優化網狀鋁合金阻隔抑爆材料制造工藝參數的實驗研究*

□ 陳銀清 □ 李 凱 □ 邱鎮來

1.廣東石油化工學院機電工程學院廣東省石化裝備故障診斷重點實驗室 廣東茂名 525000

2.茂名市亞泰鋁合金抑爆材料有限公司 廣東茂名 525000

網狀鋁合金阻隔抑爆材料是一種具有阻燃抑爆作用的網狀鋁合金箔材，其抑爆原理主要是依賴于材料疊層中網眼組成的蜂窩狀結構。可燃流體裝置中安放這些材料后，網狀形成立體骨架，把內腔分割成眾多小隔室，這些小隔室遏制火焰的傳播；同時，這種蜂窩結構在單位體積內具有極好的導熱性，可以迅速地將燃燒釋放出來的絕大部分熱量吸收掉，使燃燒反應后的最終溫度大大降低，反應氣體的膨脹程度縮小，容器的壓力增高不大，達到防爆的效果，其防爆機理在于多孔、導熱、導焰［1-5］，從而降低局部氣壓。

由于鋁合金阻隔抑爆材料是安放在貯存流體的容器內，為了減少其占用體積，箔材要盡可能薄，網眼要盡可能多，且具有足夠的韌性，即材料的延伸率指標要求高，否則會存在使用過程中容易掉渣、折斷等現象，同時在油箱加油時會發生跳槍、堵塞油路，油表不能準確讀數，影響正常工作［3，5］。

然而要提高鋁合金箔材的延伸率指標，在選用合適原材料的基礎上，對其制作工藝特別是能改變材料力學性能的熱處理工藝參數的設置必須合理。

對提高鋁合金箔材的延伸率指標的工藝研究上，在國內外已 有不少研 究的 實例［6-10］，如 李學偉等［6］對3003鋁合金鑄錠均勻化退火工藝及力學性能作了研究，分析了退火溫度和時間的改變對力學性能的影響。吳文祥等［7］對3003鋁合金箔制備過程中的組織演變進行了深入研究，分析了鋁合金退火析出合金元素與溫度及冷軋變形量的關系。岳有成等［8］研究了均勻化退火對超薄雙零鋁箔坯料組織與性能的影響，分析了退火溫度及保溫時間對伸長率的影響。潘秋紅等［9］對容器箔用3003鋁合金板帶材退火工藝進行了研究，得出的結論是：3003容器箔的均勻化退火制度為560～580 ℃ /（24 h）、成品退火制度為 300 ℃ /（3 h）時，其組織結構和力學性能最佳，0.07 mm厚度的箔材抗拉強度達150 MPa，延伸率為7%。楊鋼等［10］對軋制0.005 mm鋁箔用鑄軋坯料的工藝進行了研究，分析了軋制坯料的工藝對鋁箔質量的影響。

以上研究分析都是單步工序的參數對3003鋁合金箔的性能影響，沒有對其總體工藝作研究分析。筆者以3003鋁合金阻隔抑爆材料為研究對象，在已成熟的工藝基礎上，對每道工序的工藝參數進行定性、定量分析，重點研究其制作工藝過程中的坯料的表面粗糙度、均勻化退火保溫時間、成品退火的保溫時間及箔材厚度對箔材延伸率的影響，采用回歸正交旋轉組合試驗法，建立數學模型，找出最佳的工藝參數范圍，最后通過試驗，驗證已建立的均勻化退火保溫時間及成品退火保溫時間對箔材延伸率影響規律的數學模型。

根據建立的數學模型，找出增強箔材延伸率的工藝參數最佳范圍，進而對優化鋁合金阻隔抑爆材料箔材制造工藝起到指導性作用。

1 試驗材料及制造工藝流程

1.1 試驗材料

研究的網狀鋁合金規格為3003的鋁錠，化學成分（質量百分數%）為：硅 Si：0.60；鐵 Fe：0.70；銅 Cu：0.05～0.20；錳 Mn：1.0～1.5；鋅 Zn：0.01；其余為鋁。

1.2 制造工藝流程

將鋁錠鑄成質量為1 t的坯料，然后在專用機床上銑削，使其表面粗糙度分別為 Ra0.1 μm、Ra0.15 μm、Ra0.2 μm三種；放入均勻化退火爐上退火；接著在熱軋機上軋制成6.0～6.5 mm厚度的坯料；再在冷軋機上軋制厚度至0.03～0.08 mm的鋁箔片；進行分條分卷，裝入成品退火爐退火；最后在擴網機上擴網，得到網狀鋁合金箔片；再根據裝置流體的形狀，做成球狀、條形狀或卷狀等不同形狀的防爆產品。

設備：專用機床選用C6020-700大型車床，熱軋機選用φ650型三輥熱軋機；冷軋是在MINO1 400 mm四重不可逆軋機上進行，該設備擁有技術較先進的AGC系統、AFC系統和DC4050X-Ray測厚儀反饋系統；均勻化退火在20 t箱式退火爐中進行；成品退火在馬弗爐中進行。

1.3 定性分析

將鋁錠鑄成坯料后，表層分布雜質較多，為了盡可能地清除雜質，對其表面進行銑削加工，在實際生產過程中，表面加工得越光滑，越有利于均勻化退火和成品退火。均勻化退火且保溫時間較長的目的是為了消除材料的晶內偏析，實踐證明，保溫時間選擇適當與否，直接影響成品退火的效果。成品退火的目的是為了消除內應力，直接影響材料的力學性能。而鋁箔的厚薄直接影響成品退火保溫時間的選擇，即影響網狀鋁合金阻隔抑爆材料性能的主要環節是銑削坯料的表面效果、均勻化退火效果、成品退火效果及箔片的厚度。下面通過試驗研究，定量分析這些因素對該材料性能的影響。

2 試驗研究

2.1 試驗方法［11-15］

試驗選用二次回歸正交旋轉組合試驗法，分兩步進行，先采用正交試驗法進行，然后再進行回歸分析。

正交試驗是試驗設計中一種優良的方法，是指用正交表合理地安排試驗，利用數理統計的原理科學地分析試驗結果，能利用較少的試驗次數獲得較好的試驗結果，處理多因素試驗的科學方法。但是通過正交設計所得到的優化方案只能限制在已定的水平上，而不是一定試驗范圍內的最優方案。

回歸分析是一種有效的數據處理方法，通過所確立的回歸方程，可以對試驗結果進行預測和優化，但回歸分析往往只能對試驗數據進行被動的處理和分析，不涉及對試驗設計的要求。如果能將兩者的優勢統一起來，不僅有合理的試驗設計和較少的試驗次數，還能建立有效的數學模型，這正是筆者采用正交試驗法的原因。

回歸正交設計可以在各因素的試驗范圍內選擇適當的試驗點，用較少的試驗建立一個精度高、統計性質好的回歸方程，并能解決試驗優化問題。

2.2 試驗步驟

1）確定目標函數、影響因素及水平。根據網狀鋁合金阻隔抑爆材料生產過程的經驗，影響其延伸率（目標函數）的主要因素有坯料表面的粗糙度Ra、均勻化退火保溫時間h1、成品退火保溫時間h2及鋁箔的厚度s。本試驗的指標是延伸率δ，試驗因子4個，試驗水平選3。

2）回歸正交旋轉組合試驗設計過程。現用回歸正交旋轉組合設計分析，坯料表面粗糙度（x1）、均勻化退火保溫時間（x2）、成品退火保溫時間（x3）及鋁箔的厚度（x4）與試驗指標箔片的延伸率（y）之間的關系。

（1）確定因素水平編碼及編碼表［12-15］。因素的變化范圍分別是：x1：（0.10～0.20） μm；x2：（24～26） h；x3：（1～3） h；x4：（0.03-0.08） mm。根據因素數 4及按 1/2實施，二水平試驗次數為8，星號試驗次數為8，零水平次數為7，所以總試驗次數為n=23，則正交旋轉組合設計因素水平編碼表及回歸正交設計表見表1及表2。

表1 正交組合設計因素水平編碼表

對各因素水平進行線性變換，得編碼公式：

（2）利用Excel建立回歸正交表，見表2（按1/2實施）。

（3）實施試驗。按表2所示的試驗方案進行試驗（23次），試驗順序隨機進行，試驗結果記入表2。

2.3 回歸方程的建立

（1）回歸方程及偏回歸系數的顯著性檢驗。試驗的目的就是要獲得一組最優的加工參數以便獲得最佳的延伸率，通過響應曲面法分析回歸模型中各因素對響應值的影響，最終確定合理的水平組合，使響應預測值達到最優。通過回歸分析，由表2可得回歸方程為：

表2 回歸正交設計表

方差分析表，見表3。

從表3的殘差分析可以看到，殘差為負值，說明回歸方程精確度很好，但方程很復雜，不利于以后的優化，為了使回歸方程盡量簡單，可將回歸值較小的項目納入殘差項，做第二次殘差分析，見表4。

第二次殘差分析表明，還可以把回歸方程進一步簡化，從表4可發現，為了得到更精準的回歸方程，將z3項也納入殘差項，可得到方差分析，見表5。

故此可得到回歸方程：

（2）失擬性檢驗。失擬性分析見表6。根據表6數據，失擬不顯著，回歸模型與實際情況擬合得很好。可見因素均勻化退火的保溫時間及成品退火的保溫時間對試驗指標延伸率有非常顯著的影響，所建立的回歸方程也非常顯著。

（3）回歸方程的回代。通過試驗參數轉換，把各試驗因素的自由變量和延伸率都轉換為矩陣形式，將式（1）代入式（3），這時擬合方程為：

3 響應面法在二次回歸正交旋轉組合設計中的應用

由以上的試驗可知，通過回歸正交旋轉組合設計不僅可以減少試驗次數，還能得到與試驗數據擬合得較好的回歸方程，但是最終目的是要通過回歸方程預測較優的試驗范圍或試驗點，這就關系到回歸方程的極值問題。這里用響應面法 （response surface methodology）形象、直觀地解決這個問題。

（1）繪制三維響應面以及等高線圖。現將以上回歸方程，利用Origin8.0繪制該曲面圖和對應的等高線圖［15］，如圖1和圖2所示。

表3 方差分析表

表4 方差分析表

表5 方差分析表

（2）分析最佳區域。由圖1和圖2可見，通過回歸方程可以預測最優范圍，如要得到延伸率為30%的箔材，可以作一組平行于橫坐標的平行線和延伸率曲線相交，找出交點對應的兩個保溫時間，在退火處理時采用此時間作保溫時間，可得到所要求的結果。

表6 失擬性分析表

表7 實驗結果驗證表

▲圖1 三維表面圖

▲圖2 等高線圖

（3）實驗結果驗證。根據以上試驗結果，選圖2中A、B、C、D、E、F 六個點對應的參數再做試驗，得到結果對照，見表7。

由表可見，試驗結果與擬合模型所獲得數據基本一致，說明利用二次回歸正交旋轉組合試驗設計、回歸分析所建立的材料延伸率經驗公式具有較高的可信度，表明該數學模型合理可用。

4 結論

由于3003鋁箔片阻隔抑爆材料延伸率的大小直接影響其使用功能，筆者對0.03-0.08 mm的3003鋁箔片的制作工藝進行了分析，在結合實際生產經驗的情況下，選用二次回歸正交旋轉組合試驗設計，重點分析了坯料的表面粗糙度、均勻化退火、保溫時間、成品退火、保溫時間及鋁箔的厚度這些參數對延伸率的影響程度，并建立了回歸方程數學模型，揭示了各參數對延伸率的影響規律。

（1）通過對材料延伸率的建模及各因素的效應分析，表明了均勻化退火的保溫時間和成品退火的保溫時間影響最大，其它參數次之。

（2）利用響應曲面做出材料延伸率的三維表面圖和等高線圖，可以快速確定加工參數的分布區域。

（3）筆者進行的實驗研究及參數優化方法，為鋁箔片阻隔抑爆材料的制作工藝提供了可靠的理論依據。

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