工程科學學報

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期刊信息

月刊，1955年創刊

ISSN 2095-9389

CN 10-1297/TF

主管單位：教育部

主辦單位：北京科技大學

編　　輯：《工程科學學報》編輯部

出　　版：科學出版社

主任委員：楊仁樹

副主任委員(主編)：吳愛祥

地　　址：北京市海淀區學院路30號

電　　話：(010)62333436

傳　　真：(010)62333436

郵發代碼：82-303

國內發行：北京報刊發行局

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單　　價：40元/期，全年480元

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2010年第32卷第6期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源
控制與決策

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資源與開發

工作面反風時采空區場量分布變動的數值模擬

李宗翔, 賈進章, 周志林

2010, 32(6): 691-696,718. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.001

[摘要](236)

[PDF 687KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
結合華興煤礦1318炮放面實例,運用數值模擬手段,描繪了工作面反風時采空區流場內漏風流,氧、CO和瓦斯各組分氣體,以及溫度等的分布變動過程,給出了反風時沿工作面邊界各組分氣體涌出量的變化規律.模擬在反風后,場內各組分氣體含量分布重心發生倒置,原上游高溫區被冷卻,下游低溫區逐漸轉變為新的高溫區,使采空區的溫度上升過程重新回到一個相對較低的溫度起點,使自燃升溫得到一定的延緩.反風后,場內CO氣體涌出量經歷突降—回跳上升—緩慢衰減—再逐漸增加的跳動過程,瓦斯涌出量在經歷大幅度突降和回跳后,其增幅度不大.用埋管抽放的辦法能夠防止因反風導致工作面內有害氣體超限,同時給出了反風的實施條件,即必須確保采空區無明火.

破碎帶工程圍巖超前錨桿加固拱結構

周橋, 高謙

2010, 32(6): 697-701. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.002

[摘要](226)

[PDF 349KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在破碎帶巖層開挖時,頂板極易垮落,通常采用超前錨桿加固來做輔助支護.為了研究工程圍巖超前錨桿加固機理及其位移變化規律,把這種開挖形成的拱看成有幾何缺陷的圓弧拱.以武平紫金礦業230斜坡道在破碎帶中超前錨桿加固為工程實例,利用屈曲理論及薄膜理論對其位移的變化進行了力學分析,完善了前人對這種加固拱簡化的問題.

全尾砂絮凝沉降規律及其機理

焦華喆, 王洪江, 吳愛祥, 吉學文, 嚴慶文, 李祥

2010, 32(6): 702-707. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.003

[摘要](253)

[PDF 392KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
以某礦全尾砂和聚丙烯酰胺(PAM)為實驗原料進行靜態絮凝沉降實驗,研究給料濃度和絮凝劑單耗對尾礦最大沉降速度和靜止沉降極限濃度的影響,通過對實驗數據回歸分析得出簡易的沉降速度模型.將模型劃分為六個階段,包括紊流影響段、加速沉降段、沉降末速段、干涉沉降區、壓密沉降段和極限沉降段,并利用兩相流理論、絮凝理論對其合理性進行闡述.實驗結果證明:在單耗一定(20g·t^-1)時,沉降速度與給料濃度負相關,極限濃度與給料濃度正相關;在給料質量分數20%時,單耗臨界值為30g·t^-1,極限濃度與單耗負相關.建議深錐濃密機給料質量分數20%,絮凝劑單耗20g·t^-1.

紅土鎳礦直接還原焙燒磁選回收鐵鎳

曹志成, 孫體昌, 楊慧芬, 王靜靜, 仵曉丹

2010, 32(6): 708-712. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.004

[摘要](306)

[PDF 703KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
采用添加助熔劑直接還原焙燒-磁選方法,對鎳主要以硅酸鎳形式存在的低品位紅土鎳礦中鎳和鐵的富集進行了研究.結果表明,同時添加助熔劑,可獲得較好的技術指標.最佳工藝條件為:煤作還原劑,質量分數為15%;KD-2為助熔劑,質量分數為20%;焙燒溫度為1200℃;焙燒時間為40min.在此條件下可以得到鎳品位10.83%、鐵品位52.87%、鎳回收率82.15%和鐵回收率54.59%的鎳鐵精礦.用X射線衍射(XRD)和透射電鏡(TEM)對還原過程中助熔劑和煤的作用機理進行了研究.發現KD-2可以與原礦中含鎳的石英和硅酸鹽礦物反應,釋放出其中的鎳;煤用量太多時可生成部分不含鎳的金屬鐵,會造成鎳的回收率降低.

安徽褐鐵礦的磁化焙燒-磁選工藝

朱德慶, 趙強, 邱冠周, 潘建, 王澤群, 潘常甲

2010, 32(6): 713-718. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.005

[摘要](293)

[PDF 792KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
針對安徽某低品位褐鐵礦石,采用磁化焙燒-磁選工藝進行了實驗研究,對該礦的原礦進行了巖相分析,并對磁化焙燒-磁選工藝參數進行了優化.結果表明,該礦屬低磷硫的低品位褐鐵礦,褐鐵礦與脈石礦物的鑲嵌關系較為復雜,結晶水含量高,屬難選礦石.對鐵品位48.01%的原礦,在850℃、內配煤5%(質量分數)的條件下,磁化焙燒15min,焙燒礦磁化率達到最佳值,褐鐵礦幾乎全部轉化為磁鐵礦,這由X射線衍射結果證實.該褐鐵礦通過磁化焙燒-磁選工藝可獲得品位62.94%、回收率87.99%的鐵精礦.

冶金與材料

基于鐵礦粉高溫特性互補的燒結優化配礦

吳勝利, 戴宇明, Dauter Oliveira, 裴元東, 徐健, 韓宏亮

2010, 32(6): 719-724. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.006

[摘要](322)

[PDF 637KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
首先測定巴西、澳洲及中國的10種鐵礦粉的高溫特性,將其與實際生產統計所得的高溫特性適宜區間比較可知:巴西礦的同化性偏低,澳洲礦偏高,中國精粉則相對接近適宜區間;有兩種巴西礦、一種澳洲礦以及一種中國精粉的液相流動性適宜,一種巴西礦、一種澳洲礦以及兩種中國精粉則偏低,一種澳洲礦和一種中國精粉的液相流動性稍高;澳洲礦的黏結相自身強度偏低,巴西礦和中國精粉則較為適宜,且中國精粉相對更高.在實驗研究的基礎上,提出基于鐵礦粉高溫特性互補而使混合礦高溫特性指標適宜的燒結配礦新思路,并設計優化配礦方案,燒結杯實驗結果顯示均獲得優良的燒結指標,證實了基于鐵礦粉高溫特性進行配礦的優越性.

含鋁TRIP鋼結晶器保護渣黏度特性

王歡, 唐萍, 文光華, 于雄

2010, 32(6): 725-729. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.007

[摘要](248)

[PDF 346KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
含鋁TRIP鋼鋼液中Al易與結晶器保護渣中的SiO₂發生氧化-還原反應,使其保護渣中Al₂O₃的質量分數由3%快速增加到30%左右,w_(Al₂O₃)/w_(SiO₂)由0.10增加到1.44,導致黏度發生大的波動.研究了Al₂O₃含量和w_(Al₂O₃)/w_(SiO₂)對含鋁TRIP鋼保護渣黏度的影響,建立了高Al₂O₃含量保護渣系黏度的計算模型.結果表明:隨著Al₂O₃質量分數由3%增加到17%,綜合堿度R<1的保護渣黏度先增大再減小,而R≥1的保護渣黏度變化較小;隨著Al₂O₃質量分數由17%增加到30%,保護渣的黏度快速增大;隨著w_(Al₂O₃)/w_(SiO₂)的增大,Al-TRIP鋼保護渣的黏度呈現先快速減小而后迅速增大的趨勢.

高碳硬線鋼82B中Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO-MnO系夾雜物塑性化控制

柴國強, 王福明, 付軍, 李長榮

2010, 32(6): 730-734. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.018

[摘要](135)

[PDF 584KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
分析了高碳硬線鋼82B在冶煉過程中復合夾雜物-鋼液-渣及耐火材料局部動態平衡反應過程及Mn、Si和Al脫氧條件下夾雜物成分變化規律.利用熱力學計算軟件FactSage進一步計算分析了硬線鋼獲得良好變形能力的Al₂O₃-SiO₂-MgO-CaO-MnO五元系夾雜物所需要的條件:鋼液中[Al]的質量分數控制在(25～100)×10^-6時,相應地鋼液中溶解[O]的質量分數可以控制在(5～20)×10^-6.在低熔點區域內,[Si]的質量分數可以控制在0.1%～1.5%;[Mn]的質量分數控制在0.2%～1%.

鈣處理齒輪鋼中氧硫復合夾雜物的熱變形能力

肖國華, 董瀚, 王毛球, 惠衛軍

2010, 32(6): 735-738. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.008

[摘要](213)

[PDF 553KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用金相分析、掃描電鏡和能譜儀等分析手段,研究了鈣處理加硫的DIN18CrNiMo7-6齒輪鋼中氧硫復合夾雜物的形貌、成分和熱變形行為.結果表明:外圍硫化物的鈣抑制了氧硫復合夾雜物的變形,當外圍硫化物的鈣原子分數約為5.0%時抑制作用達到飽和;高熔點核心氧化物的面積分數增加,復合夾雜物的變形能力降低,而低熔點核心氧化物對復合夾雜物變形能力的影響不明顯.

元胞自動機模擬晶粒長大的步長設定對模擬結果的影響

武磊, 劉雅政, 程曉杰, 周樂育, 孫有博

2010, 32(6): 739-743. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.009

[摘要](208)

[PDF 866KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用一種預先設定步長的元胞自動機模型模擬晶粒長大,研究了步長對模擬結果的影響.在等效時間相同的情況下,采用較大的步長導致模擬完成時晶粒尺寸較小,但其晶粒尺寸分布更符合Weibull函數,晶粒面積比(An/Aa)與晶粒邊數之間也更符合線性關系.無論采用哪種步長,模擬過程中平均晶粒邊數均接近6,模擬后的組織中晶粒邊數分布符合正態分布,且隨步長的減小符合程度提高.綜合考慮,對于實際材料晶粒長大過程的模擬仿真,采用100s步長可以獲得較好的結果.

低碳鋼中第2相NbC_xN_1-x的x值

亓海全, 雍岐龍, 雍兮, 陳明昕, 張正延

2010, 32(6): 744-747. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.019

[摘要](113)

[PDF 274KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用現有計算方法,對低碳鋼中鈮的碳氮化物NbC_xN_1-x中的x值進行了理論計算.計算結果表明,NbC_xN_1-x中的x值主要受成分和溫度的影響,隨鋼中C含量增大、N含量減小而增大,隨溫度的升高而減小之.通過與相關實驗結果比較發現:在一定的成分、溫度范圍內計算結果與之符合良好;對于超出該范圍的Nb微合金化低碳鋼,計算結果可作參考.給出了溫度和范圍成分分別為1050～1250℃和0.10%C-0.005%N-0.20%Nb～0.20%C-0.005%N-0.20%Nb.

卷取溫度對低碳鋼組織性能及AlN析出行為的影響

王巖, 趙愛民, 陳銀莉, 左碧強, 薛俊平

2010, 32(6): 748-752,791. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.020

[摘要](114)

[PDF 481KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
運用拉伸、金相、析出物定量分析、TEM和EDS等測試方法,對不同卷取溫度低碳鋼組織性能及析出進行研究.結果表明:隨著卷取溫度的升高,鋼的強度和晶粒度等級下降,固溶的N含量逐漸降低,740℃卷取時固溶的N含量幾乎為零.熱力學和動力學分析表明,AlN主要是在卷取過程中產生的.透射電鏡觀察到的AlN尺寸在10～50nm,并且具有復雜的化學成分.

780MPa級熱鍍鋅用TRIP鋼退火工藝及組織演變

定巍, 唐荻, 江海濤, 黃偉

2010, 32(6): 753-758. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.010

[摘要](144)

[PDF 896KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
研究了熱鍍鋅用高強TRIP鋼的退火工藝對性能的影響和組織演變規律.結果表明:實驗用鋼可獲得780.00MPa以上的抗拉強度和24.00%以上的斷后延伸率;兩相區加熱溫度和貝氏體保溫時間對鋼的力學性能具有顯著影響,兩相區加熱溫度為850℃,貝氏體保溫時間為30s時,實驗用鋼能獲得最佳的綜合力學性能;在貝氏體中溫相變后,仍有部分亞穩奧氏體(碳含量較低)在后續冷卻過程中發生馬氏體相變,從而導致鋼退火后的微觀組織由鐵素體、貝氏體、殘余奧氏體和馬氏體組成.

攪拌剪切作用下凝固組織演變過程的數學描述

朱光磊, 徐駿, 張志峰, 劉國鈞, 石力開

2010, 32(6): 759-763. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.011

[摘要](119)

[PDF 688KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
分析了凝固組織在攪拌剪切作用下的有效溶質分配系數,將凝固速度和攪拌轉速作為凝固組織演變過程的主要因素,建立了凝固組織演變與凝固速度和攪拌轉速的數學模型.結果表明:攪拌轉速和凝固速度對凝固組織的形貌有較大影響,增大攪拌轉速和降低凝固速度有利于提高形狀因子.通過與實驗結果比較,數學模型與實驗結果基本一致.

熱處理對超高強鋁合金沉積坯微觀組織的影響

李振亮, 黃海友, 謝建新, 任慧平, 陳偉, 辛海鷹

2010, 32(6): 764-769. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.012

[摘要](131)

[PDF 859KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以噴射沉積技術制備的Al-12Zn-2.4Mg-1.1Cu-0.20Zr-0.30Sc-0.30Ni合金沉積坯為研究對象,采用DSC、XRD、SEM和TEM等分析手段對沉積坯在不同溫度下熱處理后的微觀組織演變進行了研究.結果表明:室溫沉積坯基體中有大量η相粒子;在不同熱處理制度下溶質元素會發生回溶或脫溶,從而影響合金組織與性能;在460℃/8h熱處理時,依附于富Cu初始η相粒子形成了亞穩態T((Al,Zn)₄₉Mg₃₂)相,該相在490℃/8h熱處理后消失;490℃/8h熱處理時Al₃(Sc,Zr)粒子從沉積坯二次析出,其"釘扎效應"與Cu回溶造成的"晶格畸變"是490℃/8h時沉積坯硬度達到最高值(192HV)的重要影響因素.

AZ91D鎂合金流變壓鑄成形組織特征

楊柳青, 康永林, 張帆, 丁瑞華, 李炯

2010, 32(6): 770-776. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.013

[摘要](145)

[PDF 1360KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
以AZ91D鎂合金建筑刮板為例,將自行開發的錐桶式流變成形機(TBR)與TOYOBD-900V4-T冷室壓鑄機相結合實現了流變壓鑄成形工藝過程.研究了不同流變成形工藝下壓鑄件的組織特征,分析了成形過程中漿料的組織形成機理及凝固行為.結果表明:該流變成形工藝可以獲得內部組織細小、初生α-Mg晶粒呈近球形或球形且分布均勻的成形件.當內錐桶轉速為700r·min^-1時,壓鑄件內部組織較圓整、均勻,平均晶粒尺寸約45μm,形狀因子約0.81.流變壓鑄過程中合金熔體的凝固主要經歷了一次凝固和二次凝固兩個階段.

等離子熔覆Fe-Ni基合金導輥組織結構及失效分析

張麗民, 劉均波, 孫冬柏, 王書明

2010, 32(6): 777-781. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.014

[摘要](91)

[PDF 938KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用等離子熔覆技術將Fe-Ni基高溫耐磨合金粉末熔覆到45^#圓鋼上,制備了Fe-Ni基合金導輥.采用掃描電子顯微鏡、能譜儀、X射線衍射儀研究了Fe-Ni基合金涂層的組織結構和Fe-Ni基合金導輥的表面失效情況.結果表明:Fe-Ni基高溫耐磨涂層組織形態良好,由涂層與基體的結合界面處到涂層的上部其組織由平面晶向樹枝晶轉變;γ-(Fe,Ni)的含量在涂層中按底部—中部—上部的方向依次降低,而(Cr,Fe)₇C₃的分布正好相反;Fe-Ni基合金導輥的失效機制為熱疲勞開裂和磨粒磨損.

氫致PZT-5H鐵電陶瓷導電性變化

武明, 黃海友, 褚武揚, 喬利杰

2010, 32(6): 782-786. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.021

[摘要](163)

[PDF 486KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過實驗和第一性原理計算的方法研究了氫致PZT-5H鐵電陶瓷導電性變化的規律和機理.隨著充H含量的增加,PZT-5H陶瓷的電阻率逐漸降低,當陶瓷中總H的質量分數為11.2×10^-6時電阻率降至1.51×10⁹Ω.cm,介于半導體和絕緣體之間.隨著H含量進一步升高,霍爾效應表明PZT-5H陶瓷變成n型半導體.第一性原理計算表明,當進入Pb(Zr_0.5-Ti_0.5)O₃晶格的H質量分數等于臨界值(96×10^-6)時,[Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃]₃₂H系統變成了半導體;隨著H含量的升高,態密度圖向低能方向平移,[Pb(Zr_0.5Ti_0.5)O₃]_nH系統變成了導體.

溫度和濕度對Nafion膜氫傳感器性能的影響

杜晉峰, 白洋, 褚武揚, 喬利杰

2010, 32(6): 787-791. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.022

[摘要](127)

[PDF 564KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
系統研究了以Nafion112膜為電解質的氫傳感器在不同工作環境下的氫敏感性能.結果表明,以Nafion112膜為電解質的氫傳感器對氫具有很好的敏感性,可以實現微量氫氣泄漏的快速檢測.該傳感器在氫氣體積分數為(500～3000)×10^-6時的響應電壓與氫氣體積分數的對數呈線性關系,為標定不同環境下氫氣含量與傳感器響應電壓的對應關系提供了依據.在相同濕度條件下,傳感器響應電壓隨溫度的升高而下降.濕度對傳感器響應電壓的影響與溫度相關:溫度較低時,響應電壓隨濕度的增加而下降;溫度較高時,響應電壓隨濕度的增加而升高.

固-流結構矩形摻雜聲子晶體中彈性波的缺陷模

劉啟能

2010, 32(6): 792-796. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.015

[摘要](129)

[PDF 488KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用一維固-流結構矩形摻雜聲子晶體中彈性波橫向受限的條件,推導出彈性波在其中各個模式滿足的關系式.利用它分析了彈性波各模式的特性,并使用轉移矩陣法研究了彈性波的缺陷模隨模式量子數和矩形邊長的變化規律,得出了一些不同于一維非受限聲子晶體的缺陷模的新特征.一維摻雜矩形聲子晶體的缺陷模由模式量子數確定,缺陷模的頻率和半高寬與模式量子數和矩形邊長有關.

設備與能源

楔橫軋凸輪軸金屬流動規律的有限元分析

胡福生, 王寶雨, 胡正寰

2010, 32(6): 797-801. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.016

[摘要](115)

[PDF 526KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
通過有限元仿真楔橫軋凸輪軸時在軋件上取跟蹤點,跟蹤這些點的位置變化情況來揭示軋件內金屬的詳細流動規律.因凸輪體小圓端部分在軋制過程中所受模具擠壓較小,其金屬軸向流動和徑向流動較其他變形區小,這種金屬流動的不均勻性會影響軋件成形質量;軋制過程中因凸輪體小圓端與模具上凸輪凹槽產生嚙合作用,這一作用降低了模具對凸輪體小圓端部分的周向扭轉力,因此凸輪體小圓端部分的周向扭轉相對較小.軋件凸輪體部分為非圓截面,此部分各向金屬流動不均勻,造成凸輪體部分心部金屬偏移量比其他部分大.

控制與決策

熱軋帶鋼軋制力模型自學習算法優化

宋勇, 蘇嵐, 荊豐偉, 劉文仲

2010, 32(6): 802-806. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.017

[摘要](141)

[PDF 282KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
根據軋制數量、測量數據質量和軋制力預報誤差的影響,建立了軋制力自學習速度因子優化模型.在長期自學習的判定條件中綜合考慮了規格分檔的變化以及厚度、寬度的改變量,減少了換規格的次數.長期自學習系數計算時利用了從前一塊鋼數據中分離出的設備狀態信息,從而改善了模型自學習的連續性.離線仿真分析結果表明,軋制力計算精度相對于自學習算法優化前有較大的提高.

具有未知扇區非線性輸入混沌系統的自適應滑模投影同步

王健安, 劉賀平

2010, 32(6): 807-811. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.023

[摘要](130)

[PDF 283KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
研究了一類具有未知扇區非線性輸入且含有未知不確定性和外部干擾的主從混沌系統的投影同步問題.首先選擇了一個合適的滑模面,然后基于Lyapunov穩定性理論設計滑模控制器和自適應更新規則.所設計的控制器不受未知不確定性和外部干擾的影響,具有很強的魯棒性.通過對不確定主從Duffing-Holmes系統的仿真研究,驗證了所設計控制器的有效性.

基于正逆序策略求解Job Shop的遺傳調度算法

王偉玲, 李鐵克, 蘇志雄

2010, 32(6): 812-818. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.06.024

[摘要](103)

[PDF 399KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
針對標準遺傳算法在求解車間作業調度問題中易陷入局部極值點的缺點,提出了一種基于領域知識的動態雙種群遺傳算法.由于最優調度必定是活動調度,算法利用活動調度技術來進行空間縮減;兩個子種群分別采用正、逆序調度策略來提高種群的多樣性.算法采用一種新的染色體編碼來表示活動調度方案,并給出了相應子種群的初始化策略、遺傳操作,以及子種群之間的交叉方式.Benchmark算例的仿真實驗與分析表明,該算法在計算時間和求解質量上均具有較好的效果.