工程科學學報

全尾砂膏體流變學研究現狀與展望（上）：概念、特性與模型

2020-07-01

膏體充填為礦產資源的深部開采及可持續發展提供了安全、綠色、高效的技術保障，已成為礦業領域的研究熱點和發展趨勢之一。全尾砂膏體流變學是膏體充填全套工藝流程的重要理論基礎，深刻影響著膏體充填技術的發展。本文從膏體的內涵出發，系統性地論述了膏體流變學研究的必要性、特殊性及復雜性。并以膏體流變實驗結果為基礎，分析了全尾砂膏體的典型流變特性及最新研究成果。總結了常用的屈服型非牛頓流體流變模型，并探討了常用流變本構方程對膏體料漿的適用性，對其實際應用提出合理建議。同時對膏體流變特性的關鍵影響因素進行了概述。根據膏體流變學的研究現狀，歸納總結并提出了膏體流變學研究的重點與難點，指出現階段膏體流變學須從測試標準、本構方程、微觀機理及工程應用等方面深入研究。

工程科學學報. 2020 42(7): 803-813. Published 2020-07-01

Fe?Mn?Al?C系中錳鋼的研究現狀與發展前景

2020-07-01

隨著汽車保有量的提高，能源消耗和環境問題對汽車用鋼提出了輕量化的要求。目前正在發展的第三代汽車用鋼的研究思路是將加入輕量元素以“輕”和增強增塑以“薄”相結合。Fe?Mn?Al?C系中錳鋼作為第三代汽車用鋼的主要組成部分，是當今的研究熱點之一。本文總結了近些年國內外Fe?Mn?Al?C系中錳鋼的研究文獻，從生產成本、力學性能等方面介紹了Fe?Mn?Al?C系中錳鋼的優勢。從成分設計、工藝設計、組織特征、變形及斷裂機制等多個方面出發，對文獻進行分析，總結出了合金成分、工藝路線和組織特征對性能的影響規律。闡述了奧氏體層錯能及其穩定性對中錳鋼變形機制，尤其是相變誘導塑性（TRIP效應）的影響規律。最后對目前Fe?Mn?Al?C系中錳鋼研究過程中存在的爭議問題進行了總結，展望了未來的發展趨勢，以期為中錳鋼的后續研究和實際生產提供參考。

工程科學學報. 2020 42(7): 814-828. Published 2020-07-01

不同粗骨料對膏體凝結性能的影響及配比優化

2020-07-01

甘肅金川銅鎳礦似膏體充填料漿水化凝結時間遲緩、粗骨料離析程度大，嚴重影響充填漿體的質量。本文以金川二礦區全尾砂、廢石和棒磨砂為實驗材料，采用全面實驗設計法，研究不同質量分數、粗骨料及尾骨比（全尾砂與粗骨料質量比）對膏體充填凝結性能、抗壓強度和流變特性的影響規律。實驗結果表明：全尾砂–粗骨料膏體中，粗骨料的比表面積和化學成分（活性MgO和CaO）是影響凝結時間的主要因素；凝結時間隨尾骨比增加而縮短，屈服應力隨尾骨比增加而增加，塑性黏度（全尾砂–廢石、全尾砂–棒磨砂膏體）隨尾骨比增加而增加；全尾砂–廢石膏體抗壓強度優于全尾砂–廢石–棒磨砂膏體抗壓強度；最短凝結時間及最佳抗壓強度（全尾砂–廢石膏體、尾骨比5∶5）比礦用凝結時間和抗壓強度分別縮短2.1 h和增加33%以上。最后對凝結性能進行單目標及多目標回歸優化，多目標回歸優化表明：全尾砂–廢石–棒磨砂膏體最佳凝結時間為270～300 min、尾骨比10∶6∶6～10∶7∶7、屈服應力為167.0～169.0 Pa；全尾砂–棒磨砂膏體最佳凝結時間為300～330 min、尾骨比10∶14～10∶16、屈服應力為164.0～167.0 Pa，滿足礦山生產要求。

工程科學學報. 2020 42(7): 829-837. Published 2020-07-01

CaO對海濱鈦磁鐵礦精礦直接還原?磁選工藝中還原氣氛的影響

2020-07-01

以鐵品位為58.58%、TiO<sub<2</sub<品位為12.04%的海濱鈦磁鐵礦精礦為試樣，進行煤基直接還原–磁選試驗。從反應產生的CO和CO<sub<2</sub<氣體組成、總反應的氣化速率、CO分壓值、金屬化率、礦物組成等角度進行分析，查明了CaO在海濱鈦磁鐵礦精礦直接還原?磁選工藝中的作用機理。研究結果表明，CaO可以提高還原劑的氣化速率，促進鈦磁鐵礦的還原，增加CO<sub<2</sub<氣體的產生量，從而降低CO分壓值。同時發現CaO可以參與固固反應，降低含鈦礦物中的FeO含量，也有利于鈦、鐵組分的遷移和富集，促進金屬鐵顆粒的聚集長大。因此，添加CaO有利于通過磨礦?磁選促進鈦鐵分離與回收。

工程科學學報. 2020 42(7): 838-845. Published 2020-07-01

RH精煉過程中吹氧量對IF鋼潔凈度的影響

2020-07-01

無間隙原子鋼（IF鋼）主要用于汽車、家電等行業，除需要極低的C、N含量外，對最終產品的表面質量也有嚴格要求。鋼中O含量和夾雜物對產品的表面質量影響很大。快速降低鋼中C含量、同時保證鋼的高潔凈度是非常重要的。為此，通過在Ruhrstahl Hereaeus（RH）精煉?連鑄過程密集取樣，采用ASPEX掃描電鏡詳細研究了RH吹氧強制脫碳工藝下吹氧量對IF鋼潔凈度的影響。結果表明，本實驗條件下，吹氧量對精煉?連鑄過程中夾雜物的類型和形貌沒有影響。吹氧量對RH精煉前期（加Al后4 min內）鋼液潔凈度影響較大，而對后期生產過程中鋼液的潔凈度影響不大；精煉前期，吹氧量高，鋼液中總氧（T.O）含量和夾雜物的量增加。簇群狀夾雜物主要出現在RH破空之前，真空精煉結束后鋼液中很難發現簇群狀夾雜物。中間包鋼液潔凈度與RH吹氧量相關性不大，而與加Al脫氧前鋼液中O含量相關性很大，加Al脫氧前鋼液中O含量高，中間包鋼液潔凈度差；為提高中間包鋼液的潔凈度，應盡量減少加Al脫氧前鋼液中的O含量。隨著生產的進行，鋼液中T.O含量、夾雜物的量呈下降趨勢，潔凈度逐漸提高。

工程科學學報. 2020 42(7): 846-853. Published 2020-07-01

轉爐吹煉后期碳含量預報的改進指數模型

2020-07-01

介紹了幾種主要的轉爐煙氣分析碳含量預報模型，并分析了其中的指數衰減模型及其三種改進算法的基本原理和優缺點。在綜合三種模型優點的基礎上，提出了基于“極限碳含量擬合+曲線同步更新”算法的改進指數模型。首先，利用歷史爐次吹煉后期的脫碳氧效率和碳含量數據，通過指數擬合得到“歷史脫碳曲線”和極限碳含量參數；其次，使用當前爐次吹煉中期的最大脫碳氧效率值對“歷史脫碳曲線”的特征參數進行替換，得到當前爐次吹煉后期的“參考脫碳曲線”，再對其進行歸一化處理，得到歸一化的“參考脫碳曲線”；然后，采用多點校正的方法，計算當前爐次吹煉至各等距離校正點時“參考脫碳曲線”的脫碳量，并根據計算脫碳量與轉爐實際脫碳量的偏差，對熔池碳含量及脫碳曲線參數進行計算與校正，得到“計算脫碳曲線”；最后，通過逐次迭代計算對“參考脫碳曲線”和“計算脫碳曲線”進行同步更新，進而實現對轉爐吹煉后期熔池碳含量的精準預報。研究表明，改進的指數模型具有較高的準確率，終點碳含量預報誤差在±0.02%范圍內的命中率達到90%。

工程科學學報. 2020 42(7): 854-861. Published 2020-07-01

連鑄坯脫氫退火數值模擬

2020-07-01

采用數學模擬方法研究鋼軌鋼連鑄坯脫氫退火行為，分析不同退火溫度、退火時間條件下連鑄坯脫氫效果，優化了脫氫退火工藝。在脫氫退火過程中，連鑄坯角部和邊部的氫含量快速降低，而連鑄坯中心氫含量在加熱段后期開始降低；隨著退火溫度的升高，連鑄坯中心脫氫的起始點明顯提前，最大脫氫速率顯著增加。隨著均熱段時間逐漸延長，連鑄坯中心氫含量明顯降低，但脫氫速率的增加幅度逐漸減小。通過優化脫氫退火工藝參數，連鑄坯中心氫的質量分數能夠降低至0.6×10<sup<?6</sup<，脫氫效果顯著。

工程科學學報. 2020 42(7): 862-868. Published 2020-07-01

納米錳方硼石的合成與結構性能表征

2020-07-01

通過溶膠?凝膠（Sol?Gel）法成功合成了納米錳方硼石并對其進行了稀土Eu<sup<3+</sup<摻雜。使用X射線衍射、透射電子顯微鏡和高分辨透射電子顯微鏡等表征了錳方硼石晶體結構，并通過熒光光譜測試對其發光性能進行了研究。結果表明：合成納米錳方硼石為粒徑小于50 nm的球狀顆粒，與天然錳方硼石的物相結構相同，屬于斜方晶系，與尖晶石類似，（010）晶面的晶面間距為0.8565 nm。在490 nm激發光激發下，天然錳方硼石、合成錳方硼石和稀土Eu<sup<3+</sup<摻雜錳方硼石晶體中的Mn<sup<2+</sup<發光，其中發綠光的Mn<sup<2+</sup<在晶體中占據四面體格位中心，發紅光的Mn<sup<2+</sup<在晶體占據八面體格位中心。合成的錳方硼石隨激發波長變長，產生發射光譜的紅移現象，有利于實現冷暖發光轉換；在稀土Eu<sup<3+</sup<摻雜的納米錳方硼石光譜的發光強度得到了提升。

工程科學學報. 2020 42(7): 869-874. Published 2020-07-01

摻雜氧化鋁對納米鎢粉燒結過程的影響

2020-07-01

以碳熱預還原和氫氣深還原兩步制備的納米鎢粉作為燒結原料，即先通過碳黑還原脫除三氧化鎢中的大部分氧，再以氫還原脫除殘留的氧。該方法制備的鎢粉顆粒呈球形形貌，平均晶粒度可達90 nm。同時，向鎢粉中摻雜質量分數為1%和2%的氧化鋁，探究了氧化鋁對鎢粉燒結行為的影響。通過燒結樣品的斷口形貌和晶粒的平均尺寸分析發現，氧化鋁對燒結后期的晶粒長大有明顯的抑制作用，相同的燒結溫度下晶粒的尺寸隨著氧化鋁含量的上升而減小。在1600 ℃時，純鎢粉燒結坯的晶粒平均尺寸為2.75 μm，但添加質量分數為1%和2%氧化鋁的燒結樣品晶粒平均尺寸約為1.5 μm，這是由于氧化鋁能有效地抑制燒結后期的鎢粉晶粒長大。純鎢粉和摻雜氧化鋁鎢粉的燒結坯的硬度隨溫度升高具有不同的趨勢。摻雜鎢粉燒結坯的硬度隨著溫度的升高而升高，且其最大值高于800 HV。但是，純鎢粉燒結坯的硬度隨燒結溫度增加而先增加后降低，在1400 ℃時取得最大值（473.6 HV），這是由純鎢粉燒結坯的晶粒在高溫下急劇長大所導致。在燒結溫度為1600 ℃時，純鎢粉、摻雜質量分數1%和2%的氧化鋁摻雜的鎢粉的燒結坯的相對密度依次為98.52%、95.43%和93.5%。

工程科學學報. 2020 42(7): 875-883. Published 2020-07-01

無煙煤制備高性能鋰離子電池負極材料的研究

2020-07-01

以我國資源豐富的低成本優質無煙煤為原料，經過2800 ℃高溫純化、石墨化處理，制備出鋰電池用負極材料，用相同手段處理商業化石墨的前體石油焦與石墨化無煙煤作對比。通過X射線衍射（XRD），掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM），拉曼光譜（Roman）和氮吸附?解吸等手段對無煙煤基負極材料進行微觀結構的表征。采用恒流充放電（GCD），循環伏安（CV）表征其電化學性能。實驗結果表明，無煙煤基石墨化負極材料的石墨化度可達95.44%，比表面積為1.1319 m<sup<2</sup<·g<sup<?1</sup<，石墨片層結構平整光滑。該石墨化無煙煤作為鋰離子電池的負極材料首次庫倫效率為87%，在0.1C的電流密度下具有345.3 mA·h·g<sup<?1</sup<的可逆容量，且在高倍率下該材料比石墨化石油焦材料顯現出更好儲鋰性能，這歸功于石墨化無煙煤較為規則高度有序的表面結構。在不同倍率循環后電流密度恢復到0.1C時容量基本無衰減，100圈循環后可逆容量保持率高達93.8%，基本與石墨化石油焦負極相當，擁有優異的循環穩定性。無煙煤基石墨在容量、倍率性能及循環穩定性上基本接近甚至超過石墨化石油焦。本研究表明，采用優質無煙煤作為原料生產鋰離子電池負極材料具有潛在的研究價值和廣闊的商業前景。

工程科學學報. 2020 42(7): 884-893. Published 2020-07-01

交流干擾下X100管線鋼及其熱影響區在庫爾勒土壤模擬液中的腐蝕行為

2020-07-01

通過Gleeble熱模擬實驗機模擬了X100管線鋼的粗晶熱影響區（CGHAZ）及再熱臨界粗晶熱影響區（ICCGHAZ）微觀組織。采用電化學測試、浸泡實驗及表面分析技術研究了交流干擾下X100管線鋼母材、CGHAZ及ICCGHAZ在庫爾勒土壤溶液中的腐蝕行為。結果表明：交流干擾下X100管線鋼母材、CGHAZ及ICCGHAZ都表現為活性溶解，平均腐蝕速率隨交流電流密度的增大而增加。交流干擾造成的極化電位振蕩幅值及微觀組織對X100管線鋼母材、CGHAZ及ICCGHAZ的平均腐蝕速率和腐蝕形貌有著重要影響。在5 mA·cm<sup<?2</sup<交流電流密度干擾下，母材的腐蝕電位最負、平均腐蝕速率最大，ICCGHAZ的腐蝕電位最正、平均腐蝕速率最小，CGHAZ的腐蝕電位及平均腐蝕速率都居中；在20 mA·cm<sup<?2</sup<及50 mA·cm<sup<?2</sup<交流電流密度干擾下，ICCGHAZ腐蝕電位最負、平均腐蝕速率最大，母材的腐蝕電位最正、平均腐蝕速率最小，CGHAZ的腐蝕電位及平均腐蝕速率都仍居中。在20 mA·cm<sup<?2</sup<交流電流密度交流干擾下，X100管線鋼發生局部腐蝕，CGHAZ、ICCGHAZ發生明顯的晶界腐蝕，GCHAZ晶界腐蝕形貌呈縫隙狀、ICCGHAZ晶界腐蝕形貌為連續孔洞。

工程科學學報. 2020 42(7): 894-901. Published 2020-07-01

鉬鎢釩合金化熱作模具鋼高溫回火組織演變

2020-07-01

為適應熱沖壓技術的發展需求，開發了一種新型高熱導率高耐磨性能熱沖壓用模具鋼材料。采用掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）等檢測手段對鉬鎢釩合金化新型模具鋼的高溫回火性能與組織特征進行了研究。闡明了新型熱沖壓模具鋼回火過程碳化物析出與演變規律。實驗結果表明：實驗用鉬鎢釩合金化模具鋼材料具有良好的回火二次硬化性能，在500～600 ℃溫度區間回火時，回火組織硬度上升；在600 ℃回火出現二次硬化峰值；當回火溫度超過600 ℃后，組織軟化程度明顯，回火硬度開始下降。實驗模具鋼在高溫回火過程中的硬度變化與其合金碳化物的偏聚、析出和聚集長大密切相關。當在560 ℃以下回火時，實驗鋼組織中未有合金碳化物析出；當回火溫度大于560 ℃時，回火組織中開始析出M<sub<2</sub<C型碳化物；當回火溫度高于600 ℃后開始析出MC型碳化物；當在620 ℃長時間回火后M<sub<2</sub<C型碳化物轉化為M<sub<6</sub<C型碳化物，此時實驗鋼硬度開始明顯下降；而當回火溫度高于660 ℃時，新型實驗鋼組織中主要為M<sub<6</sub<C和MC型合金碳化物。

工程科學學報. 2020 42(7): 902-911. Published 2020-07-01

高潔凈度齒輪鋼中非金屬夾雜物的檢測方法

2020-07-01

研究了一種方便可靠的夾雜物評估方法：利用合適電化學充氫后的拉伸試樣獲取夾雜物并與極值統計法相結合估算不同體積鋼中非金屬夾雜物的最大尺寸并預測疲勞強度。研究選用工業生產的高潔凈度20Cr2Ni4A齒輪鋼，將淬火+低溫回火態的標準拉伸試樣進行電化學充氫，使拉伸斷口由于氫脆現象存在一些以粗大非金屬夾雜物為中心的脆性平臺，從而可方便快捷地在掃描電子顯微鏡下對夾雜物的類型、尺寸和分布進行檢測，并利用極值統計法對鋼中的最大夾雜物尺寸進行評估。為了驗證該方法的準確性，采用傳統金相法和旋轉彎曲疲勞試驗對鋼中非金屬夾雜物進行了檢測，結果表明，使用本文所提出的夾雜物評估方法預測的鋼中最大夾雜物尺寸及疲勞強度與疲勞試驗結果相吻合。因此，該方法有望成為預測高潔凈度高強度鋼中最大夾雜物尺寸及其疲勞強度的一種有效方法。

工程科學學報. 2020 42(7): 912-921. Published 2020-07-01

基于圖像混合核的列生成PM<sub<2.5</sub<預測

2020-07-01

傳統PM<sub<2.5</sub<預測方法獲取污染物濃度數據需要大型精密儀器，成本較高。本文嘗試利用圖像數據進行PM<sub<2.5</sub<濃度預測。大氣PM<sub<2.5</sub<濃度的變化與圖像的暗通道強度、對比度和HSI（Hue-saturation-intensity）顏色差異有密切聯系。大氣中PM<sub<2.5</sub<濃度的升高會導致非天空區域的暗通道強度值下降，圖像對比度下降和HSI空間顏色差異變小。通過分析PM<sub<2.5</sub<濃度與圖像特征的關系，提出了一種基于圖像混合核的列生成空氣質量PM<sub<2.5</sub<預測模型。首先，以1 h為采樣周期，每日8:00～17:00為采樣范圍，采集多種天氣條件下的景物圖像，提取圖像的對比度、暗通道強度和HSI顏色差異共5個圖像特征。其次，數據存在樣本規模大、樣本不平坦分布等特點，單個核函數構成的預測模型難以滿足預測精度需求，因此本文按照核結構從簡單到復雜的原則，選擇線性核函數、多項式核函數和高斯核函數三種核函數建立組合模型。然后計算每個核基于訓練樣本的Gram矩陣，并將所有Gram矩陣并列成一個混合核矩陣。利用列生成算法和混合核矩陣建立預測模型，求解模型參數。最后，進行仿真實驗，實驗結果表明本文提出的可滿足預測精度要求，與單核預測模型相比，該預測模型預測精度更高，模型穩定性更好。計算復雜度分析結果顯示基于圖像混合核的列生成模型與單核預測模型相比計算量無明顯增加。

工程科學學報. 2020 42(7): 922-929. Published 2020-07-01

用戶屬性感知的移動社交網絡邊緣緩存機制

2020-07-01

針對數據流量爆發式增長所引發的網絡擁塞、用戶體驗質量惡化等問題，提出一種用戶屬性感知的邊緣緩存機制。首先，利用隱語義模型獲知用戶對各類內容的興趣度，進而估計本地流行內容，然后微基站將預測的本地流行內容協作緩存，并根據用戶偏好的變化，將之實時更新。為進一步減少傳輸時延，根據用戶偏好構建興趣社區，在興趣社區中基于用戶的緩存意愿和緩存能力，選擇合適的緩存用戶緩存目標內容并分享給普通用戶。結果表明，所提機制性能優于隨機緩存及最流行內容緩存算法，在提高緩存命中率、降低傳輸時延的同時，增強了用戶體驗質量。

工程科學學報. 2020 42(7): 930-938. Published 2020-07-01