工程科學學報

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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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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2011年第33卷第9期

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軸對稱荷載作用下圓形隧道圍巖變形解析

崔芳, 高永濤, 吳順川

2011, 33(9): 1043-1047. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.020

[摘要](115)

[PDF 410KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
根據隧道開挖后圍巖中三向應力狀態的漸變規律,分析了圍巖的變形特性,對隧道圍巖進行了合理分區.基于雙剪統一強度理論中針對巖土材料提出的雙剪三參數準則,推導了軸對稱荷載下圓形隧道圍巖中塑性區應力場、應變場、支護力和塑性區半徑的解析解.經實例分析表明,所選強度理論符合巖體材料自身特殊的強度特性,考慮了中間主應力的影響,分析結果貼近圍巖的真實狀態.

低品位鐵礦石直接還原過程鐵顆粒生長和解離特性

孫體昌, 秦曉萌, 胡學平, 蔣曼, 王珍, 程帥

2011, 33(9): 1048-1052. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.005

[摘要](247)

[PDF 907KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
對某低品位鐵礦直接還原過程中金屬鐵顆粒的生長和解離特性進行了研究,重點討論了還原劑用量和還原時間對鐵顆粒長大的影響.X射線衍射和掃描電鏡分析結果表明:減少還原劑用量能減弱還原氣氛,減少結晶中心的生成,有利于鐵顆粒的聚集長大,但因為部分鐵損失于脈石中,所以限制了鐵晶核的進一步長大;延長還原時間能有效地促進鐵顆粒的聚集長大,并降低鐵產品的活性,防止再氧化;還原礦中非晶態物質的生成以及金屬鐵和脈石的硬度差異,有利于金屬鐵顆粒的粗磨單體解離.

高磷赤鐵礦非熔態分離提取

路朝暉, 高金濤, 李士琦, 陳煜, 張顏庭, 王玉剛

2011, 33(9): 1053-1058. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.006

[摘要](244)

[PDF 682KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
對湖北恩施的典型高磷赤鐵礦樣品進行了非熔態分離提取實驗研究.礦樣基礎特性研究表明,該礦為典型鮞狀高磷赤鐵礦,礦中鐵元素與磷元素之間并未處于化學結合狀態.據此采用高速氣流磨技術,將其磨至平均粒度為2μm的超細粒度,觀察發現鐵元素與磷元素在各個超細礦粉顆粒中的含量分布不均勻,Fe、P化合物有所解離.進而采用流態化技術進行氣力分離,設計制造了流態化裝置,對超細礦粉的流態化特征進行研究,結果表明超細鐵礦粉的流態化特征與常規細粉不同.基于富鐵物料與富磷物料的密度差異,設計制造了氣力分離裝置,對超細高磷赤鐵礦粉進行氣力分離實驗,初步實現了鐵元素和磷元素的分離.

拜耳法赤泥深度還原提鐵實驗

賈巖, 倪文, 王中杰, 高術杰, 封金鵬

2011, 33(9): 1059-1064. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.007

[摘要](230)

[PDF 519KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對國內某高鐵拜耳赤泥的特點進行了深度還原——磁選實驗,探討了還原劑量、添加劑量、還原溫度、還原時間、磨礦細度和磁場強度等不同影響因素對鐵精礦品位和回收率的影響.通過化學多元素分析、X射線衍射分析、掃描電鏡和能譜分析等方法,確定了原赤泥及所得鐵精礦的物相組成和特點.在不采用添加劑時,所得鐵精礦的品位為85.66%,回收率為91.86%;采用添加劑時,所得鐵精礦的品位為91.23%,回收率為93.13%.

低品位鎳磁黃鐵礦鎳浸出特性及回收方法

齊鳳杰, 馮雅麗, 李浩然, 田京雷

2011, 33(9): 1065-1070,1090. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.008

[摘要](219)

[PDF 977KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
對我國某高硅低品位鎳磁黃鐵礦進行直接酸浸、焙燒——酸浸和細菌浸出比較,并考察硫酸用量及氧化亞鐵硫桿菌對浸出率的影響.以稻殼為硫酸鹽還原菌固定化載體構建連續上升流固定填充床反應器,以連續上升流方式處理浸出液.結果表明:焙燒使礦物發生燒結,鎳被包裹,不利于浸出;細菌浸出Ni²⁺浸出率為92.16%,質量濃度可達973.22 mg·L^-1·T·f.菌在礦物表面形成生物膜,直接與礦物發生作用使礦物溶解,將浸液中Fe²⁺氧化為Fe³⁺,Fe³⁺進一步溶解礦物·浸出液以2200~3600 mL·L^-1·d^-1的速率經過反應器,Ni²⁺以NiS的形式吸附于稻殼上,回收率在98%以上,使原礦中NiO質量分數由1.69%上升至稻殼中的11.84%.浸液中98%的Mg²⁺留在溶液中,利于金屬分離.

含稀土磷礦酸解動力學及稀土浸出機理

金會心, 李軍旗, 吳復忠

2011, 33(9): 1071-1078. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.009

[摘要](305)

[PDF 548KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
對織金新華含稀土磷礦酸解過程動力學及稀土浸出機理進行了研究.結果表明:∑REO轉化率動力學曲線與P₂O₅轉化率動力學曲線變化趨勢相近,即隨著溫度和溶液酸度的升高,稀土的轉化率提高;∑REO的酸解動力學可用德羅茲多夫方程來很好的描述,擬合曲線的相關系數在0.99以上.根據Arrhenius方程對磷礦酸解過程P₂O₅的反應表觀活化能計算表明,織金新華磷礦酸解的主要反應為固態膜擴散控制過程,而稀土在磷礦中的類質同象存在形態也決定了其反應屬于固態膜擴散控制過程.織金新華磷礦酸解過程稀土的浸出機理分析表明,稀土主要以RE₂(SO₄)₃形式存在于溶液中,而磷石膏中的稀土以RE₂(SO₄)₃和硫酸鈣晶體包裹的形式存在.

CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃煉鐵渣系硫化物容量的熱力學模型

張盟, 郭漢杰, 丁汝才, 王效東, 史成斌, 楊學民

2011, 33(9): 1079-1084. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.015

[摘要](119)

[PDF 408KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于爐渣離子-分子共存理論(IMCT)建立了CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃煉鐵渣系的硫化物容量預報模型,即IMCT-CS₂-模型,比較了該渣系1773 K時實測的硫化物容量、IMCT-CS₂-模型預報的硫化物容量及其他五種硫化物容量模型的計算結果.結果表明,由IMCT-CS₂-模型預報的1773K時CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃煉鐵渣系的硫化物容量更精確.本文建立的IMCT-CS₂-模型不僅可計算該渣系的總硫化物容量,而且可計算該渣系中自由CaO和MgO各自的硫化物容量.1 773 K時CaO-SiO₂-MgO-Al₂O₃煉鐵渣系中Al₂O₃質量分數由10%增加到17%,CaO質量分數由38%增加到44%,MgO質量分數由12%降低到4%可使自由CaO對該渣系的總硫化物容量貢獻率由97%提高到99%,同時使自由MgO的貢獻率由3%降低到1%.

鋼包底吹氬攪拌特性

韓建軍, 李士琦, 吳龍

2011, 33(9): 1085-1090. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.016

[摘要](131)

[PDF 437KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
以廣義相似原理為理論基礎,采用水力學模擬實驗方法,對鋼包底吹氬攪拌特性進行了研究.研究中以諧時性準數為評價指標,考慮的影響因素包括修正弗勞德準數、液氣密度比、熔池深徑比和吹氣位置.結果表明,各因素對評價指標的影響均顯著,最為顯著的是液氣密度比;各因素按顯著性大小排序為液氣密度比、修正弗勞德準數、熔池深徑比和吹氣位置;鋼包吹氣位置設在單孔0.5R處攪拌效果最佳.

對22CrMoH連鑄坯微觀組織及合金元素影響的數值模擬

白李國, 劉海英, 張延玲, 繆新德, 阮小江

2011, 33(9): 1091-1098. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.017

[摘要](167)

[PDF 1296KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
利用移動邊界法得到22CrMoH連鑄坯凝固過程中的溫度場,在此基礎上采用元胞自動機——有限元(CAFE)法對22CrMoH齒輪鋼連鑄坯的微觀組織進行數值模擬,模擬結果與實際樣品微觀組織形貌基本吻合;探討了Cr、Mo、Si和Mn等合金元素含量對鑄坯微觀組織的影響趨勢.結果表明,在該鋼號規定的范圍內,適當提高Si、Mn元素含量能夠提高等軸晶比例,使晶粒數目增加,晶粒平均半徑減小;Mo含量的提高能夠明顯增加形核數量;適當減少Cr含量有助于提高等軸晶的比例,但對晶粒數目和尺寸影響較小.對22CrMoH鋼中合金元素進行優化調整結果顯示,連鑄坯凝固組織得到了明顯改善,等軸晶的比例提高近1倍,晶粒數目提高了19.96%,晶粒平均半徑減小9.20%.

ASP生產Ti-IF鋼在不同退火過程中再結晶組織和織構演變

毛偉, 于浩, 孫衛華

2011, 33(9): 1099-1104. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.010

[摘要](169)

[PDF 964KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
對ASP生產Ti-IF鋼的退火再結晶過程分別進行了罩式退火和連續退火模擬實驗,通過金相組織觀察和力學性能檢測,并結合X射線衍射和電子背散射衍射技術,從不同的實驗角度對再結晶組織和織構的形成及演變進行了研究.結果表明,由于罩式退火和連續退火兩者的熱歷史過程不同,其再結晶組織轉變溫度及晶粒度有所不同,但是再結晶核心的形成位置及演變方式趨于一致,形核方式趨向于擇優形核.

晶粒尺寸對車輪鋼解理斷裂韌性的影響

李勝軍, 任學沖, 高克瑋, 宿彥京, 褚武揚, 江波, 陳剛, 趙海

2011, 33(9): 1105-1110. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.011

[摘要](154)

[PDF 852KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
通過緊湊拉伸試驗研究了碳的質量分數約為0.5%的C50車輪鋼解理斷裂韌性K_IC(即條件斷裂韌性K_Q)與晶粒尺寸的關系.結果表明,晶粒尺寸對試樣的斷裂韌性有明顯的影響,但決定車輪鋼解理斷裂韌性的是組織中最大的晶粒尺寸,而不是平均晶粒尺寸,最大晶粒尺寸越大,斷裂韌性越低.對于C50車輪鋼,當前5%的最大晶粒平均尺寸為30~73μm時,車輪鋼的條件斷裂韌性K_Q與晶粒平均尺寸的對數呈線性關系.

熱軋潤滑對中厚板軋制力和表面特征的影響

高雅, 孫建林, 朱作鑫

2011, 33(9): 1111-1115. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.012

[摘要](148)

[PDF 965KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
通過中厚鋼板熱軋工藝潤滑實驗,分析了不同工藝潤滑條件下中厚鋼板熱軋過程中軋制載荷與壓下率的關系,研究了工藝潤滑對鋼板表面質量的影響,并結合實驗鋼的連續冷卻轉變曲線,探討了工藝潤滑條件對鋼板組織轉變的影響.結果表明:中高質量濃度比低質量濃度熱軋油能更有效地降低軋制力;粗軋階段比精軋階段降低軋制力效果更明顯.工藝潤滑可改善中厚熱軋板的表面質量,降低板面粗糙度,并促進鋼板表面處在軋制過程中的鐵素體轉變,減少表面附近的帶狀組織,使軋后表面處組織均勻細小,減小表面缺陷產生的概率.

Sn對Mg-Al-Sn-Zn系海水電池用鎂陽極材料組織及電化學性能的影響

王萍, 李建平, 郭永春, 楊忠

2011, 33(9): 1116-1121. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.013

[摘要](118)

[PDF 797KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用金相顯微鏡、X射線衍射、掃描電鏡和結合能譜儀研究了Sn對鎂陽極材料顯微組織、相結構、表面形貌及成分分布的影響;并通過恒電流法、動電位極化法和排水集氣法等研究了該鎂合金的腐蝕行為和電化學性能.結果表明:合金元素Sn的加入可以抑制棒狀β-Mg₁₇Al₁₂相沿晶界析出,隨著Sn含量的增大,顆粒相Mg₂Sn增多;均勻化處理使大部分β-Mg₁₇Al₁₂相溶解,而殘留Mg₂Sn未溶相.Sn的加入可以提高鎂合金自腐蝕電位和析氫率,當Sn質量分數為1%時鎂合金陽極的放電電壓和電流效率最大.析氫率隨電流密度的增大而增大,當電流密度為20mA·cm^-2時電流效率最高,可達82.28%.腐蝕產物主要成分為MgO和Al₂O₃,且疏松,易脫落,使鎂合金陽極的工作電位負而且穩定,可促進電池反應深入進行.

凝膠注模成形多孔Ti-7.5Mo合金的孔隙及力學性能

楊棟華, 邵慧萍, 樊聯鵬, 林濤, 郭志猛

2011, 33(9): 1122-1126. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.014

[摘要](164)

[PDF 616KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
以振動球磨方式混合Ti-Mo粉體,采用凝膠注模成形制備了多孔Ti-7.5Mo合金制品,并利用掃描電子顯微鏡、X射線衍射和力學性能試驗分別對其顯微結構和力學性能進行了測試和分析,研究了預混液單體質量分數和漿料固相含量對其孔隙性能和力學性能的影響.結果表明,與純Ti粉末相比,添加質量分數為7.5%的Mo混合粉末漿料的流變特性較好,所得合金由分布均勻的α-Ti基體和β-Ti組成,其孔隙率為39.15%~45.97%,孔徑為5~98μm.與凝膠注模多孔純鈦相比,多孔Ti-7.5Mo合金的生物力學性能更加優異,適合作為醫用植入材料.

Fe₂O₃轉變為Fe₃O₄粉末的微波碳熱還原

李解, 李保衛, 張邦文

2011, 33(9): 1127-1132. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.004

[摘要](234)

[PDF 755KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以活性炭為還原劑及以氬氣為保護氣,采用微波碳熱還原的方法,將弱磁性的Fe₂O₃還原成強磁性的Fe₃O₄,并研究焙燒溫度、保溫時間以及SiO₂粉末的加入對其還原焙燒成分及磁化效果的影響規律.結果表明:在配碳量一定的條件下,焙燒溫度是微波碳熱還原的關鍵因素,隨著溫度的升高,還原產物中Fe₃O₄的含量發生有規律的變化;650℃、保溫5 min的條件下經微波還原后生成了純Fe₃O₄粉末,其磁化率和還原度分別達到理論值2.33和11.11%;含SiO₂的Fe₂O₃粉末在750℃以上進行微波還原,會生成大量的硅酸亞鐵和氧化亞鐵,導致Fe₃O₄含量降低,惡化還原焙燒指標,所以微波磁化焙燒的最佳溫度應在570~650℃.

幾種離子對氨法制備氧化鐵紅晶種的影響

梁緒樹, 孫體昌, 程帥, 王淀佐

2011, 33(9): 1133-1140. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.002

[摘要](225)

[PDF 1841KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
結合河南中原黃金冶煉廠用氨法制備氧化鐵紅存在的問題,研究了水中鈣離子、鎂離子和鋅離子對氨法制備氧化鐵紅晶種的影響.結果表明,三種離子都對晶種制備過程有影響,但影響的程度不同.三種離子的質量濃度影響晶種制備效果的上限分別為鋅離子0.04 g·L^-1、鎂離子0.25 g·L^-1和鈣離子0.1 g·L^-1.在水中添加氨水按時進行沉淀可以有效地消除鈣離子、鎂離子的影響.

具有氧化鋯包覆方鎂石微結構的鎂鋯磚的抗折和抗熱震性

陳松林, 袁林, 馮中起, 曾魯舉, 劉錫俊, 陳雪峰, 王俊濤, 孫加林

2011, 33(9): 1141-1145. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.001

[摘要](216)

[PDF 1228KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在正交試驗確定的工藝參數條件下,改進工藝制備出具有氧化鋯包覆方鎂石顯微結構的鎂鋯磚.在此微觀結構中,方鎂石和氧化鋯直接結合,兩相鄰方鎂石晶粒被氧化鋯間隔,方鎂石晶粒被氧化鋯包裹,方鎂石晶內存在封閉小氣孔和氧化鋯晶粒.由于方鎂石被氧化鋯包裹中存在氧化鋯相變,相變微裂紋吸收斷裂能起增韌的作用;同時,方鎂石晶粒內的微氣孔能緩解熱應力,使鎂鋯材料的抗熱震性能和高溫強度均得以改善.方鎂石晶粒內的細小氧化鋯晶粒具有釘扎效應,能減少和阻止鎂鋯磚的高溫蠕變滑移,提高了材料的高溫抗折性能.

特殊螺紋套管接頭連接性能的安全可靠性分析

許志倩, 閆相禎, 楊秀娟

2011, 33(9): 1146-1153. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.003

[摘要](245)

[PDF 627KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
建立套管接頭內、外螺紋牙嚙合物理力學模型,依據螺紋嚙合對變形協調方程和單個螺紋牙軸向彈性變形分析,推導出套管接頭螺紋牙承載分布不均性規律及其法向接觸力計算方程組,并利用有限元計算結果驗證了螺紋牙受力解析值的可參考性.結合彈性力學理論和API偏梯形螺紋計算準則,根據可靠度理論建立特殊螺紋套管接頭三種連接失效形式的極限狀態方程,利用Monte Carlo方法對服從正態分布的螺紋各項加工參數進行抽樣,統計得出套管接頭發生連接失效的概率及其相應可靠度.計算結果表明:特殊螺紋套管接頭各連接失效形式的可靠度由大到小排序為螺紋跳扣 > 管體屈服 > 螺紋牙剪切 > 接頭抗拉.

熟料燒結回轉窯傳熱傳質數值模型

高傳峰, 樂愷, 姜澤毅, 張欣欣, 史彧宏

2011, 33(9): 1154-1159. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.021

[摘要](113)

[PDF 454KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
建立了窯長為90m的氧化鋁熟料回轉窯的傳熱傳質數學模型.采用化學動力學方法研究了燒結反應吸、放熱對窯內溫度分布的影響,提出了氧化鋁與碳酸鈉的反應為窯內熟料燒結反應結束的標志.結果表明,熟料反應約在距離窯頭85 m處完全結束,各反應速率隨溫度的升高而增大,噴煤量的增加對預熱、燒結帶的影響大于其他各帶區.

天然礦物添加劑對高爐噴吹煤粉燃燒特性的影響

孔德文, 張建良, 林祥海, 龔必俠, 蘇步新

2011, 33(9): 1160-1165. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.018

[摘要](154)

[PDF 539KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用熱分析法研究了大貴白云石、榮富鎂石、東燃鎂石、里領石灰石和方解石五種天然礦物添加劑對無煙煤燃燒過程的影響.考察了著火溫度、最大燃燒速率、揮發分釋放特性指數和燃盡特征指數等燃燒特征參數,求出了反應動力學參數活化能Ea和指前因子A.實驗結果表明:大貴白云石、榮富鎂石和東燃鎂石能夠顯著促進煤粉的燃燒過程,降低著火溫度,增大煤粉的揮發分釋放特征指數D和煤粉的燃盡特性指數Cb,使最大燃燒速率前移至揮發分著火燃燒階段;里領石灰石和方解石則相反.同時,動力學計算表明:大貴白云石、榮富鎂石和東燃鎂石使煤粉的活化能分別降低10.4%、14.5%和10.7%,對煤粉燃燒有助燃作用;里領石灰石和方解石使煤粉的活化能分別提高2.0%和4.3%,對煤粉燃燒沒有助燃作用.

冪律流體在旋轉盤上的流動與傳熱數值分析

明春英, 鄭連存, 張欣欣

2011, 33(9): 1166-1170. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.022

[摘要](94)

[PDF 476KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對非牛頓冪律流體在無限大旋轉圓盤上層流邊界層內三維流動與傳熱問題,在普朗特數為常數的條件下,利用廣義Karman相似變換,將連續方程、動量方程及能量方程形成的偏微分方程組化成常微分方程組,再采用多重打靶法數值求解非線性兩點邊值問題.分別針對剪薄型流體、牛頓流體和剪厚型流體,得到不同冪律指標下的速度和溫度分布及不同普朗特數下溫度場的結果.結果表明徑向速度分量的峰值隨冪律指標的增大而增大,軸向速度受邊界層厚度的影響較突出,盤表面的傳熱隨冪律指標和普朗特數都呈現遞增趨勢.最后將本文流場結果與Andersson等在不考慮傳熱情況下的結果進行比較表明吻合性較好.

板帶厚度控制系統中引起混沌的條件論證

張巍巍, 王京

2011, 33(9): 1171-1176. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2011.09.019

[摘要](107)

[PDF 457KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在分析軋機運動方程的基礎上,通過對同宿軌道及Melnikov函數的討論,分析厚度控制系統參數與出現Smale混沌之間的聯系以及厚度控制系統出現混沌時對控制精度的影響.給出了板帶軋機厚控系統出現Smale馬蹄意義下混沌的條件,通過仿真驗證了軋制過程中軋輥偏心干擾造成厚度控制系統混沌的新觀點.仿真分析表明,在混沌出現時軋件的厚度偏差將發生較大偏移,可以通過混沌控制的途徑提高產品精度.