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8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

高靜應力和頻繁動力擾動共同作用下矽卡巖動力學特性

唐禮忠, 舒計步, 武建力, 李夕兵, 汪令輝

2014, 36(8): 993-999. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.001

[摘要](285)

[PDF 527KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為進一步揭示深部巖體受到開挖爆破等動力作用時的破壞機理，利用基于SHPB裝置的動靜組合加載試驗系統，首次對中高應變率下矽卡巖在高靜應力和頻繁動力擾動共同作用時的變形特性、能量規律、破壞模式等進行了研究.隨著沖擊次數的增加，巖石的彈性模量先增大后減小，而每次沖擊時的最大應變整體表現出先減小后增大的趨勢，最后一次沖擊時彈性模量驟降，最大應變突增，巖石試樣發生破壞.單位體積巖石能耗為負值，說明在沖擊動載的作用下巖石試樣表現出釋放能量的特性，這是由于高靜應力作用產生的彈性應變能受動力沖擊作用誘導而釋放；隨著沖擊次數的增加，單位體積巖石釋放的能量先增大后減小.結構致密、強度較高的矽卡巖試樣隨沖擊次數的增加表現出劈裂破壞模式.

早齡期凍結土壓力與負溫耦合作用的井壁混凝土性能

劉娟紅, 王祖琦, 紀洪廣

2014, 36(8): 1000-1006. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.002

[摘要](285)

[PDF 577KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了早齡期凍結壓力等荷載、負溫及早齡期荷載和負溫耦合作用對凍結豎井井壁C60混凝土抗壓強度、氯離子擴散系數和聲發射特征的影響，并通過掃描電鏡分析其內部微裂縫.結果表明：早齡期荷載加載時間越早對混凝土28d抗壓強度的影響越大，當外部荷載作用時間在3d以后且荷載水平在混凝土當天強度40%以內時，混凝土28d強度幾乎不受影響；凍結井井幫負溫環境會延緩井壁混凝土早期水化，防凍劑的加入利于加快混凝土水化和強度的發展；在早齡期荷載及負溫耦合作用下，混凝土28d抗壓強度降低明顯，氯離子擴散系數大大增加，混凝土的滲透性由"中"變為"高"，內部產生了缺陷和微裂縫導致聲發射"活躍階段"提前，且混凝土呈現明顯的塑性變形.

井下避難硐室壓風供氧分布規律研究

金龍哲, 王奕, 汪澍, 詹子娜

2014, 36(8): 1007-1012. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.003

[摘要](254)

[PDF 480KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為實現避難硐室內良好生存環境，提高人員生存環境質量，并為今后避難硐室的設計提供指導性依據，基于數值模擬軟件FLUENT仿真平臺，以壓風供氧方式下的避難硐室生存區為研究對象，對主要擾動源進行分析，建立兩種壓風供氧管路方案下的避難硐室三維模型.通過控制方程組、RNG k-ε湍流模型、有限容積離散方法和SIMPLE算法相結合的方式，實現避難硐室空氣分布可視化.得出在壓風供氧下，以九個布氣孔彌散式均勻布氣的管道布置及尺寸設計最優方案，以及硐室內氧氣和二氧化碳體積分數的主要分布規律.通過現場載人試驗驗證了數值模擬的可靠性.

冶金與材料

二氧化鈦改質對含磷轉爐渣中磷富集行為的影響

林路, 包燕平, 王敏, 周寒梅

2014, 36(8): 1013-1019. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.004

[摘要](282)

[PDF 601KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為了有效富集含磷轉爐渣中磷，通過TiO₂熔融改質研究了磷富集行為，對TiO₂改質過程進行了熱力學探討，同時對實驗爐渣進行磁選分離提取了富磷相.在1623 K條件下，隨著渣中TiO₂含量的增加，渣中先期析出的n2CaO·SiO₂-3CaO·P₂O₅（以下簡記nC₂S-C₃P）固溶體與TiO₂不斷反應析出CaSiTiO₅、CaTiO₃和高磷固溶體（n'C₂S-C₃P，n'<n），先期析出的nC₂S-C₃P固溶體會隨著TiO₂含量的增加而逐漸減少甚至消失，如渣中TiO₂含量進一步增加或過量，前述反應生成的高磷固溶體（n'C₂S-C₃P）繼續與TiO₂反應，從而使富磷相中磷含量進一步提高.經350mT磁場強度下磁選后，改性后的渣中收集到的非磁性物較原渣提高了23.84%，P₂O₅分配比由0.96增加到2.92，分離的非磁性物占爐渣總量的65.43%，渣中74.46%的磷進入收集的非磁性物中，實現了絕大部分磷元素的回收利用.

檸檬酸鉛在檸檬酸鈉溶液中溶解行為

何東升, 李巧雙, 楊典奇, 楊聰, 王賢晨, 楊家寬

2014, 36(8): 1020-1024. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.005

[摘要](354)

[PDF 382KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過氧化鉛與檸檬酸反應制備了檸檬酸鉛，考察了溶解時間、溶解溫度、檸檬酸鈉濃度和檸檬酸加入量對檸檬酸鉛在檸檬酸鈉溶液中溶解率的影響.結果表明：溫度、檸檬酸鈉濃度及檸檬酸加入量是主要影響因素，升高溫度和提高檸檬酸鈉濃度可顯著提高檸檬酸鉛溶解率；溫度和溶解率呈正線性關系，擬合的線性方程為Y=0.76+0.63T；加入檸檬酸則對檸檬酸鉛溶解有抑制作用.

Ti-IF鋼凝固過程中TiN的析出機理和規律

王金永, 劉建華, 劉建飛, 馮美蘭, 周明偉, 廖志, 賈友生

2014, 36(8): 1025-1031. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.006

[摘要](229)

[PDF 582KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
結合冶金熱力學和凝固偏析模型分析了Ti-IF鋼凝固過程中TiN的析出特點.Ti-IF鋼凝固前期鋼液中TiN夾雜無法生成，固相中TiN源自低溫固相析出；凝固固相分數達到0.64時，Ti、N組元在凝固前沿富集程度增加，凝固前沿固相中開始有TiN析出；凝固末期，Ti和N的富集程度進一步增大，固液相中均能有TiN析出.采用掃描電鏡分析了TiN在鑄坯中的分布，從鑄坯表層到中心TiN數量和尺寸存在顯著變化：從鑄坯表層向中心方向TiN尺寸不斷增大，平均尺寸從1-2μm增大到5μm，在距離表層70-80 mm處尺寸達到最大；在鑄坯厚度中間位置，TiN尺寸較大，平均尺寸為5μm左右；在鑄坯中心TiN尺寸又有所變小，平均尺寸為3μm左右；在鑄坯表層TiN密集程度較高，在鑄坯中間和中心TiN數量密集程度顯著降低.IF鋼鑄坯中TiN析出時機及其尺寸和數量與Ti、N組元偏析和凝固冷卻速度關系密切.

鐵素體和珠光體含量影響變形過程的原位研究

段桂花, 張平, 李金許, 宿彥京, 喬利杰

2014, 36(8): 1032-1038. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.007

[摘要](252)

[PDF 840KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
在掃描電鏡下原位觀察了兩種鋼的拉伸變形過程，兩種鋼分別為以鐵素體為主、含少量珠光體的純凈高強鋼和以珠光體為主、含少量先共析鐵素體的車輪鋼.純凈鋼拉伸時，不論試樣厚度滿足平面應變與否，均以鐵素體的滑移變形為主，并最終導致韌性開裂，裂紋連續擴展，少量的珠光體對整個變形斷裂過程幾乎沒有影響；斷口呈現韌窩狀.對于車輪鋼，當試樣厚度很薄不滿足平面應變條件時，盡管先共析鐵素體很少，拉伸時，仍以先共析鐵素體的變形為先導過程，并在先共析鐵素體與珠光體的界面處優先開裂，成為不連續微裂紋，斷口呈現韌窩和準解理兩種混合特征；當試樣厚度滿足平面應變條件時，則以珠光體中滲碳體片層的脆性開裂為主，斷口呈現準解理特征.

曲軸用非調質鋼C38N2的靜態再結晶行為

蔣波, 楊忠, 文成, 張建宇, 王海龍, 劉雅政

2014, 36(8): 1039-1044. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.008

[摘要](285)

[PDF 541KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過熱模擬實驗、光學金相及透射電鏡分析觀察，研究了奧氏體化條件、變形溫度、變形速率、變形量以及道次間隔時間對曲軸用非調質鋼C38N2軋制道次間的靜態再結晶體積分數和殘余應變率的影響規律.實驗結果表明：隨著變形溫度的升高、變形速率的增大、變形量的增大或道次間間隔時間的增長，靜態再結晶的體積分數逐漸升高，道次的殘余應變率逐漸降低；原始奧氏體晶粒尺寸增大，靜態再結晶體積分數降低，但變化不大；在1250℃以下，隨著奧氏體化溫度的升高，靜態再結晶體積分數降低不明顯，但在1250℃以上，奧氏體化溫度的升高明顯降低了靜態再結晶體積分數.通過線性擬合以及最小二乘法，得到靜態再結晶體積分數與不同變形工藝參數之間關系的數學模型；對已有殘余應變率數學模型進行修正，得到含有應變速率項的殘余應變率數學模型，擬合度較好.

Cr35Ni45鋼高溫長期服役過程的氧化與滲碳機理

宋若康, 張麥倉, 彭以超, 杜晨陽, 鄭磊, 姚志浩, 董建新

2014, 36(8): 1045-1051. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.009

[摘要](269)

[PDF 584KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
采用掃描電鏡、電子探針和X射線衍射等手段對不同服役時間（原始態、1.5a和6a）Cr35Ni45乙烯裂解爐管內壁的氧化與滲碳機理進行了系統分析.結果表明：高溫長時服役后爐管內壁出現了氧化層、碳化物貧化區和碳化物富集區三個區域，其氧化行為包括Cr₂O₃外氧化和SiO₂內氧化，且服役過程中外氧化膜發生反復破壞和重建；爐管服役過程的滲碳行為主要由內表面結焦引起，外氧化膜的反復破壞可以加重滲碳，但外氧化膜在破壞后能自動修復，所以服役態兩個爐管的滲碳程度較輕；外氧化膜的反復破壞和重建使亞表層貧鉻，導致形成碳化物的臨界碳濃度增加，在內壁亞表層形成貧碳化物區，多余的碳原子在其內側析出，形成碳化物富集區.

合金元素及凝固模式對含氮不銹鋼氮含量的影響

房菲, 李靜媛, 王一德

2014, 36(8): 1052-1059. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.010

[摘要](110)

[PDF 802KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過冶煉實驗研究Mn、Cr和Ni對不銹鋼凝固模式及鑄錠氮含量的影響，探討影響氮含量的關鍵因素，并分析合金元素對鋼液與鑄錠中氮含量影響的相互作用系數的區別.實驗結果表明，影響氮含量的因素主要為鋼液中氮的溶解度和不銹鋼的凝固模式.增加鋼液中氮的溶解度、改變凝固模式由F→FA→AF→A時，不銹鋼的溶氮能力提高，氮氣的溢出量減少，氮含量增加.隨Mn含量增加，鑄錠中氮含量線性增加，而隨Cr和Ni含量增加，氮含量的變化均存在三個特征階段.分析認為：Mn含量變化不改變凝固模式（FA），相互作用系數E_N^Mn為-0.0286，與鋼液中相近；而隨Cr和Ni含量增加，凝固模式分別依次經歷F→FA→AF→A和FA→AF→A模式，相互作用系數E_N^Cr和E_N^Ni非定值，分別為E_N^Cr=-0.046和-0.011，E_N^Ni=-0.011和0.033.

Cr32Ni7Mo3N特級雙相不銹鋼的空蝕行為

何福善, 向紅亮, 顧興, 劉東

2014, 36(8): 1060-1067. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.011

[摘要](126)

[PDF 934KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用磁致伸縮空蝕試驗機對Cr32Ni7Mo3N特級雙相不銹鋼在蒸餾水和人工海水中進行了空蝕實驗，并采用掃描電鏡跟蹤觀察了經不同時間段空蝕后試樣的形貌.通過測量失重繪制了材料的累積失重量和失重率曲線.經電化學工作站測量了材料在靜態與空蝕條件下的極化曲線和腐蝕電位變化.對比分析了Cr32Ni7Mo3N與SAF2205雙相不銹鋼在人工海水的抗空蝕能力.結果表明：Cr32Ni7Mo3N特級雙相不銹鋼空蝕破壞首先在鐵素體薄弱區以及鐵素體和奧氏體相界發生，并向鐵素體內擴展，鐵素體發生解離斷裂脫落；奧氏體隨著空蝕的進行，滑移線增多，顯微硬度值增加，且人工海水中奧氏體顯微硬度值比在蒸餾水中的高；鐵素體大面積破壞后，奧氏體才失穩產生延性斷裂脫落，奧氏體的存在延緩了破壞在整個材料表面上的擴展.空蝕與腐蝕交互影響導致材料在人工海水中加速破壞.Cr32Ni7Mo3N特級雙相不銹鋼在人工海水中的抗空蝕能力優于SAF2205雙相不銹鋼.

溶膠-凝膠技術提高不銹鋼抗高溫氧化及鋁合金陽極氧化膜的耐蝕性能

郭彥飛, 張鯤, 劉莉, 胡琪, 趙君文, 韓靖, 鄭學斌

2014, 36(8): 1068-1076. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.012

[摘要](144)

[PDF 912KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用溶膠-凝膠法在不銹鋼基體表面制備ZrO₂和Al₂O₃涂層，并對鋁合金陽極氧化膜進行封孔處理.采用高溫循環氧化法研究ZrO₂和Al₂O₃涂層抗高溫氧化性能，通過電化學阻抗譜和剝蝕法分析溶膠-凝膠法封孔后鋁合金氧化膜的耐腐蝕性能.結果表明：ZrO₂和Al₂O₃涂層的抗高溫氧化性能隨涂層厚度增加而提高；鋁合金陽極氧化膜的耐腐蝕性能也隨封孔次數的增加而提高，但當封孔處理超過8次后，阻抗值和腐蝕程度基本不隨封孔次數發生變化；實施相同次數封孔處理后，Al₂O₃溶膠的封孔效果略優于ZrO₂溶膠的封孔效果.

交流電流密度對X65鋼在碳酸鹽/碳酸氫鹽溶液中腐蝕行為的影響

朱敏, 杜翠薇, 李曉剛, 劉智勇, 趙天亮, 李瓊, 賈靜煥

2014, 36(8): 1077-1081. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.013

[摘要](114)

[PDF 483KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
通過極化曲線測試、浸泡實驗和表面分析技術研究了不同交流電流密度對X65鋼在碳酸鹽/碳酸氫鹽溶液中腐蝕行為的影響.隨交流電流密度的增加，鈍化區寬度明顯變窄，點蝕擊破電位負移，維鈍電流密度增大，腐蝕速率增加.在低交流電流密度下（<100 A·m^-2），維鈍電流密度、點蝕程度和腐蝕速率均略增加；在高交流電流密度下（≥100 A·m^-2），維鈍電流密度、點蝕程度和腐蝕速率均快速增加.

碳化硼-泡沫鋁雙層復合材料的制備及其防彈性能

岳新艷, 李振楠, 郭冠宇, 茹紅強

2014, 36(8): 1082-1086. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.014

[摘要](122)

[PDF 526KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱壓燒結制備的碳化硼陶瓷和發泡法制備的泡沫鋁，經環氧樹脂黏結后制備得到碳化硼-泡沫鋁雙層復合材料.通過對材料靶板進行實彈靶試試驗，著重研究和分析了該雙層復合材料的防彈性能.靶試試驗中，使用口徑分別為7.62mm和12.7 mm的穿甲燃燒彈，沖擊速度約820 m·s^-1，射擊距離為10m.試驗結果表明：碳化硼-泡沫鋁雙層復合材料對7.62mm口徑穿甲燃燒彈具有較好的防護能力，其防護系數范圍為5.06-5.12.

設備與能源

油泵齒輪軸精鍛成形工藝研究及缺陷分析

王寶雨, 左斌, 楊樂毅, 李智, 鄭明男

2014, 36(8): 1087-1093. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.015

[摘要](107)

[PDF 679KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對油泵齒輪軸特殊形狀設計了齒輪軸精鍛模具.通過有限元仿真和精鍛實驗研究了齒輪軸成形過程和金屬流動規律.分析了對油泵齒輪軸精鍛工藝中產生齒形角隅填充不滿缺陷的原因：角隅填充是成形終了時成形載荷陡增的主要原因之一，由于齒輪軸精鍛模具結構的特殊性，其強度無法滿足齒形角隅填充所需高成形載荷的需要.基于角隅填充狀況，提出了齒形端面斜面分流和環形槽分流，并對傳統精鍛工藝和兩種分流鍛造工藝進行了有限元仿真.分析結果表明兩種分流方法均能有效減小齒形角隅填充時金屬流動阻力，保證齒形良好填充，降低成形載荷，并且斜面分流優于環形槽分流.鍛造實驗驗證了有限元仿真的準確性.

W型輻射管低NO_x排放的數值研究

馮俊小, 姜敏, 曹亞平, 陳艷梅, 吳啟明, 向順華

2014, 36(8): 1094-1100. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.016

[摘要](119)

[PDF 587KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為解決W型輻射管NO_x排放過高的狀況，運用數值計算的方法，研究了具有兩級空氣分級的W型輻射管NO_x排放情況，經驗證，模型可靠.探討了不同稀釋劑、分級稀釋以及高溫稀釋情況下對NO_x排放的影響規律.分析以N₂和CO₂作為稀釋劑的區別，發現以CO₂作為稀釋劑更能抑制NO_x生成，在保證火焰穩定的情況下適當增加稀釋體積分數可以使出口NO_x降低到4×10^-5以下.通過采用分級稀釋，發現二級風與一級風相比，更能減少NO_x排放.通過高溫預熱空氣添加稀釋劑的模擬，發現即使空氣預熱溫度達到1000℃以上，也可以通過增加稀釋體積分數將出口NO_x控制排放在1×10^-4以下.

沼氣提純過程中二乙醇胺溶液吸收二氧化碳的影響因素

魏廣飛, 劉應書, 張輝, 李虎, 李小康, 劉洋

2014, 36(8): 1101-1107. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.017

[摘要](130)

[PDF 440KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用交互作用正交試驗設計，系統研究了進液流量、進氣流量、CO₂體積分數、進液溫度及其交互作用對填料塔中二乙醇胺溶液吸收CO₂的轉化率η和氣相總體積傳質系數K_Ga_e的影響.經過直觀分析和方差分析，評價了各參數對η和K_Ga_e影響的顯著程度.實驗發現進液流率、進氣流率、CO₂體積分數、進液溫度，以及CO₂體積分數與進氣流率、進液溫度與進液流率、進液溫度與進氣流率的交互作用對η影響顯著；進液流率、進氣流率、CO₂體積分數、進液溫度、CO₂體積分數與進氣流率的交互作用以及進液溫度與進氣流率的交互作用對K_Ga_e影響顯著；進氣流率增加，η降低而K_Ga_e增加；進液流率增加，η和K_Ga_e均增加；進氣CO₂體積分數增加，η和K_Ga_e均降低；進液溫度升高，η和K_Ga_e均呈先增加后減小趨勢.

基于卡爾曼濾波的遲滯神經網絡風速序列預測

李艷晴, 修春波, 張欣

2014, 36(8): 1108-1114. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.018

[摘要](170)

[PDF 498KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
通過將遲滯特性引入神經元激勵函數的方式，構造了一種前向型遲滯神經網絡模型.結合卡爾曼濾波方法，將其應用于風速時間序列的預測分析中.在原始風速時間序列的基礎上，構造出風速變化率序列.采用遲滯神經網絡分別對兩種序列進行預測分析，并將預測結果利用卡爾曼濾波方法進行融合，從而得到最優預測估計結果.仿真實驗結果表明，遲滯神經網絡具有更加靈活的網絡結構，能夠有效改善網絡的泛化能力，預測性能優于傳統神經網絡.采用卡爾曼濾波方法對預測結果進行融合后能夠進一步提高預測精度，降低預測誤差.

控制與決策

采礦方法優選多目標決策一致性組合權重研究及應用

譚玉葉, 宋衛東, 李鐵一, 夏鴻

2014, 36(8): 1115-1122. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.019

[摘要](138)

[PDF 447KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以金山店鐵礦充填采礦法優選為工程背景，將采礦方法優選視為多目標決策的系統工程問題來處理.綜合考慮技術、經濟、資源利用、勞動效率、安全、環境等多方面因素，構建了較為全面的采礦方法優選多目標決策指標體系.分別采用層次分析法、模糊判斷矩陣及Delphi法對決策指標進行賦權，得到了三組單一權重.在此基礎上，通過Kendall非參數檢驗及Spearman等級相關性分析，確定了各賦權方法的相關程度，得到了較為合理的采礦方法優選多目標決策指標的組合權重，并基于組合權重，采用模糊多目標決策確定了最優采礦方法為分段空場嗣后充填法.本文采用的組合權重賦權方法較好地解決了多目標決策時指標權重的分配問題，提高了采礦方法優選指標權重確定的合理性及科學性.

具有時變時滯的變采樣周期網絡控制系統的穩定性分析

趙立英, 竇立亞, 劉賀平

2014, 36(8): 1123-1127. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.08.020

[摘要](106)

[PDF 351KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
研究了一類具有時變時滯和變采樣周期的網絡控制系統的穩定性問題.網絡控制系統被建模為等效的具有輸入時滯的系統，通過構造一個新的具有不連續項的Lyapunov泛函，給出了線性矩陣不等式作為使得閉環系統指數穩定的充分條件.通過求解這些線性矩陣不等式，可以找到一個常數作為采樣時刻和輸入更新時刻之間的上界，保證閉環系統的穩定性.數值仿真算例表明，該方法有效且相比已有文獻局限性更小.