试验研究方法在矿物加工领域的应用毕业论文

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试验研究方法在矿物加工领域的应用 摘 要：本文简要介绍了几种试验研究方法的基本原理和特点，结合在矿物加工研究领域的应用案例简要的说明了试验结果的分析方法以及相似原理的在试验设计中的作用。随着计算机软件的开发，使得试验研究更加方便，试验结果更加快捷，准确。试验研究方法的正确运用不仅可以在满足试验要求的前提下得到正确的试验结果，而且还可以降低试验成本，提高经济效益。 关键词：试验研究；试验设计；相似原理；分析

Application of experimental research method in the field of

mineral processing

(Chemical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou)

Abstract :This paper briefly introduces the basic principles and characteristics of several experimental research methods.Combining with the application in the field of mineral processing,the experimental results and the role of the similar principle in the design of the experiment was brief described.With the development of computer software, it is more convenient to test and study, and the result is more rapid and accurate.The correct application of the research method can not only get the correct test results, but also reduce the cost and improve the economic benefit.

Keywords: experimental study experiment design similarity principle analysis 前 言

试验研究方法是以概率论和数理统计为理论基础的科学地安排试验的方法和途径[1]。无论是从事一项具体试验，还是系统的科学研究，都离不开试验。但是如何合理安排实验，科学处理实验数据则是研究者要解决的首要问题。一个好的试验设计，通过几次试验就能够迅速而有效地找到较优的试验结果，达到预期的目的。如此，既能缩短试验周期，又能最大限度的节约试验经费，达到事半功倍的效果。反之，如果试验安排得不好，那么试验次数既多，效果又不理想，同时也会增加试验的成本。因此，掌握好试验设计这项基本技能，对从事自然科学的工作者来说十分必要[2]。随着矿物加工工程学科的不断发展进步以及矿物加工工程学科自身试验的复杂性，试验研究方法在矿物加工工程研究中的地位越来越显得重要。

1 试验设计方法

试验设计方法有很多，主要试验设计方法有：单因素试验设计、多因素试验设计、析因试验设计、分割试验设计、正交试验设计、均匀试验设计、单纯形优化试验设计[1]。本文仅就均匀试验、正交试验设计和、多因素试验设计设计在矿物加工工程领域中的应用进行简单介绍。

1.1均匀试验设计

1.1.1 均匀试验设计的基本原理及特点

均匀试验设计是利用均匀设计表来进行设计的，均匀设计表也称U 表，通常用Un （t q ）表示，其中，U 代表均匀设计表，n 代表试验次数；t 代表因素水平数；q 表示因素数。均匀试验设计要求试验点要在整个试验范围内均匀分布，与正交试验设计的均衡分散性和整齐可比性相比，均匀试验设计表仅具有均衡分散性。正因均匀试验设计不具备整齐可比性，因此数据需要采用回归分析。试验工作量少，试验的精度低，为提高试验精度，可以采用试验次数多的均匀设计表来重复安排因素各水平的试验。根据均匀试验设计的特点，其主要用于大范围的试验探索和预先试验。

研究发现，均匀试验设计方法在高等学府中很受青睐，很多研究者在研究中都有运用均匀试验设计。均匀设计在医药、化工/化学/石油和科技/工业方面一直成果不断。除此之外，此方法在物理、食品/卫生/生命科学、农林、生物/海洋、军事/航空等的应用也较为广泛。

1.1.2 均匀试验设计在工程上的应用

众所周知，煤中的硫分主要以有机硫、无机硫和微量的单质硫的形式存在，在煤炭的燃烧过程中生成的硫化物不仅会污染环境，还会影响工业产品的质量。煤中的无机硫和单质硫目前可以通过物理洗选方法脱除，但有些与煤中的有机质相结合的无机硫以及有机硫就难以通过常规的方法脱除。为此，刘松等[10]通过微波氧化的方法进行脱除煤中有机硫的试验探究。试验为考察微波功率、辐照时间和次氯酸钠量三个因素对煤中有机硫脱除效果的影响，采用均匀试验设计的方法。用曲线回归分析创建数学模型的方法探寻煤炭微波脱除有机硫的最佳试验条件。本试验为3因素5水平，如表1，为了提高试验精度、均匀性和可靠性，选取U 11（1110），并运用拟水平法来安排试验。

表1 试验因素及水平

因素A 因素B 水平 微波功率/W 微波时间/s

1 130 30

2 260 60

3 390 90

4 520 120

5 650 150 因素C 次氯酸钠/ml 0.5 1.0 2.0 3.0 5.0

试验结果分析：逐步回归分析法是从一个自变量开始，视自变量对脱硫率（Y ）作用的显著程度，从大到小依次逐个引入回归方程，当引入的自变量由于后面自变量的引入而变得不显著时，要将其剔除，并且对每一步要进行检验，以确保每次引入新的变量有统计意义，即方差贡献显著的变量，如此在回归方程中只包含对Y 影响显著的自变量，这个过程反复进行，直到没有新的变量引入。利用DPS 数据处理系统对试验结果，如表2，进行多元回归分析，创建最优模型。各因素对Y 值的影响大小，可以通过回归模型中各因素项与Y 的偏相关t 检验值的相对大小进行判断。最终通过偏相关检验结果和回归方程分析找到因素间的最佳组合。即微波功率为392W 、辐照时间为150s 、次氯酸钠用量为5.00ml 时，预测模型的脱硫率最大化。

表2 试验条件和结果

试验号 微波功率/W 微波时间/s 次氯酸钠/ml 脱硫率/% 1 130 150 3.0 6.79

2 130 120 1.0 5.61

3 260 90 5.0 8.72

4 260 60 2.0 7.18

5 390 30 0.5 5.69

6 390 150 5.0 10.17

7 520 120 2.0 9.87

8 520 90 0.5 7.53

9 650 60 3.0 9.38

10 650 30 1.0 7.41

1.2正交试验设计

目前，在科学研究和工业生产过程中，影响目标生产的因素有很多，为追求最大效益，需要研究多个因素对产品指标的影响效果。采用全面析因试验，因素数为m ，水平数为q ，则试验次数n=qm ，考虑因素间不仅单独存在效应，而且因素与因素间还存在交互效应，因此从试验次数量很大，并且随着试验因素和水平的增加，试验次数将急剧增加，从而增大研究难度。正交试验则是采用部分析因试验来代替全面试验的方法，其所选择的点能够代表整体试验。1951年日本统计学家田口玄一根据试验的优化规律设计出了正交表[4]。

1.2.1正交试验原理及其特点

正交试验设计的方法有很多，但基本原理都是利用正交表安排多因素试验的。正交表有两种：同水平正交表和混合水平正交表[5]。同水平正交表的各因素的水平数相等，在矿物加工领域中，同水平正交表用的比较多。这种正交表不仅可以使得每个因素的不同水平在每一列中出现的次数相等，而且还可以考察部分因素之间的交互作用。正交表是具有正交性的字码组合，一般用Ln （t q ）表示。其中，L 代表正交表，n 代表正交表的行号，同时也是正交试验设计的次数；t

代表正交表的水平数，同时也与试验设计的水平数相对应；q 代表正交表的列数，同时也是与试验因素以及有关因素的交互作用相对应。正交表有其独特之处，在于其正交性的体现，即任何一列中各水平出现的次数相同，任何两列中各种有序数对出现的次数相同，这样在试验时所选择的任意两列的各种水平搭配情况是相同。

1.2.2正交试验设计的一般原则

在进行正交试验设计时有5个基本原则需要遵守：试验水平数要与所选择的正交表中的q 值相等，因素个数满足不大于正交表的m 值，且试验次数最少；任何两因素之间的交互作用都存在，安排试验是应避免将因素的主效应安排在正交表的交互效应列内；一般用空白列估计试验误差，可以不安排重复试验；为减少试验工作量，可以将某些因素组合为复合因素，安排在正交表中进行试验；用正交表安排试验时，尽可能使各因素的水平数相等，试验的重复次数相同，这样可以使试验数据处理简单。

1.2.3正交试验数据分析

对试验进行数据分析涉及两个方面：一是因素和交互作用的显著性检验，二是最佳试验条件的获得。

1.2.3.1极差分析

极差R=Xmax-Xmin，因素的水平数相同时，因素效应可由极差R 决定，可以通过极差直接判断各因素的效应。因素水平数不同时，需要根据修正极差R ’来判断各因素效应。极差分析计算上比较简便，工作量较小，但精度低，不能给出试验误差估计。

1.2.3.2方差分析

总的方差S T =S因+S交+SE ，其中心要点是将试验数据总的波动分解为两个部分：一部分反映因素水平变化引起的波动S 因和S 交，另一部分反映试验误差引

起的波动S E 。方差分析可以将各因素对试验指标的影响从是试验误差中分离出来，是一种定量分析，用于分析试验指标的影响程度，可比性比较强，精度高。

1.2.3.3直观分析

利用图表对试验结果进行对比分析，其主要用于解决两个问题：（1）确定因素最佳水平组合；（2）确定影响试验指标的因素的主次地位。方法简单，对比直观，但不能排除随机误差，也不能进行统计检验，可靠性差。

1.2.4正交试验设计在选煤设备上的应用

何丽君等[6]基于正交试验设计对筛网旋流器的分级性能进行相关研究。筛网旋流器是一种利用弧形圆筒筛和水力旋流器相结合而开发的新型细粒分级设备，其分级原理是物料以一定的压力切向（摆线向或渐开线向）给入，形成强大的向下的螺旋流，一部分矿浆围绕旋流器轴心形成向上的内螺旋流，由于负压原因，旋流器中心会形成空气柱。物料中轻而细的颗粒进入内螺旋，从溢流口排出；物