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

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2010年第32卷第7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

深埋隧道白云巖試樣巖爆模擬實驗研究

高永濤, 周興國, 吳順川, 韓曉強, 王艷輝

2010, 32(7): 819-826,832. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.022

[摘要](170)

[PDF 1156KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
基于深埋隧道開挖工程的高應力條件及構造應力發育特征,利用深部巖爆實驗系統,模擬了兩種構造應力條件下白云巖的巖爆過程:三向應力作用下板狀試件瞬間卸載一個方向應力,保持其他兩向應力不變或保持其中一向應力,增加另一向應力.實驗獲得了應力-時間、應力-應變、聲發射特征及巖爆破壞規律.研究表明:本工程區內構造應力引發白云巖巖爆的可能性較大,巖爆臨界深度為290m.豎向構造應力引發的巖爆表現為局部片狀崩落,從卸載后發生時間看屬于滯后巖爆;水平構造應力引發的巖爆強度更高,表現為塊狀彈射后整體破碎,屬于瞬時巖爆.聲發射峰值均出現在巖石裂隙發育段,而密集度最高值對應巖石破裂段.聲發射峰值處的最大主應力約為巖石破裂時最大主應力的77.4%.

石門揭煤過程中煤與瓦斯延期突出模擬實驗

尹光志, 李曉泉, 蔣長寶, 李高帥, 蔡波

2010, 32(7): 827-832. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.001

[摘要](219)

[PDF 580KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
利用自行研發的"大型煤與瓦斯突出模擬實驗臺",用粉和石膏混合材料模擬硬煤巖封閉突出口,進行在恒定垂直應力和水平應力情況下的石門揭煤過程中煤與瓦斯延期突出模擬實驗.結果表明:在恒定垂直應力作用下發生延期突出時臨界瓦斯壓力與水平應力呈乘冪關系,瓦斯壓力與水平應力呈反方向變化;在恒定水平壓力作用下發生延期突出時臨界瓦斯壓力與垂直應力呈二次多項式關系,瓦斯壓力與垂直應力呈反方向變化;突出強度反映發生延期突出時破壞程度,與發生延期突出時臨界瓦斯壓力正相關,與地應力負相關.

新型加固煤體防突注漿材料

黃志安, 李毅飛, 張英華, 高玉坤, 陳升國

2010, 32(7): 833-837,871. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.002

[摘要](212)

[PDF 350KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
針對突出煤層碎煤多、煤層軟的特點,提出通過壓注固化液的方式加固煤體、封堵瓦斯解析通道以減少或消除突出.以水泥和聚合物乳液復配成復合漿液,突破了已有煤體注漿材料的局限.通過實驗室實驗,對復合漿液的材料配比和固結體的力學強度、干縮性、密實性、保水性和黏度進行測試.選擇實驗效果最佳的配比進行煤粒加固,經測試,凝聚的煤粒具有良好的強度、加固效果明顯.這種復合漿液用于煤體加固,具有黏結性能好、加固能力強、材料成本低和無污染等特點.

赤泥-礦渣-水泥基全尾砂膠結充填料的性能與微觀結構

祝麗萍, 倪文, 張旭芳, 黃曉燕

2010, 32(7): 838-842. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.003

[摘要](222)

[PDF 779KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了克服膠結充填成本高,解決尾礦、赤泥大量堆存而危害環境的問題,實驗制備出以赤泥為主要膠凝組分的全尾砂膠結充填材料.該充填料試塊在強度上優于用水泥制備的全尾砂膠結充填料試塊,抗壓強度達到R28=7MPa,滿足礦山充填要求.所配制的充填料有良好的流動性、保水性好、不泌水且成本大大低于水泥膠結充填材料.利用X射線衍射(XRD)和掃描電鏡(SEM)對該充填材料的水化產物和微觀結構進行了研究.結果表明,原料中的礦物相經水化反應后生成了大量的鈣礬石和結晶程度低的復雜凝膠,它們交織在一起使體系結構致密,具有較好的力學性能.

冶金與材料

連鑄結晶器物理模擬中吹氣量的相似轉換

徐海倫, 文光華, 唐萍

2010, 32(7): 843-848. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.004

[摘要](261)

[PDF 777KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
依據相似原理,考慮了氣液流動之間的相互影響和實際吹氬時的高溫膨脹,采用修正弗勞德準數對現場吹氬量和實驗吹氣量之間進行相似轉換,并推導出四種常用的模擬氣體與現場吹氬量之間的換算關系.以斷面為210mm×900mm的結晶器為原型,采用0.6∶1的縮小水模型對現場實際工況條件進行模擬.結果表明,模擬與現場情況能夠較好的吻合.當模型水流量為3.80m³·h^-1、吹氣量為0.93L·min^-1時,氣泡在結晶器內分散均勻,氣泡逸出不會造成過大液面波動;當水流不變、吹氣量增加到2.79L·min^-1時,氣泡聚集在水口周圍上浮,水口周圍波動劇烈,渣層出現裸露.模擬現象與現場澆注現象的相似性驗證了吹氣量相似轉換的正確性.

中間包下擋墻溢流卷渣行為

劉金剛, 郝寧, 姜中行, 麻慶申

2010, 32(7): 849-854. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.005

[摘要](275)

[PDF 2301KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過采用數值模擬、水模型實驗和工業試驗相結合的方法研究了中間包內鋼水液面在下擋墻時的卷渣行為.數值模擬結果發現:當鋼液面接近下擋墻時,上下擋墻間鋼液面容易暴露,造成鋼水氧化,在下擋墻出口區一側容易造成鋼渣乳化和卷渣,在出口區下擋墻與中間包壁形成的角部區域卷渣趨勢更大;溢過下擋墻的流體對下擋墻沖蝕較嚴重,在實際生產中將縮短中間包壽命;當中間包液面降低到下擋墻附近時在下擋墻處形成的卷渣很難在中間包內上浮去除,容易進入結晶器.水模型實驗和工業試驗同時驗證了這一結果.

超聲與吹氬處理對鋼液中夾雜物去除效果的對比研究

申永剛, 陳偉慶, 馬新建

2010, 32(7): 855-859. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.019

[摘要](113)

[PDF 384KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
為提高鋼的潔凈度,減少鋼中夾雜物含量,采用超聲波工具頭直接插入高溫鋼液進行處理的方法,對比研究了超聲波處理和吹氬處理去除鋼液中夾雜物的效果.結果表明:超聲波單獨處理可以減少鋼液中Al₂O₃夾雜物,但去除率較低,約為4%～12%;隨著超聲處理時間的增加和超聲波功率的減小,夾雜物去除率提高.吹氬單獨處理時,鋼液中夾雜物去除率較高,為29%～41%;隨氬氣流量的增加,夾雜物去除率呈升高的趨勢.

超低氧車輪鋼精煉過程非金屬夾雜物的轉變

楊俊, 王新華, 王萬軍, 龔志翔, 汪國才, 唐宇

2010, 32(7): 860-865,882. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.006

[摘要](239)

[PDF 1448KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
研究了采用LD-LF-VD-CC工藝流程生產超低氧高速車輪鋼時,精煉過程中夾雜物的生成與變化.實驗在出鋼時加入足夠的Al進行終脫氧,LF精煉過程采用強脫氧、高堿度和強還原性精煉渣工藝,能使最終鑄坯w(T.O)達到7×10^-6,獲得高潔凈度的鑄坯;而且在LF精煉過程中,夾雜物完成了Al₂O₃→MgO·Al₂O₃→CaO-MgO-Al₂O₃類復合夾雜物的轉變,得到在煉鋼溫度下呈液態的復合氧化物夾雜,這些液態夾雜物通過碰撞、長大和上浮去除,殘留于鋼中的氧化物夾雜以較低熔點的CaO-MgO-Al₂O₃類復合夾雜形態存在,它們在熱加工過程中可以發生稍許變形,能有效改善車輪鋼的疲勞性能.

簾線鋼中Ti夾雜物研究

劉宏玉, 鄭建強, 李玉華, 林國強, 薛正良, 王洪利

2010, 32(7): 866-871. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.020

[摘要](133)

[PDF 284KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為完善Ti夾雜去除工藝以控制其生成和尺寸,采用激光剝蝕電感耦合等離子體質譜儀測定了80級簾線鋼冶煉過程鋼水樣中Ti含量,發現平均Ti含量在電爐出鋼→精煉→連鑄工序呈先上升后下降趨勢.TiN生成熱力學、凝固偏析及長大動力學計算表明:在目前南鋼80級簾線鋼煉鋼和連鑄控制條件下,TiN只能在凝固率大于98%的兩相區或固相區生成;凝固冷卻速率越大,TiN析出尺寸越小;TiN析出尺寸為3～7μm,與實際金相樣觀察到的尺寸基本一致.

不同脫氧程度錳鋼耐點蝕性能比較

曹國良, 李國明, 陳珊, 常萬順, 陳學群

2010, 32(7): 872-876. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.007

[摘要](197)

[PDF 1077KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
選擇四種不同脫氧程度的錳鋼,在pH10的3%(質量分數)NaCl溶液中進行動電位極化實驗,比較鋼的點蝕誘發敏感性;在3%(質量分數)海鹽水中進行室內間浸掛片實驗,評價鋼的點蝕擴展速度;利用掃描電鏡(SEM)和電子探針(EPMA)分析了鋼中夾雜物組成和腐蝕形貌.結果表明,隨著脫氧程度的加強,鋼中的硫化物夾雜由短棒狀變為長條狀.脫氧程度越差,鋼基體熱力學穩定性越強,鋼的點蝕誘發敏感性也越弱.室內間浸掛片實驗結果表明,脫氧程度較強的錳鋼表現出更強的點蝕擴展能力.

650℃長期時效過程中Super304H耐熱不銹鋼組織的演變

于鴻垚, 遲成宇, 董建新, 謝錫善, 崔正強, 陳孝方

2010, 32(7): 877-882. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.021

[摘要](142)

[PDF 1644KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
對600℃超超臨界電站鍋爐過熱器/再熱器用Super304H耐熱不銹鋼的長期組織穩定性進行了研究.將Super304H管材經650℃、104h長期時效后,用掃描電鏡、透射電鏡和原子層析技術綜合分析了Super304H中析出相的行為,包括相析出初期的原子聚集,析出相的本質、成分、形態以及尺寸大小和分布.結果表明,Super304H中主要析出相為富Cu相、MX和M₂₃C₆.隨時效時間的延長,M₂₃C₆顆粒很快粗化,特別是在晶界處逐漸由顆粒狀長大成連續狀,而減弱了應有的強化效應;晶內彌散析出,尺寸為150nm左右的MX相數量明顯增多,特別是尺寸細小(3～35nm)的富銅相,均勻彌散分布.說明Su-per304H中起主要強化作用的是富銅相,其次是MX相和一部分M₂₃C₆碳化物.

冰凍/解凍對低合金耐候鋼大氣腐蝕的影響

張文華, 楊善武, 郭佳, 劉志勇, 賀信萊

2010, 32(7): 883-889. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.008

[摘要](197)

[PDF 2068KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
采用室內、室內+冰凍和戶外三種不同環境的曝曬實驗,研究了冰凍/解凍循環對兩種耐候鋼初期大氣腐蝕行為的影響.利用失重實驗和電化學方法評價了實驗鋼的耐腐蝕性能,用掃描電鏡觀察了銹層形貌,用能譜分析儀分析了合金元素在銹層中的分布.結果表明:低溫、低濕環境促進致密銹層的形成,而溫度、濕度較高的環境中形成的銹層致密度較低;冰凍/解凍循環導致非致密銹層內產生裂紋,其原因是疏松銹層中的孔洞中含有大量液態水,在液固相變時產生較大的應力,致使銹層開裂.致密銹層不含液態水,基本不受其影響.

連鑄大方坯輕壓下過程的變形行為

羅森, 朱苗勇, 祭程, 楊躍標, 楊吉林

2010, 32(7): 890-894. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.009

[摘要](269)

[PDF 862KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
首先從理論上描述了輕壓下過程鑄坯的三維變形行為,并采用有限元法定量分析了輕壓下工藝對鑄坯變形行為的影響規律.結果表明:鑄坯寬展變形和延展變形達到平衡后,隨著壓下量增加,鑄坯延展率隨壓下量呈直線關系變化.在相同輕壓下條件下,隨鑄坯長寬比和中心未凝固率的增加,鑄坯寬展效率和延展效率下降,壓下效率增加.

螺旋高翅片管孔型斜軋幾何學分析

張琳, 韓靜濤, 劉靖, 郝鳳濤

2010, 32(7): 895-899. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.010

[摘要](111)

[PDF 349KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
介紹了螺旋翅片管的結構特點,用空間解析幾何的方法分析了螺旋翅片管結構的本質特征,用螺旋面和螺旋線的基本性質解析了螺旋翅片管的幾何性質.給出了翅片表面任意點的切線和次法線向量表達公式.為了研究軋輥與軋件的空間幾何關系,推導了軋輥與軋件的坐標變換公式,以此為基礎給出了軋片與軋件的切點坐標公式以及軋片半徑的求解公式.

非接觸式熔融還原法連續制備鐵鎳合金

孫長余, 郭興敏

2010, 32(7): 900-904. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.011

[摘要](145)

[PDF 530KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
以金川渣中含有的鎳、鐵有價金屬元素為研究對象,利用非接觸式熔融還原法,采用連續分段加料的方式,探討了熔渣中鐵鎳氧化物的還原規律和氧離子滲透膜的傳導特征.實驗結果表明:利用液態銀作為引導陰極,可以得到無碳鐵鎳合金;采用連續式分段加料,可以提高鐵鎳氧化物的還原速率;增加鐵鎳氧化物中NiO比例,有助于增加還原前期的還原速率,減少還原后期的還原時間.另外,升高還原溫度,可以提高鐵鎳氧化物的還原速率;但是,隨著溫度升高,通過外電路的電量減少.

鐵精粉氧化過程的動力學研究

司新國, 魯雄剛, 李傳維, 郭曙強, 丁偉中

2010, 32(7): 905-909. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.012

[摘要](109)

[PDF 765KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
通過恒溫和均勻升溫實驗,采用大載荷熱重分析儀研究了鐵精粉氧化過程動力學.結果表明:均勻升溫過程中,鐵精粉氧化的主要控制環節變化是外擴散型→內擴散型→外擴散型,氧化結束后,部分Fe₂O₃發生分解反應生成Fe₃O₄和O₂,使得TG曲線質量變化率減小;等溫實驗也證明了氧化主體部分的控制環節是內擴散,其表觀活化能為26.193kJ·mol^-1;鐵精粉氧化過程促進了鈦元素富集,改變了產物的微觀結構.

長支鏈聚丙烯/有機蒙脫土納米復合材料的結構及性能

蘇峰華, 黃漢雄

2010, 32(7): 910-914. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.013

[摘要](135)

[PDF 366KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
采用熔融共混法用雙螺桿擠出機制備了長支鏈聚丙烯(LCB-PP)/有機蒙脫土(OMMT)納米復合材料,并對其結構、流變和力學性能進行了研究.透射電鏡(TEM)測試結果表明,大部分OMMT在LCB-PP中發生剝離.流變行為研究發現,當OMMT的填充量達到一定臨界值后,制備的納米復合材料呈現出在低頻處儲能模量增加、剪切變稀行為明顯等線性黏彈性行為,表明LCB-PP/OMMT內部形成了緊密和穩定的網絡結構,從而抑制了大分子鏈的松弛和運動.力學測試結果表明,OM-MT顯著提高了LCB-PP的拉伸強度、缺口沖擊強度和彎曲模量,但降低了其彎曲強度.

設備與能源

高爐熱風爐用高發射率涂料的節能效果及機理分析

白皓, 王苗, 蒼大強, 周惠敏

2010, 32(7): 915-921. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.014

[摘要](160)

[PDF 427KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為研究高發射率涂料在高爐熱風爐蓄熱室內的應用效果,應用數學模擬和工業試驗對比的研究方法對節能效果進行了分析.結果表明:模擬結果接近工業應用數據,可以定量地說明涂料對熱風爐傳熱過程的積極作用;應用高發射率涂料后,可使高爐熱風爐熱風溫度升高25℃,煙氣溫度降低13℃.結合數學模擬和工業熱診斷結果,對涂料在熱風爐內使用的節能機理進行了分析.認為在格子磚表面涂覆高發射率涂料,在燃燒期會使蓄熱體內煙氣與格子磚輻射換熱加強,格子磚表面溫度增加,且使蓄熱體蓄熱量增加.模擬結果表明:煙氣中CO₂成分對提高輻射傳熱起重要作用;CO₂體積分數平均每提高5%,則熱風溫度提高6～8℃.

熱軋HVC工作輥熱變形

王連生, 楊荃, 何安瑞, 楊春彥

2010, 32(7): 922-926. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.015

[摘要](147)

[PDF 679KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
以HVC工作輥為研究對象,采用二維交替方向差分法建立了工作輥溫度場模型,可對任意時刻工作輥溫度場分布和熱輥形進行仿真,計算時間能夠滿足在線應用且具有絕對穩定性.通過現場實測數據與模型計算值比較,吻合較好,驗證了模型的準確性.

新型輸液90°彎頭結構流固耦合特性

王艷林, 吳蘭鷹, 王自東

2010, 32(7): 927-932. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.016

[摘要](113)

[PDF 1370KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
采用雙向耦合法研究了一種新型流體脈動衰減彎頭,討論了結構參數對其流固耦合特性的影響.結果表明:原始彎頭內總壓差為29.50627kPa,內部流場極不均勻,其最大變形量為20.689μm,最大應力為180.08kPa,變形方式是兩側拉長、中間向里凹陷,呈雙橢圓形,對其具有"拉直"效應;當導流器按黃金比例排列,片數為2,橫截面彎曲半徑為200mm,出口延長度為40mm設計時,優化結構內總壓差為10.70787kPa,比原始彎頭減小了63.71%,但該結構最大變形為330.39μm,最大應力為1569.10kPa;最終方案增加導流器片數至3片,導流器厚度為3mm,優化后結構內總壓差為12.46956kPa,比原始彎頭減小了57.74%,其最大變形為20.898μm,最大應力為259.80kPa,且內部流場均勻.

控制與決策

魚雷罐的運行控制

黃幫福, 賀東風, 田乃媛, 徐安軍

2010, 32(7): 933-937. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.017

[摘要](135)

[PDF 181KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高鐵/鋼界面物流調控水平,以A鋼廠鐵/鋼界面魚雷罐為研究對象,運用冶金流程工程學理論,對魚雷罐運行事件、時間參數進行解析,提出魚雷罐周轉個數計算方法,給出魚雷罐運行控制水平的兩個評價指標,并對魚雷罐運行進行優化,形成魚雷罐運行控制技術.該技術應用后效果明顯:可將兩座高爐的魚雷罐周轉個數由22減至18,使魚雷罐周轉率比原來提高0.5次,連續化程度系數分別提高0.09(1號高爐)和0.08(2號高爐).

基于CPN煉鋼連鑄制造流程的建模與最優調度求解

汪紅兵, 徐安軍, 姚琳, 田乃媛

2010, 32(7): 938-945. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.018

[摘要](116)

[PDF 910KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
應用著色Petri網對復雜的多階段、多產品生產過程的煉鋼連鑄制造流程進行建模.該模型具有直觀的圖形表示、方便分析模型性質和仿真模型性能等優點.重點討論了建模的兩個關鍵問題:通過不同的運輸變遷設置不同的看守函數實現路徑選擇;通過編制單體工序變遷的輸入輸出函數實現不同產品的不同處理時間.采用發生圖驗證了模型的有界性約束,并基于發生圖提出一個求解最小makespan的最優調度方法.實例應用表明了該方法的有效性.

基于半監督流形學習的無線傳感器網絡定位方法及其應用

楊斌, 徐金梧, 陽建宏, 黎敏

2010, 32(7): 946-951. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.023

[摘要](121)

[PDF 510KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種基于流形半監督學習的移動節點定位算法.該算法利用基于流形學習的半監督方法,通過一定量的有標簽樣本和無標簽樣本,獲取隱含在節點接收信號強度信息中的流形結構,直接建立節點物理位置與接收信號強度之間的映射關系.算法不需要使用現有的理論或經驗信號傳播模型,避免了模型不準確帶來的定位誤差,而且允許網絡中存在大量無標簽樣本,降低了數據采集難度,提高了算法實用性.冶金工業現場的實際應用結果表明,相對RADAR算法,本文算法具有較高的定位精度.

基于分段分析方法的時滯不確定離散系統的時滯相關穩定性

張蕾, 劉賀平, 廖福成

2010, 32(7): 952-956. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2010.07.024

[摘要](112)

[PDF 152KB](2) [施引文獻] ()

摘要:
研究了一類時變時滯不確定離散系統的時滯相關穩定性問題.不確定項具有線性分式形式.基于分段分析方法,將時滯區間分成若干子區間.通過構造新的Lyapunov泛函,得到保守性較小的時滯相關穩定性條件,所得結果完全由線性矩陣不等式形式給出.數值算例表明了該方法的有效性.