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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2013年第35卷第11期

欄目

資源與環境
冶金與材料
設備與能源
控制與決策

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資源與環境

平煤十礦地應力測量及其應用

蔡美峰, 郭奇峰, 李遠, 杜振斐, 劉金輝

2013, 35(11): 1399-1406. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.003

[摘要](274)

[PDF 735KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
平煤十礦采用三維套孔應力解除地應力測量技術和具有溫度補償功能的空心包體應變計,完成了礦區6個水平、11個測點的現場地應力實測,最大測點深度達到1123 m.這是我國煤礦首次采用應力解除法進行系統的礦區地應力測量并且測量深度超1100 m.通過測量獲得了礦區11個測點的三維地應力狀態,揭示了礦區地應力場的分布規律,建立了礦區地應力場模型.針對平煤十礦是我國典型的高瓦斯礦井、深部采礦存在引發煤(巖)爆和瓦斯爆炸的高危險性,本文提出:根據實測地應力數據,采用數值模擬技術,定量計算開挖擾動引起的開采煤層和圍巖中能量聚集狀況及其隨采礦過程的變化規律,借助地震學的知識,根據能量聚集狀態對未來開采可能引發煤(巖)爆的時間、地點和震級進行預測.

基于黏滑失穩與突變理論的煤與瓦斯突出預警模型

郭德勇, 李佳乃, 王彥凱

2013, 35(11): 1407-1412. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.004

[摘要](247)

[PDF 546KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
在礦井瓦斯地質研究基礎上,根據煤與瓦斯突出黏滑機理和突變理論,建立了煤與瓦斯突出黏滑失穩-突變理論預警模型.以瓦斯因素和地質因素為煤與瓦斯突出預警的控制變量,將其歸類分化為相應的預警指標,提出了突出危險等級劃分指標的界限,利用模糊數學推導出突變模糊隸屬度函數,選擇對應突變模型計算出突出警情的突變級數.以潞安環能股份有限公司余吾煤業為例對煤與瓦斯突出黏滑失穩-突變預警模型的可行性進行了驗證.

硫酸鋁/聚丙烯酰胺聯合調質對銅坑礦礦井泥漿脫水性能的影響

黃國忠, 李登琨, 羅先偉, 楊偉忠, 王俊峰, 苗學敏, 包麗潔

2013, 35(11): 1413-1418. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.019

[摘要](106)

[PDF 8100KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過對泥漿毛細吸水時間(CST)的測定,分析了硫酸鋁/聚丙烯酰胺(PAM)聯合調質對泥漿脫水性能的影響,同時考察了加藥時間間隔、攪拌時間、攪拌強度、總藥劑投加量以及藥劑配比對泥漿脫水效果的影響.當PAM進行單獨投加時,PAM投加量為3 mg·g^-1時,泥漿的CST值最小,為17.4 s.當混凝劑硫酸鋁和PAM進行聯合投加時,硫酸鋁投加量為1.5 mg·g^-1,PAM投加量為3 mg·g^-1時,泥漿的CST值降低到16.9 s.實驗確定適宜的加藥時間間隔為45 s,攪拌時間為120 s,攪拌強度為40 r·min^-1.通過正交試驗得到總藥劑投加量和藥劑配比對泥漿脫水效果影響的順序為總藥劑投加量>藥劑配比,且總藥劑的最佳投加量為4 mg·g^-1,藥劑質量比PAM:Al₂(SO₄)₃為1︰3.

絮凝劑用量對尾礦濃密的影響機理

王勇, 吳愛祥, 王洪江, 劉斯忠, 周勃

2013, 35(11): 1419-1423. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.005

[摘要](249)

[PDF 703KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
以某銅尾礦為實驗對象,每噸尾礦中分別添加陰離子聚丙烯酰胺0、10、25、40和55 g,進行濃密實驗.在前期(1 h)尾礦濃密分數隨著絮凝劑用量增加逐漸遞增,由63.98%增加至68.20%;而后期(12 h)濃密分數則隨絮凝劑用量的增加略有下降.結合實驗結果,將每噸尾礦中絮凝劑添加量由少至多劃分為低含量(0~10 g)、合適含量(10~25 g)、高含量(25~40 g)和超高含量(40~55 g)四個區間,提出了不同區間絮凝劑對尾礦濃密的影響機理,分別體現為部分吸附、吸附架橋、保護和包裹作用.

微細鐵顆粒的單體解離特性和選擇性回收工藝

胡文韜, 王化軍, 劉欣偉, 王波

2013, 35(11): 1424-1430. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.006

[摘要](284)

[PDF 5331KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
研究了直接還原熟料中微細鐵顆粒的賦存形式和選擇性回收工藝.發現尾渣中鐵的賦存形態主要為微細粒的單質鐵;直接還原熟料中小于5μm的細連生體和鐵顆粒很難通過磁選回收,但大于10μm的粗鐵顆粒可以回收.為了兼顧粉末鐵的品位與回收率,需要對不同賦存狀態的鐵顆粒進行選擇性回收.提高粗連生體的單體解離度,有針對性地回收其中的鐵顆粒,是提高粉末鐵回收指標的關鍵.提高磁選場強可提高粉末鐵回收率,但降低粉末鐵品質.利用正交試驗對工藝參數進行了優化,在優化條件下粉末鐵中TFe質量分數和鐵回收率分別為92.91%和92.03%.

冶金與材料

脫灰生物質焦的催化氣化反應及動力學

張建良, 李凈, 胡正文, 付亞清, 左海濱

2013, 35(11): 1431-1436. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.016

[摘要](132)

[PDF 11100KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用掃描電鏡-能譜儀及熱重分析儀研究了添加鉀鹽催化劑的脫灰生物質焦的物理結構、化學成分及其與CO₂的氣化反應,并分別采用均相模型和收縮未反應核模型對實驗數據進行處理,得到動力學參數.研究發現鉀鹽對脫灰生物質焦-CO₂氣化反應有明顯催化作用,可提高整體反應速率,并減少反應時間.隨著鉀鹽的增加(質量分數在0%~4%的范圍內),附著在生物質焦表面的富鉀催化點增多,催化作用逐漸增大,反應的活化能逐漸降低.由于(脫灰)生物質焦的灰分含量很低,與未反應核模型相比,均相模型更適合于描述生物質焦-CO₂的氣化反應過程.

鋼液中球狀夾雜物顆粒受力情況的數值模擬

王耀, 李宏, 郭洛方

2013, 35(11): 1437-1442. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.017

[摘要](143)

[PDF 1102KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
通過理論分析和數值模擬的方法,研究了1873 K鋼液中球狀夾雜物顆粒運動過程中的受力情況.靜止鋼液和湍流場中,夾雜物顆粒所受的壓力梯度力、虛擬質量力、Saffman力及Magnus力較小,可以忽略不計.靜止鋼液和均勻湍流場中,隨著夾雜物顆粒尺寸的變大,顆粒所受Brown力逐漸衰減,當夾雜物顆粒直徑大于20μm時顆粒所受Brown力基本不會對其運動造成影響,可以忽略不計.小于10μm的夾雜物顆粒布朗運動較為劇烈,單位質量夾雜物顆粒所受Basset力和Brown力較大,成為主導夾雜物顆粒運動的主要作用力;尺寸較大的夾雜物顆粒(直徑D>50μm),Basset力、質量力和Stokes力共同作用影響夾雜物顆粒的運動、碰撞和去除.

Al脫氧鋼中氧化物對MnS析出的影響

雷少龍, 姜敏, 楊疊, 王新華, 王萬軍

2013, 35(11): 1443-1449. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.018

[摘要](136)

[PDF 5424KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
使用10 kg真空感應爐Al脫氧冶煉較高S含量超低氧高強度鋼,鋼中T[O]降到0.0010%,S的質量分數為0.0190%.采用ASPEX explorer全自動掃描電鏡對鋼中非金屬夾雜物進行檢測,發現98%非金屬夾雜物都是彌散分布的MnS和MnS+Al₂O₃復合夾雜物.MnS夾雜物棱角分明,從形貌特征來看應屬于第Ⅲ類硫化物.MnS+Al₂O₃復合夾雜物以Al₂O₃為核心,外層包裹MnS,其數量約占9%~32%;作為核心的Al₂O₃平均直徑為1.5μm.其生成過程可描述為:凝固過程中,小尺寸Al₂O₃被推至固液兩相區,而選分結晶作用使得鋼中的Mn和S在凝固前沿富集,并以Al₂O₃作為異質形核質點析出MnS夾雜物.對凝固過程中Al₂O₃的推動和捕獲行為進行了相關計算.計算結果表明:直徑小于4μm的Al₂O₃可被推動,并作為MnS的異質形核質點.

耦合損傷的22MnB5熱變形本構模型

周靖, 王寶雨, 徐偉力, 黃鳴東, 易生虎, 校文超

2013, 35(11): 1450-1457. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.007

[摘要](251)

[PDF 1358KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
利用Gleeble 3500熱力模擬試驗機對22MnB5板材進行高溫拉伸試驗,研究了該材料在變形溫度為700、800和900℃以及應變速率為0.01、0.1、1和10 s^-1下的高溫變形行為.在同一溫度下,22MnB5的斷裂應變隨應變速率增加而呈現增加趨勢,溫度升高加劇這種趨勢.建立了耦合損傷基于位錯密度的統一黏塑性本構模型,該模型考慮了高溫變形中損傷的演化規律,能夠描述了應力-應變曲線后期的陡降段.利用遺傳算法確定并優化該本構模型中的材料常數,所得材料常數確定的本構模型能夠較好地預測22MnB5高溫拉伸變形下的流變應力,并能較好地描述材料損傷演化規律.

多層線性模型在碳鋼土壤腐蝕規律中的應用研究

魯慶, 穆志純

2013, 35(11): 1458-1464. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.008

[摘要](243)

[PDF 520KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
針對材料在自然土壤環境中的腐蝕預測問題,提出應用多層線性模型對材料的腐蝕規律進行研究.多層線性模型是分析具有層次結構數據的新型統計技術,對于地區間土壤腐蝕規律的差異性特點和單地區實驗觀測樣本不足的問題,可以為不同的區域分別建立腐蝕率模型,使模型假設與實際更為吻合.以碳鋼在土壤中的腐蝕數據為研究對象,建立了腐蝕率的多層線性模型.實驗驗證了該模型可以準確地擬合和預測碳鋼在土壤的腐蝕率變化,優于指數平滑算法和差分自回歸移動平均算法.

超細晶中錳鋼溫軋強化增塑機理

曹佳麗, 趙愛民, 李振, 尹鴻祥, 黃耀

2013, 35(11): 1465-1471. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.009

[摘要](260)

[PDF 17488KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble-3500熱模擬試驗機測定了不同溫度下中錳鋼的變形抗力,并通過分階段拉伸、掃描電鏡、電子背散射衍射、X射線衍射等實驗手段,對溫軋中錳鋼中逆轉變奧氏體的相變行為進行觀察和分析。研究發現,熱軋馬氏體中錳鋼經過600℃溫軋及退火后,獲得較多較穩定的殘余奧氏體,從而實現強度859 MPa和延伸率36%的優良力學性能。拉伸變形前期,鋸齒狀流變應力現象明顯,殘余奧氏體提供持續的TRIP效應來提高塑性,此過程中尺寸較大的逆轉變奧氏體穩定性差,變形時先發生轉變;拉伸變形后期,鋸齒狀波動消失,超細晶鐵素體和馬氏體發生塑性變形,馬氏體強化及鐵素體中的位錯強化為主要強化方式。

卷取溫度對Ti微合金化高強鋼力學性能的影響機理

霍向東, 毛新平, 董鋒

2013, 35(11): 1472-1477. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.010

[摘要](147)

[PDF 17114KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
固定化學成分和其他工藝參數,研究了緊湊式帶鋼生產卷取溫度變化(625和579℃對Ti微合金化高強鋼組織和力學性能的影響。熱軋帶鋼的力學性能測試表明,卷取溫度降低后,屈服強度降低205 MPa,而-20℃沖擊功由11.7J增加到47 J。采用光學金相、電子顯微術等手段分析了鋼中組織和析出物,625℃卷取帶鋼為鐵素體組織,579℃卷取帶鋼組織更為細小,貝氏體特征明顯;而卷取溫度降低后納米尺寸碳化物的數量顯著減少,由此降低了沉淀強化效果,造成強度大幅下降,并與組織細化一起改善材料的韌性。卷取溫度是Ti微合金化高強鋼生產中重要的工藝參數,需要嚴格控制。

淬火工藝對含B低合金超厚鋼板淬透性能的影響

王小勇, 蘇航, 潘濤, 李向陽, 王華

2013, 35(11): 1478-1484. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.011

[摘要](107)

[PDF 4450KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過Jominy試驗模擬含B低合金超厚鋼板的淬火過程,測得不同淬火工藝下實驗鋼的硬度分布曲線,并借助光學顯微鏡、俄歇電子能譜等技術手段對低冷速條件下實驗鋼的顯微組織及B晶界偏聚進行了觀察和分析.發現在溫度不高于920℃條件下,提高淬火溫度或適當延長保溫時間可顯著改善超厚板的淬透性,且在此條件下合適的兩次循環淬火可以獲得更為理想的淬透性.溫度高于920℃后,單次淬火或兩次循環淬火均不利于實驗鋼的淬透性能的改善.

板帶鋼乳化液對金屬表面潤濕性的研究

易美榮, 孫建林, 孫橋, 戈曉達

2013, 35(11): 1485-1491. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.012

[摘要](145)

[PDF 1277KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用正交試驗設計分析了乳化劑質量分數、油性劑種類和乳化液體積分數對板帶鋼乳化液潤濕性的影響,研究了不同陰離子和非離子乳化劑的復合比例對乳化液動態接觸角的影響機理.結果表明:影響乳化液在普碳鋼Q235表面接觸角和鋪展系數的因素的大小順序為乳化液體積分數>乳化劑質量分數>油性劑種類;陰離子和非離子組成的復合乳化劑改善乳化液潤濕性的效果優于單一非離子或陰離子乳化劑.最后,運用Y-G-G經驗方程計算普碳鋼Q235基板的表面張力和乳化液與基板的界面張力.計算結果表明:普碳鋼Q235基板的表面張力約為43 mN·m^-1,當陰離子乳化劑的質量分數為50%時,復合乳化液與基板的界面張力最小,較單獨添加陰離子乳化劑時的界面張力降低了10.78%.

700℃超超臨界鍋爐材料GH4700合金熱壓縮行為

王玨, 董建新, 張麥倉, 謝錫善, 徐芳泓

2013, 35(11): 1492-1499. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.013

[摘要](129)

[PDF 26565KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用變形溫度為1120~1210℃、應變速率為0.1~20 s^-1以及變形量為15%~60%的等溫熱壓縮實驗研究了GH4700合金的熱變形行為.通過對低溫和高應變速率條件下的形變熱效應進行修正,得到準確的流變曲線,推導出描述峰值應力與溫度和應變速率等變形參數的本構方程,并得到GH4700合金熱變形表觀激活能為322 kJ.組織分析表明,動態再結晶是熱變形過程中最主要的軟化方式,再結晶形核方式為應變誘發晶界遷移,變形溫度升高和應變速率增大均有利于再結晶形核.再結晶發展階段,隨著變形量的增大和變形溫度的升高,動態再結晶比例增加,在應變速率-溫度坐標中,再結晶比例等值線呈反"C"形式.采用分段函數描述了不同應變速率下GH4700合金動態再結晶晶粒尺寸與變形參數的關系.

化學鍍鎳工藝對金剛石/銅復合材料表面鍍層性能的影響

徐超, 賈成廠, 郭宏, 白智輝, 李明

2013, 35(11): 1500-1506. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.002

[摘要](264)

[PDF 36814KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過在金剛石/銅復合材料表面上化學鍍鎳的方法使表面金屬化以改善其焊接性.研究了鍍鎳工藝對Ni-P合金鍍層中磷含量的影響,以及不同磷含量對鍍層的結合強度、耐蝕性和AgCu28釬料鋪展性的影響,并對鍍層的工藝與厚度進行了優化.AgCu28釬料在磷質量分數為5.8%~8.7%的鍍層上均表現出較好的鋪展性,且含磷8.7%的鍍層比磷含量低的鍍層的耐蝕性要好.綜合考慮鍍層與基體的結合強度和釬料在鍍層上的鋪展性,認為鍍覆時間為10~20 min的鍍層,即厚度為5~8μm時,鍍層性能最理想.

熱處理過程對鋼渣微晶玻璃結構和性能的影響規律

代文彬, 李宇, 蒼大強

2013, 35(11): 1507-1512. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.001

[摘要](247)

[PDF 7392KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用轉爐鋼渣作為原料,采用燒結法制備了堿度(CaO/SiO₂質量比)分別為0.5、0.6和0.7的微晶玻璃.通過X射線衍射分析、掃描電鏡觀察和能譜分析等手段,結合樣品收縮率與力學強度測試結果,研究了在不同熱處理條件下三種微晶玻璃的結構與性能的變化規律.微晶玻璃的力學強度主要受基礎玻璃燒結性能和內部晶體組織結構的影響.燒結收縮率高,內部晶體呈方柱狀交織形態,則微晶玻璃的力學強度最好.微晶玻璃的晶相主要為黃長石晶體和輝石晶體,高溫條件有利于黃長石晶體生長而促使輝石/黃長石比例減少.堿度為0.6的微晶玻璃收縮率最大,其內部的黃長石晶體呈方柱狀交織排列,構成晶體骨架,并同殘余玻璃相形成力學強度較高的微觀組織,從而使得其具有優異的力學性能.

設備與能源

厚壁無縫鋼管張減過程橫向壁厚不均研究

姜永正, 唐華平

2013, 35(11): 1513-1520. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.014

[摘要](161)

[PDF 20192KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為解決熱軋厚壁無縫鋼管橫向壁厚分布不均的問題,建立三維熱力耦合有限元模型,對張力減徑軋制過程進行了動態模擬,并結合工業試驗驗證仿真模型.根據仿真結果分析了軋制過程中溫度、應變和摩擦力的分布,研究了單道次軋制時金屬的徑向和周向流動規律,并結合整個軋制過程對金屬的橫向流動及壁厚不均的形成過程進行了分析,研究了軋制過程中溫度對金屬流動行為的影響,從而總結出橫向壁厚分布不均的原因.結果表明:(1)在經過單道次軋制時,金屬的周向流動為從孔型頂部流向輥縫,對應孔型角±30°位置處金屬的周向流動最活躍,靠近孔型頂部和輥縫位置的金屬周向流動性較差.但從整個軋制過程來看,金屬總的周向流動為從孔型頂部和輥縫向孔型角±30°位置處流動,從而導致孔型角±30°位置處的壁厚比孔型頂部和輥縫位置要厚.(2)溫度分布對金屬橫向流動有重大影響.由于塑性功換熱的原因,孔型角±30°位置處金屬的溫度比輥縫和孔型頂部處高,此處金屬較軟,阻力較小,孔型頂部和輥縫處金屬向此處的流動性增強,導致鋼管截面呈內邊方形.

熱軋定寬壓力機板坯側彎形成規律有限元仿真

王曉晨, 何峰, 楊荃, 王海玉, 王曉東, 李華, 董立杰

2013, 35(11): 1521-1526. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.015

[摘要](122)

[PDF 3549KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
某些現場熱連軋生產線定寬壓力機出口普遍存在板坯側彎現象.采用有限元軟件LS-DYNA建立了定寬壓力機板坯定寬的有限元模型,對不同板坯中心線偏移量和錘頭非對稱傾斜角度下的板坯側彎情況進行分析.造成減寬過程側彎的原因是板坯中心線偏移,并給出其定量影響的關系式.

控制與決策

基于二維和三維信息融合的人耳識別

李陽, 穆志純

2013, 35(11): 1527-1532. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.11.020

[摘要](129)

[PDF 1535KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對人耳識別中存在姿態、光照變化等問題,提出信息融合的方法,將二維人耳和三維人耳的信息進行融合,以克服姿態、光照對人耳識別的影響.對于二維人耳,由于姿態等的變化會導致人耳圖像數據在高維空間中呈現出非線性流形結構,采用等距映射這種流形學習算法進行特征提取,對三維深度人耳則采用3D局部二值模式進行特征提取,然后分別進行二維和三維人耳識別,最后在決策層進行融合識別.在79人的人耳數據庫上進行了實驗,每人8幅帶姿態的二維人耳圖像和6幅帶光照的三維人耳深度圖像.實驗結果表明,與單獨的二維人耳和三維人耳識別相比,融合之后的識別效果和認證效果均有很大的改善.