優(yōu)化網(wǎng)狀鋁合金阻隔抑爆材料制造工藝參數(shù)的實(shí)驗(yàn)研究*

□ 陳銀清 □ 李 凱 □ 邱鎮(zhèn)來

1.廣東石油化工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院廣東省石化裝備故障診斷重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(wǎng)狀鋁合金阻隔抑爆材料是一種具有阻燃抑爆作用的網(wǎng)狀鋁合金箔材，其抑爆原理主要是依賴于材料疊層中網(wǎng)眼組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)?？扇剂黧w裝置中安放這些材料后，網(wǎng)狀形成立體骨架，把內(nèi)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(jié)構(gòu)在單位體積內(nèi)具有極好的導(dǎo)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(yīng)后的最終溫度大大降低，反應(yīng)氣體的膨脹程度縮小，容器的壓力增高不大，達(dá)到防爆的效果，其防爆機(jī)理在于多孔、導(dǎo)熱、導(dǎo)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(nèi)，為了減少其占用體積，箔材要盡可能薄，網(wǎng)眼要盡可能多，且具有足夠的韌性，即材料的延伸率指標(biāo)要求高，否則會存在使用過程中容易掉渣、折斷等現(xiàn)象，同時在油箱加油時會發(fā)生跳槍、堵塞油路，油表不能準(zhǔn)確讀數(shù)，影響正常工作［3，5］。

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

對提高鋁合金箔材的延伸率指標(biāo)的工藝研究上，在國內(nèi)外已 有不少研 究的 實(shí)例［6-10］，如 李學(xué)偉等［6］對3003鋁合金鑄錠均勻化退火工藝及力學(xué)性能作了研究，分析了退火溫度和時間的改變對力學(xué)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(jìn)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(guān)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(jìn)行了研究，得出的結(jié)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(jié)構(gòu)和力學(xué)性能最佳，0.07 mm厚度的箔材抗拉強(qiáng)度達(dá)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(jìn)行了研究，分析了軋制坯料的工藝對鋁箔質(zhì)量的影響。

以上研究分析都是單步工序的參數(shù)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(chǔ)上，對每道工序的工藝參數(shù)進(jìn)行定性、定量分析，重點(diǎn)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(zhuǎn)組合試驗(yàn)法，建立數(shù)學(xué)模型，找出最佳的工藝參數(shù)范圍，最后通過試驗(yàn)，驗(yàn)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(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型，找出增強(qiáng)箔材延伸率的工藝參數(shù)最佳范圍，進(jìn)而對優(yōu)化鋁合金阻隔抑爆材料箔材制造工藝起到指導(dǎo)性作用。

1 試驗(yàn)材料及制造工藝流程

1.1 試驗(yàn)材料

研究的網(wǎng)狀鋁合金規(guī)格為3003的鋁錠，化學(xué)成分（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)%）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(zhì)量為1 t的坯料，然后在專用機(jī)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(jī)上軋制成6.0～6.5 mm厚度的坯料；再在冷軋機(jī)上軋制厚度至0.03～0.08 mm的鋁箔片；進(jìn)行分條分卷，裝入成品退火爐退火；最后在擴(kuò)網(wǎng)機(jī)上擴(kuò)網(wǎng)，得到網(wǎng)狀鋁合金箔片；再根據(jù)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(chǎn)品。

設(shè)備：專用機(jī)床選用C6020-700大型車床，熱軋機(jī)選用φ650型三輥熱軋機(jī)；冷軋是在MINO1 400 mm四重不可逆軋機(jī)上進(jìn)行，該設(shè)備擁有技術(shù)較先進(jìn)的AGC系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)和DC4050X-Ray測厚儀反饋系統(tǒng)；均勻化退火在20 t箱式退火爐中進(jìn)行；成品退火在馬弗爐中進(jìn)行。

1.3 定性分析

將鋁錠鑄成坯料后，表層分布雜質(zhì)較多，為了盡可能地清除雜質(zhì)，對其表面進(jìn)行銑削加工，在實(shí)際生產(chǎn)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(nèi)偏析，實(shí)踐證明，保溫時間選擇適當(dāng)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(nèi)應(yīng)力，直接影響材料的力學(xué)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(wǎng)狀鋁合金阻隔抑爆材料性能的主要環(huán)節(jié)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(yàn)研究，定量分析這些因素對該材料性能的影響。

2 試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法［11-15］

試驗(yàn)選用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)法，分兩步進(jìn)行，先采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行，然后再進(jìn)行回歸分析。

正交試驗(yàn)是試驗(yàn)設(shè)計中一種優(yōu)良的方法，是指用正交表合理地安排試驗(yàn)，利用數(shù)理統(tǒng)計的原理科學(xué)地分析試驗(yàn)結(jié)果，能利用較少的試驗(yàn)次數(shù)獲得較好的試驗(yàn)結(jié)果，處理多因素試驗(yàn)的科學(xué)方法。但是通過正交設(shè)計所得到的優(yōu)化方案只能限制在已定的水平上，而不是一定試驗(yàn)范圍內(nèi)的最優(yōu)方案。

回歸分析是一種有效的數(shù)據(jù)處理方法，通過所確立的回歸方程，可以對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測和優(yōu)化，但回歸分析往往只能對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行被動的處理和分析，不涉及對試驗(yàn)設(shè)計的要求。如果能將兩者的優(yōu)勢統(tǒng)一起來，不僅有合理的試驗(yàn)設(shè)計和較少的試驗(yàn)次數(shù)，還能建立有效的數(shù)學(xué)模型，這正是筆者采用正交試驗(yàn)法的原因。

回歸正交設(shè)計可以在各因素的試驗(yàn)范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)脑囼?yàn)點(diǎn)，用較少的試驗(yàn)建立一個精度高、統(tǒng)計性質(zhì)好的回歸方程，并能解決試驗(yàn)優(yōu)化問題。

2.2 試驗(yàn)步驟

1）確定目標(biāo)函數(shù)、影響因素及水平。根據(jù)網(wǎng)狀鋁合金阻隔抑爆材料生產(chǎn)過程的經(jīng)驗(yàn)，影響其延伸率（目標(biāo)函數(shù)）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(yàn)的指標(biāo)是延伸率δ，試驗(yàn)因子4個，試驗(yàn)水平選3。

2）回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計過程。現(xiàn)用回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)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(yàn)指標(biāo)箔片的延伸率（y）之間的關(guān)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(jù)因素數(shù) 4及按 1/2實(shí)施，二水平試驗(yàn)次數(shù)為8，星號試驗(yàn)次數(shù)為8，零水平次數(shù)為7，所以總試驗(yàn)次數(shù)為n=23，則正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計因素水平編碼表及回歸正交設(shè)計表見表1及表2。

表1 正交組合設(shè)計因素水平編碼表

對各因素水平進(jìn)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(shí)施）。

（3）實(shí)施試驗(yàn)。按表2所示的試驗(yàn)方案進(jìn)行試驗(yàn)（23次），試驗(yàn)順序隨機(jī)進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)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(shù)的顯著性檢驗(yàn)。試驗(yàn)的目的就是要獲得一組最優(yōu)的加工參數(shù)以便獲得最佳的延伸率，通過響應(yīng)曲面法分析回歸模型中各因素對響應(yīng)值的影響，最終確定合理的水平組合，使響應(yīng)預(yù)測值達(dá)到最優(yōu)。通過回歸分析，由表2可得回歸方程為：

表2 回歸正交設(shè)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(fù)值，說明回歸方程精確度很好，但方程很復(fù)雜，不利于以后的優(yōu)化，為了使回歸方程盡量簡單，可將回歸值較小的項(xiàng)目納入殘差項(xiàng)，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(jìn)一步簡化，從表4可發(fā)現(xiàn)，為了得到更精準(zhǔn)的回歸方程，將z3項(xiàng)也納入殘差項(xiàng)，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(yàn)。失擬性分析見表6。根據(jù)表6數(shù)據(jù)，失擬不顯著，回歸模型與實(shí)際情況擬合得很好?？梢娨蛩鼐鶆蚧嘶鸬谋貢r間及成品退火的保溫時間對試驗(yàn)指標(biāo)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(yàn)參數(shù)轉(zhuǎn)換，把各試驗(yàn)因素的自由變量和延伸率都轉(zhuǎn)換為矩陣形式，將式（1）代入式（3），這時擬合方程為：

3 響應(yīng)面法在二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計中的應(yīng)用

由以上的試驗(yàn)可知，通過回歸正交旋轉(zhuǎn)組合設(shè)計不僅可以減少試驗(yàn)次數(shù)，還能得到與試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(yù)測較優(yōu)的試驗(yàn)范圍或試驗(yàn)點(diǎn)，這就關(guān)系到回歸方程的極值問題。這里用響應(yīng)面法 （response surface methodology）形象、直觀地解決這個問題。

（1）繪制三維響應(yīng)面以及等高線圖?，F(xiàn)將以上回歸方程，利用Origin8.0繪制該曲面圖和對應(yīng)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(qū)域。由圖1和圖2可見，通過回歸方程可以預(yù)測最優(yōu)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(biāo)的平行線和延伸率曲線相交，找出交點(diǎn)對應(yīng)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(jié)果。

表6 失擬性分析表

表7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表

▲圖1 三維表面圖

▲圖2 等高線圖

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，選圖2中A、B、C、D、E、F 六個點(diǎn)對應(yīng)的參數(shù)再做試驗(yàn)，得到結(jié)果對照，見表7。

由表可見，試驗(yàn)結(jié)果與擬合模型所獲得數(shù)據(jù)基本一致，說明利用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計、回歸分析所建立的材料延伸率經(jīng)驗(yàn)公式具有較高的可信度，表明該數(shù)學(xué)模型合理可用。

4 結(jié)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(jìn)行了分析，在結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的情況下，選用二次回歸正交旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)設(shè)計，重點(diǎn)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(shù)對延伸率的影響程度，并建立了回歸方程數(shù)學(xué)模型，揭示了各參數(shù)對延伸率的影響規(guī)律。

（1）通過對材料延伸率的建模及各因素的效應(yīng)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(shù)次之。

（2）利用響應(yīng)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(shù)的分布區(qū)域。

（3）筆者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究及參數(shù)優(yōu)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(jù)。

［1］邢志祥，張貽國，馬國良.網(wǎng)狀鋁合金抑爆材料抑爆性能研究［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，2012，22（2）：75～79.

［2］侯向東，王祝堂.易燃易爆流體運(yùn)儲抑爆鋁箔［J］.輕合金加工技術(shù)，2011，39（6）：1-10.

［3］韓德盛，李荻.成形加工和飛行振動對防爆鋁箔網(wǎng)力學(xué)性能的影響［J］.材料導(dǎo)報，2005，19（5）：115-116.

［4］易莊云.阻隔防爆技術(shù)介紹 ［J］.湖南安全與防災(zāi)，2012（11）：38-44.

［5］解立峰，王靜虹，饒麗芳，等.網(wǎng)狀鋁合金材料對爆炸火焰抑制性能研究 ［J］. 石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2010，26（1）：34-37.

［6］李學(xué)偉，王國軍，周長海，等.3003鋁合金鑄錠均勻化退火工藝及力學(xué)性能［J］.黑龍江科技學(xué)院學(xué)報，2012， 22（5）：479-484.

［7］吳文祥，張新明，唐建國，等.3003鋁合金箔制備過程中的組織演變 ［J］.金屬熱處理，2006，31（3）：36-39.

［8］岳有成，楊鋼，何惠剛，等.均勻化退火對超薄雙零鋁箔坯料組織與性能的影響［J］.金屬熱處理， 2013， 38（ 9 ）：49-52.

［9］潘秋紅，郭得海，羅遠(yuǎn)根，等.容器箔用3003鋁合金板帶材退火工藝研究［J］.礦冶工程，2010，30 （5）：111-113.

［10］楊鋼，馬寧，何慧剛，等.軋制0.005 mm鋁箔用鑄軋坯料的工藝研究［J］.輕合金加工技術(shù)，2007，35 （3）：16-18.

［11］姜宏.正交實(shí)驗(yàn)在改善手機(jī)涂裝色差上的應(yīng)用研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2007.

［12］李云雁，胡傳榮.試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理（第2版）［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

［13］劉振學(xué)，黃仁和.田愛民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［14］張成軍.實(shí)驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［15］肖信.Origin8.0實(shí)用教程-科技作圖與數(shù)據(jù)分析 ［M］.北京：中國電力出版社，2009.