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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2014年第36卷第6期

欄目

資源與開發
冶金與材料
設備與能源

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資源與開發

納微米級孔隙氣體流動數學模型及應用

朱維耀, 馬千, 鄧佳, 馬東旭, 宋智勇, 岳明

2014, 36(6): 709-715. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.001

[摘要](263)

[PDF 502KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
對納微米級孔隙多孔介質內的氣體流動進行了研究.利用克努森數劃分流態，繪制了流態圖版，闡明了不同區域的流動特征.基于Beskok-Karniadakis模型，對滲透率校正系數進行了改進，引入多項式修正系數，將Beskok-Karniadakis模型簡化為二項式方程，并利用最小二乘法分段擬合得出多項式修正系數的取值.模型對比顯示，簡化后的模型具有較高的精確度.應用此模型推導出了納微米級孔隙氣體流量的計算公式.進行了室內微觀滲流模擬實驗，得到氣體平面單向滲流規律，與由納微米級孔隙氣體流量公式計算所得滲流特征進行對比，結果顯示本模型與實驗數據擬合較好.采用本模型進行編程計算，對其影響因素進行分析，發現氣體流量隨壓力平方差增加而增大，且增加趨勢越來越快，并隨多孔介質滲透率和克努森擴散系數的增加而增大.

綜采割煤粉塵運移影響因素的數值模擬

譚聰, 蔣仲安, 陳舉師, 王佩

2014, 36(6): 716-721. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.002

[摘要](288)

[PDF 471KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為解決綜采割煤粉塵質量濃度高的問題，獲取粉塵控制的合理參數，改善作業環境，以邢東礦2225工作面為研究背景，依據氣固兩相流理論，運用Fluent軟件對綜采工作面割煤粉塵運動規律進行數值模擬，并與現場實測的粉塵質量濃度分布情況進行對比分析，模擬結果與實際數據基本一致.研究結果表明：工作面風速、采煤機滾筒轉速、溜子速度以及壁面條件是影響綜采工作面粉塵質量濃度分布的幾個重要因素.當工作面平均風速在1.4m·s^-1，滾筒轉速不超過2.5rad·s^-1，溜子速度不超過1.5m·s^-1，防降塵效果最佳.同時灑水保持煤壁濕潤也起到一定的捕塵作用.

綜采工作面采空區封閉與惰化防滅火技術的數值模擬

蔣仲安, 劉祥龍, 杜翠鳳, 陳舉師, 姜蘭

2014, 36(6): 722-729. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.003

[摘要](271)

[PDF 717KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了驗證綜采工作面采空區封閉與惰化過程中相關技術參數的合理性，了解注惰過程中各組分氣體體積分數分布及擴散規律，掌握其隨時間變化特點，依據氣流滲透及擴散理論，運用Fluent軟件對采空區封閉后惰化過程進行數值模擬，并采用現場取樣化驗分析的方法對采空區封閉后注惰過程中氣體體積分數進行監測.通過對比發現，模擬結果與監測數據基本吻合，驗證了模擬結果的準確性.由模擬結果可知：雙"U"型通風系統的存在使得采空區內部空間具有較為均勻的風流流場分布；在正常通風情況下，O₂、CO₂及N₂體積分數隨距工作面距離的增加而逐步降低，CH₄體積分數以下隅角為中心徑向逐步增大；隨著注惰進程的推移，O₂和N₂體積分數隨著注惰時間的累積逐步升高，CH₄和CO₂體積分數則反之.

十二胺浮選黃銻礦的作用機理

王進明, 王毓華, 余世磊, 余勝利, 于福順

2014, 36(6): 730-735. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.004

[摘要](336)

[PDF 454KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
利用單礦物實驗，研究了十二胺（DDA）對黃銻礦的浮選行為.研究發現：pH值為2.0~8.0時，黃銻礦浮選回收率達到90%以上；pH值為8.0~10.0時，黃銻礦浮選回收率急劇降低；當pH值〉10.0時，十二胺對黃銻礦幾乎沒有捕收作用.十二胺浮選溶液化學分析結果表明，十二胺陽離子（DDA⁺）是對黃銻礦產生捕收作用的主要成分.采用密度泛函理論研究了黃銻礦晶體以及十二胺離子和分子的電子結構性質，考察了十二胺離子、十二胺分子和水分子在黃銻礦表面的吸附行為.三種吸附質在黃銻礦表面吸附能順序為DDA 〉 H₂ O 〉 DDA⁺，十二胺離子可排開黃銻礦表面的水化膜，實現黃銻礦的疏水上浮，十二胺離子主要通過物理吸附形式吸附于黃銻礦表面.

四種硅酸鹽礦物的蒸壓反應活性

喬春雨, 倪文, 王長龍

2014, 36(6): 736-742. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.005

[摘要](251)

[PDF 792KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為研究尾礦中硅酸鹽礦物在蒸壓建筑材料體系中的作用，通過X射線衍射、熱重、掃描電子顯微鏡、能譜分析和紅外光譜分析，對角閃石、拉長石、鈉長石和黑云母的蒸壓反應活性進行了探討.結果表明：在180℃蒸壓8h的條件下，拉長石和鈉長石具有蒸壓反應活性，角閃石和黑云母不具有蒸壓反應活性；拉長石的蒸壓產物有水鈣鋁榴石和斜托貝莫來石，鈉長石的蒸壓產物有托貝莫來石，蒸壓產物相互連接有助于提高結構致密性；反應生成的托貝莫來石礦物均含有Na，具有一定的固堿作用.

冶金與材料

鎳鐵礦選擇性還原焙燒相變研究

阮書鋒, 王成彥, 王振文, 尹飛, 袁文輝

2014, 36(6): 743-750. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.006

[摘要](254)

[PDF 1054KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
對鎳鐵礦原料及不同溫度還原焙砂進行礦物學研究，探究鎳鐵礦選擇性還原焙燒發生的相變.研究結果表明：鎳鐵礦主要金屬礦物為褐鐵礦，其次為赤鐵礦；Ni在不含錳的鐵礦物中分布較均勻，而在含Mn的鐵礦物中分布相對集中，并與Mn伴生.鎳鐵礦在還原焙燒過程中Fe、Ni和Co隨溫度升高逐漸發生還原、相轉化和遷移富集的過程.選擇性還原焙燒必須嚴格控制焙燒溫度，要達到Ni、Co和Fe的選擇性還原并形成Ni高、Fe低的合金相和磁鐵礦，焙燒溫度采用750℃較合適，在該溫度下形成的合金相組成為55.55% Ni、9.86% Co及33.99% Fe，Ni的金屬轉化率為88.49%，鐵氧化物主要為磁鐵礦.

管線鋼連鑄板坯的半宏觀偏析和凝固組織

許志剛, 王新華, 黃福祥, 周力, 王萬軍, 尹雨群

2014, 36(6): 751-756. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.007

[摘要](257)

[PDF 671KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
研究了不同凝固組織下管線鋼的中心偏析情況.低倍組織腐蝕結果表明，連鑄板坯的中心偏析由相對獨立的、大小不一的半宏觀偏析點組成，且不同凝固組織的半宏觀偏析特征有所差別.化學成分分析表明，中心等軸晶時板坯中心為負偏析，且貫穿于整個等軸晶區中，而中心為柱狀晶時則表現為正偏析.通過對比化學成分和半宏觀偏析面積比發現，板坯的半宏觀偏析面積比隨C和Mn最大偏析度的增加而增加，由于化學成分分析只能反應局部位置的偏析情況，因此半宏觀偏析面積比的方法對生產實踐更具有指導意義.對不同過熱度下不同凝固組織的半宏觀偏析面積比的統計結果顯示，在合理使用輕壓下技術的前提下，中心為柱狀晶更有利于減輕半宏觀偏析面積比，進而改善管線鋼連鑄板坯的中心偏析.

寬厚板連鑄黏結漏鋼的工藝因素

劉宇, 王旭東, 施桂錢, 姚曼, 張曉兵, 倪漢平, 陸洪周, 王雄

2014, 36(6): 757-762. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.008

[摘要](275)

[PDF 472KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
以鋼廠寬厚板連鑄黏結漏鋼的實測樣本為基礎，重點考察了斷面、拉速、液位等主要工藝因素對鑄坯黏結的影響，統計和分析了黏結發生時的結晶器熱流及其變化規律，對可能誘發黏結的澆鑄參數和結晶器熱流等進行了分析和探討.

用于先進核能系統的12Cr-ODS鐵素體鋼的顯微組織和力學性能

李少夫, 周張健, 孫永鐸, 戶赫龍, 王曼, 張廣明, 鄒雷, 張麗偉

2014, 36(6): 763-767. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.009

[摘要](300)

[PDF 520KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以12Cr-0.5Ti-1W的氣霧化粉和納米Y₂O₃粉末為原料，通過對預合金粉末的機械合金化和熱等靜壓燒結成型的方法制備了12Cr-ODS鐵素體鋼，然后運用鍛造和熱處理等方法實現對材料力學性能的提高.在透射電子顯微鏡下觀察到組織中彌散分布的納米氧化物顆粒，能譜分析確定氧化物彌散顆粒為Y-Ti-O的復雜氧化物.利用抗拉強度測試和超聲無損檢測等方法對12Cr-ODS鐵素體鋼的力學性能進行了分析.

18Mn18Cr高氮鋼析出相特征及形成機制

房菲, 李靜媛, 王一德

2014, 36(6): 768-779. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.010

[摘要](193)

[PDF 1529KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
通過金相顯微鏡、掃描電鏡、電子探針顯微分析、透射電鏡及熱力學計算軟件研究C和N含量對鑄態及時效態18Mn18Cr高氮鋼析出相特征及形成機制的影響.研究發現在鑄態，隨C/N質量比降低，析出相依次為Cr₂₃C₆相、σ相和Cr₂N相.增加C或N含量可分別促進Cr₂₃C₆相和Cr₂N相析出.C和N含量影響實驗鋼凝固模式及不穩定鐵素體相共析分解產物.18Mn18Cr0.44N鋼凝固模式為AF模式，不穩定鐵素體相共析分解反應為δ→σ+γ₂（0.025% C）和δ→γ₂+Cr₂₃（C_xN_y）₆（x/y>1）（0.16% C）；18Mn18Cr0.72N鋼凝固模式為A模式，晶界處存在少量顆粒狀Cr₂N相.在固溶時效態，實驗鋼僅析出片層狀的Cr₂N_0.39C_0.61相.隨C+N含量增加，片層狀析出相體積分數和片層間隙增加，析出孕育時間減少.

CSP流程Ti微合金化高強鋼的疲勞性能

田星, 張永琨, 譚佳梅, 康永林

2014, 36(6): 780-786. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.011

[摘要](135)

[PDF 770KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用升降法對CSP工藝生產的2mm厚Ti微合金化高強鋼的疲勞性能進行研究.結果發現：高強鋼的抗拉強度為830 MPa；疲勞強度為685 MPa，約為抗拉強度的0.83倍；伸長率為18.8%.繪制了高強鋼的S-N曲線，并擬合出疲勞壽命與最大應力的關系.通過掃描電鏡對疲勞斷裂機理進行了分析.宏觀疲勞斷口可見明顯的裂紋源區、擴展區和瞬斷區形貌.疲勞裂紋起始于帶鋼表面微裂紋；疲勞擴展區存在微觀疲勞輝紋、二次裂紋和宏觀疲勞貝紋線；瞬斷區出現撕裂棱，兼有韌窩存在.

垂直穩恒磁場下Fe-納米Si顆粒復合電沉積

周鵬偉, 鐘云波, 龍瓊, 孫宗乾, 范麗君, 鄭天祥, 周俊峰

2014, 36(6): 787-794. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.012

[摘要](167)

[PDF 1160KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
在垂直穩恒磁場中采用納米復合電沉積法制備Fe-Si復合鍍層.研究了磁場強度和電流密度對陰極電流效率和鍍層Si顆粒含量的影響規律，并采用掃描電子顯微鏡和能譜對所得鍍層進行分析.施加垂直磁場后，隨著磁場強度增大，陰極電流效率呈現先上升后下降的趨勢；鍍層Si顆粒質量分數在0.2T達到最大值20.17%，比無磁場下提高了10.4%；鍍層表面形貌也發生顯著變化，多處形成"山脊"，"山脊"延伸方向與磁流體力學效應方向一致，分布數量和延伸長度與磁場強度成正比.由于磁流體力學效應，施加磁場還改變了鍍層表面氣孔形貌，促進氫氣的析出.

700℃超超臨界鍋爐材料617B合金鑄態組織及均勻化工藝

江河, 董建新, 張麥倉, 姚志浩

2014, 36(6): 795-802. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.013

[摘要](119)

[PDF 829KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用光學顯微鏡、掃描電鏡和能譜分析對采用真空感應熔煉和保護氣氛電渣重熔雙聯工藝生產的617B合金電渣錠進行組織分析、析出相和元素偏析情況研究.依據殘余偏析指數模型通過Dictra熱力學軟件計算提出七種不同的均勻化制度，并結合均勻化后的組織分析和熱模擬壓縮試驗，確定了617B合金的最終均勻化制度.結果表明：經雙聯工藝生產的617B合金電渣錠中存在枝晶和元素偏析，其中Mo和Ti是主要的偏析元素；電渣錠組織的晶內存在較多的塊狀碳化物，表現為多種碳化物共生生長.經過1210℃保溫48h均勻化處理后，枝晶和元素偏析基本消除，晶內的塊狀碳化物部分溶解，且均勻化后的合金表現出良好的塑性.

CuO對Ti-C-Al體系自蔓延反應過程的影響

王楠, 劉慧敏, 韓林峰, 于香蓮, 李志鵬

2014, 36(6): 803-809. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.014

[摘要](139)

[PDF 691KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
選擇Ti-C-Al和Ti-C-Al-CuO兩種體系，采用原位反應近液相線鑄造技術，制備鋁基復合材料.通過金相顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射儀研究了復合材料的微觀組織.對上述兩種體系的反應進行了熱力學與動力學分析.進一步研究了CuO對Ti-C-Al體系的自蔓延反應過程的作用機理，建立了其反應過程的動力學模型.結果表明：在Ti-C-Al體系自蔓延反應過程中，CuO和Al的反應可以提高其反應體系的絕熱溫度，能為該體系反應持續提供熱量，使其自蔓延效果更為顯著，反應更加徹底，大大減少條塊狀的中間產物Al3Ti，優化了材料組織.

水熱法制備WO₃納米棒陣列及其光催化性能

鄭鋒, 郭敏, 張梅

2014, 36(6): 810-816. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.015

[摘要](185)

[PDF 689KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
采用水熱法，以Na₂WO₄·2H₂O為原料，NaCl為添加劑，直接在氧化銦錫透明導電基底上制備了有序WO₃納米棒陣列.利用X射線衍射、掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡等手段對制備的納米棒進行了表征，考察了pH值對產物形貌、尺寸和取向性的影響.結果表明：單根WO₃納米棒具有六方單晶結構，隨著前驅液pH值的增大，平行于基底生長的WO₃納米棒捆逐漸轉變為垂直于基底生長的納米棒陣列.另外，對制備得到的兩種不同取向的WO₃納米棒結構進行了光催化降解甲基藍溶液的研究，發現相比于WO₃納米棒捆結構，納米棒陣列的光催化性能更高.

設備與能源

氧氣高爐爐身噴吹煤氣在爐內的分布

劉錦周, 薛慶國, 佘雪峰, 王靜松

2014, 36(6): 817-823. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.016

[摘要](150)

[PDF 611KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
通過二維冷態物理模型對氧氣高爐爐身噴吹煤氣在爐內分布進行了實驗研究，分別研究了爐身煤氣總量、輔助風口直徑以及爐身噴吹煤氣量與爐身煤氣總量之比對爐身噴吹煤氣在爐內分布的影響.結果表明，爐身噴吹煤氣量與爐身煤氣總量之比對爐身噴吹煤氣在爐身分布起決定性作用，而爐身煤氣總量和輔助風口直徑的影響較小.同時，在爐身煤氣上升過程中渦流擴散效應的影響也較小.通過對根據實驗數據繪制的爐身等濃度分布圖進行研究發現，爐身煤氣分布主要分為兩個不同的區域，一個是爐身噴吹煤氣主流區，另一個是從高爐下部產生的上升煤氣主流區.在爐身等濃度分布圖的基礎上通過回歸分析的方法推導出爐身噴吹水平噴吹煤氣的滲透公式.此外，輔助風口被安裝在爐身下部有利于鐵礦石在爐身的間接還原.

六輥冷軋機的彎輥力組合板形控制策略

王曉晨, 楊荃, 孫友昭

2014, 36(6): 824-829. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.017

[摘要](137)

[PDF 458KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對現有六輥軋機對使用兩組彎輥力進行四次板形控制的理論不足，提出了彎輥力組合板形控制策略.利用Marc有限元仿真計算軟件建立輥系-軋件耦合模型，分析工作輥彎輥力與中間輥彎輥力板形調控特性的差別.在此基礎上通過理論推導，建立了彎輥力組合板形控制策略的兩種實現方式——在線閉環控制模型與基于彎輥力組合系數的設定參數在線調節方法.現場應用結果表明，彎輥力組合板形控制策略能夠充分利用工作輥彎輥力與中間輥彎輥力板形調控特性的差別進行配合調節，對長期困擾生產的四次板形缺陷實施快速精確的控制.

前混合磨料水射流除鱗噴嘴混合腔內部流場

劉國勇, 陳欣欣, 朱冬梅, 張少軍, 陳繼東

2014, 36(6): 830-837. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.018

[摘要](134)

[PDF 949KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
基于計算流體動力學多相流混合物模型，應用FLUENT軟件對前混合磨料水射流除鱗噴嘴高壓水與磨料混合腔內部流場進行數值模擬.比較了不同進料方式對流場均勻性的影響.分析了兩側為高壓水入口條件下，磨料入口直徑、高壓水入口直徑、高壓水入口位置和角度以及收縮段錐角對流場混合均勻性的影響，得到了影響混合腔內部流場混合均勻性的合理結構參數.數值計算結果表明：入口速度一定的條件下，磨料中進式噴嘴混合腔的混合均勻性優于磨料側進式噴嘴混合腔.隨磨料入口和高壓水入口直徑增加，混合腔出口的射流速度均增加，但隨高壓水入口直徑增加導致出口磨料濃度呈先增后減的趨勢，磨料入口與高壓水入口合理的質量流量比值約為3∶4，兩側高壓水入口位置對流場混合均勻性影響較小，高壓水入口角度和收縮段錐角均為30°時流場性能更佳.

金屬內部裂紋的超聲衰減特性與近表面缺陷識別

肖會芳, 徐金梧, 何飛, 黎敏

2014, 36(6): 838-844. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.019

[摘要](115)

[PDF 770KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
建立了包含裂紋缺陷的二維金屬板模型.采用有限元方法，對具有不同深度裂紋的材料內部超聲波場進行計算，獲得了不同裂紋深度金屬材料上表面的回波信號，分析了裂紋深度對超聲波傳播特性的影響規律.進一步分離提取不同階次底面回波的頻譜特征，獲得了由裂紋缺陷引起的超聲衰減系數隨頻率的變化關系.最后提出了通過底面回波頻譜圖辨識近表面裂紋缺陷的方法.

基于倒譜裁剪的反射聲波抑制方法及其在噪聲場重構中的應用

付強, 魏龍, 楊德斌, 黎敏

2014, 36(6): 845-853. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.06.020

[摘要](158)

[PDF 910KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了抑制狹小封閉空間內寬頻噪聲場的反射聲波，提出一種基于倒譜裁剪的反射聲波抑制方法.首先利用環境脈沖響應的持續時間對信號倒譜反射成分進行劃分，然后根據理論對代表反射成分的異常點進行判定，最后對異常點的幅值重新賦予正常值，從而在不破壞噪聲信號直射成分的前提下對反射聲波進行抑制.在室內弱反射環境和小實驗艙內強反射環境中進行對比實驗驗證，實驗結果表明新方法可有效抑制反射聲波，對于反射聲波所帶來的聲場重構誤差，由90%降低至35%，有效提高了聲場的重構精度.