標(biāo)定位，冶金企業(yè)有意識(shí)地將正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)與冶金工程結(jié)合起來，旨在通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的科學(xué)性、實(shí)用性，有針對(duì)性地選擇試驗(yàn)條件，借助正交表完成數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)針對(duì)性與有效性的兼顧。

三、正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中的應(yīng)用策略

正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中的應(yīng)用，要求技術(shù)人員在科學(xué)性原則、實(shí)用性原則的框架下，綜合考量各類因素，有針對(duì)性地調(diào)整冶金工程的技術(shù)參數(shù)，持續(xù)強(qiáng)化冶金工程技術(shù)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)形態(tài)的有效調(diào)整，更好地解決過往冶金工程技術(shù)問題。

（一）明確冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)指標(biāo)

冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在工作開展之初，需要確立試驗(yàn)指標(biāo)，以試驗(yàn)指標(biāo)的確立作為基礎(chǔ)，為后續(xù)試驗(yàn)因素的梳理、正交表的制定以及試驗(yàn)方案的執(zhí)行奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在試驗(yàn)指標(biāo)的篩選過程中，需要綜合考量各類影響因素，以確保冶金工程設(shè)計(jì)方案制定過程中，技術(shù)人員可以整合優(yōu)勢(shì)資源，實(shí)現(xiàn)技術(shù)參數(shù)的科學(xué)調(diào)整。以冶金工程還原焙燒為例，該實(shí)驗(yàn)的主要目的在于，將礦石中的錳元素從硫酸中分離出來，實(shí)現(xiàn)二氧化錳到氧化錳的快速轉(zhuǎn)換，在這一過程中，需要對(duì)轉(zhuǎn)換的速率做好調(diào)控，避免轉(zhuǎn)換速度過慢、轉(zhuǎn)換周期過長(zhǎng)的情況發(fā)生，達(dá)到升級(jí)產(chǎn)業(yè)模式的目的。在進(jìn)行錳元素還原過程中，考慮到涉及到不同的要素，傳統(tǒng)的試驗(yàn)方式較為繁瑣，工作效率較低，在這種情況下，采取正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方式，對(duì)錳元素的還原進(jìn)行評(píng)估分析[5]。這一環(huán)節(jié)，以錳元素的浸出率以及還原效果作為試驗(yàn)指標(biāo)，圍繞著錳元素開展系列研究，探究提升錳元素浸出條件，以更加明確正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的目標(biāo)定位。

（二）界定冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素

在明確試驗(yàn)指標(biāo)的前提下，技術(shù)人員圍繞著指標(biāo)，逐步分析影響試驗(yàn)指標(biāo)的相關(guān)因素，為后續(xù)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的開展提供方向性引導(dǎo)。以錳元素還原試驗(yàn)為例，圍繞著錳元素的浸出率指標(biāo)，以焙燒溫度、焙燒實(shí)踐、煤礦比作為試驗(yàn)因素，在此基礎(chǔ)上，設(shè)立空白影響因素的選項(xiàng)，逐步梳理冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)試驗(yàn)體系，為后續(xù)各類計(jì)算分析工作的開展提供方向性引導(dǎo)，以錳元素的還原試驗(yàn)為例，技術(shù)人員可以設(shè)立正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素水平表，構(gòu)建正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的基本框架，具體情況如表1 所示：

表1 錳元素還原焙燒正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)因素統(tǒng)計(jì)表

通過對(duì)上述因素的分析，逐步形成錳元素還原試驗(yàn)的基本框架，提升了正交表選擇的有效性與科學(xué)性，切實(shí)滿足正交表的使用需求。

（三）選擇冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)表格

正交表作為專業(yè)的工具，其具體內(nèi)容可以參考相關(guān)文件，采取因素+交互作用+空白列數(shù)的方式，來完成正交表的設(shè)置，以確保正交表可以更好地滿足實(shí)際試驗(yàn)環(huán)節(jié)的相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)不同影響因素之間相互關(guān)系的客觀、完整分析。在完成正交表的設(shè)立后，技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)在科學(xué)性原則、實(shí)用性原則的框架下，確立冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案。試驗(yàn)方案應(yīng)當(dāng)包括特定的試驗(yàn)條件、因素轉(zhuǎn)換等，同時(shí)設(shè)置多組試驗(yàn)，同時(shí)開展不同類別的試驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填寫到正交表之中，開展詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析。

四、正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中應(yīng)有的注意事項(xiàng)

對(duì)冶金工程中正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)用環(huán)節(jié)相關(guān)注意事項(xiàng)的明確，有助于技術(shù)人員全面把握工作重點(diǎn)，有效防范冶金工程應(yīng)用環(huán)節(jié)出現(xiàn)各種漏洞，強(qiáng)化正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)應(yīng)用的針對(duì)性與高效性。

冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在開展過程中，需要認(rèn)真做好極差分析、遺傳算法聯(lián)系等相關(guān)工作，通過對(duì)上述應(yīng)用要點(diǎn)的把握，強(qiáng)化正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的應(yīng)用水平，確保冶金工程相關(guān)設(shè)計(jì)工作的有序開展。具體來看，技術(shù)人員在完成冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)后，需要對(duì)獲取到的相關(guān)數(shù)據(jù)開展極差分析，旨在通過極差分析，將試驗(yàn)范圍內(nèi)，正交表中各列數(shù)據(jù)對(duì)于試驗(yàn)因素的影響程度進(jìn)行排序，在排序過程中，黨正交表中某列的極差最大時(shí)，表明該列數(shù)據(jù)的數(shù)值在試驗(yàn)范圍內(nèi)發(fā)生了變化，導(dǎo)致試驗(yàn)指數(shù)發(fā)生了變化，并且兩種數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。在極差分析中，技術(shù)人員可以掌握相關(guān)試驗(yàn)指標(biāo)最佳的操作條件或者最適宜的條件，對(duì)于后續(xù)試驗(yàn)方案的完備、健全提供了方向性引導(dǎo)。為確保極差分析工作的順利開展，技術(shù)人員在明確極差計(jì)算重要性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格按照極差計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范開展新相應(yīng)的評(píng)估分析，以確保技術(shù)人員可以準(zhǔn)確把握冶金工程設(shè)計(jì)方案中各類因素之間的相互關(guān)系，為后續(xù)冶金工程的完善提供了方向性引導(dǎo)。冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在開展的過程中，還需要著重做好遺傳算法的關(guān)聯(lián)性操作，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)本質(zhì)上屬于遺傳算法的分支，主要對(duì)初始種群開展定向的、進(jìn)化的分析，但是與常規(guī)性的遺傳算法有著一定的區(qū)別，正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在操作難度、試驗(yàn)次數(shù)方面有著明顯差異，其操作難度較低、試驗(yàn)次數(shù)較少。針對(duì)于這種情況下，技術(shù)人員在利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)冶金工程開展分析工作時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分認(rèn)識(shí)這種內(nèi)在的關(guān)聯(lián)性，借鑒遺傳算法的相關(guān)操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)冶金工程正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的思路、方法等做出相應(yīng)的調(diào)整，以此為契機(jī)，持續(xù)強(qiáng)化正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐屬性，確保冶金工程中各類因素歸類的合理性與有效性，消除干擾因素對(duì)于整個(gè)試驗(yàn)分析活動(dòng)的影響，發(fā)揮出正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，加速冶金工程體系的形成。

五、結(jié)語

對(duì)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)在冶金工程中應(yīng)用策略的探討，對(duì)于現(xiàn)行技術(shù)模式的優(yōu)化升級(jí)有著極大的裨益，為更好地發(fā)揮正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)，加速冶金工程的完善進(jìn)程，文章在全面掌握正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)原理、特點(diǎn)的前提下，結(jié)合冶金工程的實(shí)際，有目的、有方向地完善設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化技術(shù)方法，以持續(xù)提升冶金工程的實(shí)踐屬性，推動(dòng)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮。