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

郵發代碼：82-303

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2014年第36卷第9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

采動條件下底板潛在導水通道形成的微震監測與數值模擬

劉超, 吳順川, 程愛平, 周喻, 師克勐, 李健

2014, 36(9): 1129-1135. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.001

[摘要](251)

[PDF 48KB](12) [施引文獻] ()

摘要:

以某礦綜放工作面開采過程為背景，利用微震監測技術進行現場監測，并借助有限差分FLAC^3D進行數值分析，研究在采動應力場不斷變化過程中底板巖體微震破裂事件的時空演化規律，揭示煤層采動條件下潛在導水通道的孕育、發展和貫通過程.微震監測結果表明：微震事件數一定程度上反映了開采擾動對底板巖體破壞程度的影響；采煤期間，回采工作面附近微震事件呈現密集分布，底板巖體采動破壞嚴重，底板破裂深度達15 m.數值分析表明：由于煤層采動導致采場周圍應力重分布，工作面前方應力增高，采空區下方應力降低，底板巖體隨工作面回采經歷了應力集中、釋放并最終破壞；底板塑性破壞區深度達14 m.

復雜采空區激光多點探測及點云拼接與精簡

熊立新, 羅周全, 羅貞焱, 齊飛翔

2014, 36(9): 1136-1142. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.002

[摘要](238)

[PDF 1902KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對復雜采空區激光探測中存在探測“盲區”和點云數據分布不均的問題，研究激光多點掃描和點云數據拼接與精簡方法.通過多點探測避免了單次探測“盲區”，加密了數據稀疏區.提出了基于公共坐標和最小二乘法的靶標矩陣轉換方法，實現了多點探測點云的拼接.統計了點云密集區的分布規律；對密集散亂點云，提出了沿y軸方向分層剖分，層內數據以x和z坐標極值分區，區內每點以x值排序后依步長篩選的精簡算法.大型貫通采空區驗證表明：基于最小二乘法的拼接算法最優，誤差范圍在0.1 mm左右；數據精簡率為15%-25%，確保了邊界三維信息的完整性.

采空區體積三角網模型剖面的微積分算法

羅周全, 張文芬, 鹿浩, 許士民

2014, 36(9): 1143-1148. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.003

[摘要](249)

[PDF 1170KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確獲取采空區空間體積，以采空區三維激光掃描系統探測到的原始數據為依據，提出采空區體積的三角網模型微積分算法.算法首先確定模型剖切的主軸方向，用一組等間距平行面對模型進行相切并獲得剖面的無序點集，運用所提出的凸包壓入法生成采空區剖面的初始邊緣輪廓線；再將初始邊緣輪廓線內的其他交點添加到剖面中，形成完整的采空區剖面形態；最后利用平面三角形有向面積疊加計算剖面面積，將剖面面積與微小間距進行積分獲取采空區的體積.工程應用表明，所研究的采空區體積算法穩定性好，精度高，可實現對復雜采空區體積的有效計算.

全尾砂膠結充填體的強度敏感性及破壞機制

付建新, 杜翠鳳, 宋衛東

2014, 36(9): 1149-1157. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.004

[摘要](239)

[PDF 48KB](13) [施引文獻] ()

摘要:

以大冶鐵礦全尾砂為原材料，采用水泥為膠結材料制作全尾砂膠結充填體，采用單因素五水平設計試驗，研究了全尾砂膠結充填體強度與料漿中固相質量分數、灰砂配比及齡期之間的關系，并對敏感性進行了分析.膠結充填體強度隨著料漿中固相質量分數的增加遵循指數函數增長，隨灰砂配比的增加呈線性增長，隨齡期增加遵循指數函數的增長，其中膠結充填體強度對齡期的敏感性最高，料漿中固相質量分數次之，灰砂配比最弱.膠結充填體抗壓破壞試驗結果顯示，充填體的破壞經歷了四個階段，分別為微裂隙閉合階段、線彈性階段、微裂紋擴展階段及裂紋貫通破壞階段.

尾礦庫隱患及風險演化系統動力學模擬與仿真

趙怡晴, 覃璇, 李仲學, 唐良勇

2014, 36(9): 1158-1165. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.005

[摘要](321)

[PDF 1852KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對礦山尾礦庫危害問題，構建了尾礦庫事故隱患關聯的復雜網絡，給出了尾礦庫隱患狀態及風險演化的系統動力學模型，并結合礦山尾礦庫案例進行了應用分析.結果表明，通過隱患關聯的復雜網絡法、隱患轉移的三態法以及風險演化的系統動力學模型的巧妙結合，能夠明確地表征尾礦庫事故隱患及風險演化規律，包括隱患作用關系、遞演途徑、風險程度等.成果應用于臨鋼980溝尾礦庫，仿真結果與980溝尾礦庫事故發展規律的實際情況吻合較好，說明所建模型可有效表征尾礦庫潰壩事故演化的時空規律和風險程度，預測危險的發生.

冶金與材料

含碳球團直接還原熔分機理

寧曉宇, 薛慶國, 王廣, 丁閃, 佘雪峰, 王靜松

2014, 36(9): 1166-1173. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.006

[摘要](273)

[PDF 2427KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了探究含碳球團還原熔分機理，將分析純的Fe₂O₃、氧化物和不同還原劑固結成球并進行等溫還原實驗，研究了溫度、還原時間、配碳量、還原劑種類等條件對球團還原熔分行為的影響.進一步采用X射線衍射、掃描電子顯微鏡等手段表征了含碳球團在不同還原時間的微觀結構及物相變化.實驗結果表明：焙燒溫度過低或過高含碳球團都不能良好熔分，配碳量增加可以提高球團還原和熔分速率，適宜的溫度、碳氧摩爾比、還原劑分別是1400℃、1.2和煤粉.含碳球團還原熔分包括直接還原反應、間接還原反應、碳的氣化反應、滲碳反應和鐵的熔化反應，最后實現渣鐵分離.

IF鋼中含Ti夾雜物的衍變規律

隋亞飛, 孫國棟, 趙艷, 王燦國, 郭敏, 張梅

2014, 36(9): 1174-1182. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.007

[摘要](270)

[PDF 2525KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
系統研究了Ti-IF鋼冶煉過程和鑄坯中含Ti夾雜物的組成、分布與微觀形貌，揭示了含Ti夾雜物的衍變規律.熱力學分析和實驗結果表明：在IF鋼冶煉過程中無TiN生成，含Ti夾雜物的存在形式是以TiO₂為主的鈦氧化物結合其他氧化物的復合夾雜：而在連鑄凝固過程中，由于鋼液溫度降低和元素的偏析作用，TiN夾雜以異質形核的方式生成.IF鋼鑄坯中非金屬夾雜物主要是大尺寸Al₂O₃顆粒和存在中間過渡層的TiN—Al₂TiO₅-Al₂O₃復合夾雜物，其形核長大過程是[Al]、[Ti]和[O]先在細小的Al₂O₃顆粒上反應生成一層Al₂TiO₅，然后TiN在Al₂TiO₅表面形核長大.根據連鑄過程和鑄坯中含鈦夾雜物的研究得出，Ti-IF鋼鑄坯中TiN夾雜難以去除，但是可以使其變性以實現對鋼中含鈦夾雜物的控制.

Ti-MO低碳超高強鋼中相間析出強化

汪小培, 趙愛民, 趙征志, 黃耀, 耿志達

2014, 36(9): 1183-1188. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.008

[摘要](274)

[PDF 2326KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
在不同溫度下對Ti-Mo低碳鋼進行等溫轉變，對熱軋板進行力學性能檢測，利用掃描電鏡、透射電鏡、選區電子衍射等方法進行組織觀察，同時分析了相間析出粒子的形貌、尺寸和分布規律.結果顯示，隨著等溫溫度降低，鋼的強度提高，延展性降低，屈強比增大.在透射試樣中觀察到兩種不同形態分布的相間析出碳化物：平面型相間析出和曲面型相間析出.相間析出碳化物的平均直徑為4.30nm，平均縱橫比為1.375.在650℃等溫保溫1 h時，相間析出強化對鐵素體相強度的增量在400MPa以上.

CSP流程試制50W270高牌號無取向硅鋼織構的演變

唐偉, 項利, 仇圣桃, 王建軍

2014, 36(9): 1189-1194. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.009

[摘要](265)

[PDF 1656KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了CSP流程試制50W270高牌號無取向硅鋼熱軋→常化→冷軋→退火過程中織構的演變.利用電子背散射衍射技術對全流程織構進行測量和分析.發現熱軋板織構在厚度方向上存在較大差異，表層主要為銅型、黃銅和高斯織構，1/4層存在微弱的高斯織構和旋轉立方織構，中心層以γ纖維織構和旋轉立方織構為主，還含有較弱的α纖維織構.與熱軋板相比，常化板表層和1/4層織構變化不大，中心層旋轉立方織構和α纖維織構增強.冷軋板各層均具有α纖維織構和γ纖維織構.與冷軋板相比，成品板各層中α纖維織構基本消失，還出現了立方織構和高斯織構.

ODS-310合金的高溫氧化行為

鄒雷, 周張健, 孫紅英, 張廣明, 張麗偉

2014, 36(9): 1195-1200. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.010

[摘要](144)

[PDF 2604KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用靜態氧化增重實驗及掃描電鏡、能譜分析和X射線衍射分析等手段，研究了ODS-310合金在高溫環境下的氧化行為，分析了氧化層的形貌、成分和物相，并對其高溫氧化動力學曲線進行擬合.實驗發現各個溫度下的氧化動力學曲線均基本符合拋物線規律.在700℃和900℃氧化100 h以后，ODS-310合金均表現出優異的抗氧化性能.但是，當氧化溫度為1100℃時，氧化層厚度明顯增厚，而且氧化層有疏松和不連續的現象，不利于氧化層對基體的保護.氧化程度隨著氧化溫度的提高和氧化時間的延長而加劇.通過能譜和X射線衍射綜合分析可知氧化層的物相為Cr₂O₃.

Ni-Fe-Cr基高溫合金表面AICrN涂層制備及高溫氧化性能

孔德軍, 付貴忠, 張壘

2014, 36(9): 1201-1206. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.011

[摘要](152)

[PDF 1907KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用陰極弧離子鍍法在Ni-Fe-Cr基高溫合金表面制備了AlCrN涂層.通過電子掃描電鏡、能譜儀、X射線衍射儀和X射線光電子譜儀等分析了AlCrN涂層表面和界面的形貌、能譜、物相以及結合能譜，并進行了800和900℃高溫氧化實驗，研究了AlCrN涂層抗高溫氧化性能及其機理.實驗結果表明：AlCrN涂層主要成分為Al、Cr和N元素，添加Al元素后表現出較強的AlN擇優取向；Al2p峰譜為Al—N和Al—O結合鍵，Cr2p峰譜為Cr—O和Cr—N結合鍵，N1s峰譜以Cr—N和Al—N的形態存在，另外含有少量的N—Cr—O和N—Al—O結合鍵；經過高溫氧化后AlCrN涂層表面氧化物為Cr²O³，對高溫合金基體有良好的保護作用.

GH4710合金的相析出特征及其與熱加工塑性損傷的關聯性

張麥倉, 李強, 董建新, 鄭磊, 姚志浩

2014, 36(9): 1207-1214. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.012

[摘要](123)

[PDF 4144KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用Thermal Calc熱力學軟件、光學金相顯微鏡、掃描電鏡等手段分析了GH4710合金原始態和不同條件熱物理模擬變形后的析出相及加工損傷特征，系統研究了析出相特征與該合金熱加工塑性損傷及開裂的關聯性.結果表明：GH4710合金的原始組織主要由γ'、MC及M₂₃C₆碳化物、γ+γ共晶組織組成；熱加工時微孑洞等損傷在MC碳化物及γ+γ共晶組織處形核后沿晶界擴展，最終相互連接導致合金大面積破壞；γ'相優先在MC碳化物及共晶組織附近析出，并通過其共格應力場的作用增加了損傷形核和擴展阻力，使合金在較低溫度下的塑性損傷值明顯小于高溫條件下.

鏑擴滲對燒結釹鐵硼磁體組織結構與磁性能的影響

包小倩, 毛華云, 高學緒

2014, 36(9): 1215-1221. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.013

[摘要](175)

[PDF 2617KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
對比研究了38UH、42SH和N50薄片狀釹鐵硼磁體晶界鏑擴滲前后的組織結構與磁性能，發現經過鏑擴滲處理后磁體的矯頑力提高了400 kA·m^-1以上，而剩磁幾乎不變，最大磁能積因為矯頑力和方形度的提高而提高。經組織結構分析認為，釹鐵硼磁體晶界鏑擴滲提高矯頑力主要是通過提高Nd₂Fe₁₄B晶粒外延層的各向異性和形核場實現的。根據Fick第一擴散定律，對磁體晶界鏑擴滲進行了模擬計算，可近似得到定溫熱處理不同時間后滲鏑深度及對應的鏑的質量濃度及質量分數。

鋯摻雜TiO₂負載錳鈰氧化物低溫催化還原NO_x

盧熙寧, 宋存義, 童震松, 張東輝

2014, 36(9): 1222-1232. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.014

[摘要](122)

[PDF 2564KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用溶膠-凝膠法制備TiO₂、ZrO₂和不同比例TiO₂-ZrO₂等載體，超聲波浸漬負載一定量的Ce-Mn活性組分.通過掃描電鏡、X射線衍射、X射線光電子能譜、傅里葉變換紅外光譜和比表面積（BET）法對催化劑進行表征，并考察催化劑的氨氣低溫催化還原NO_x的活性.結果表明，TiO₂-ZrO₂（3：1，摩爾比）載體為介孔材料，顆粒粒徑較小且高度分散，比表面積高達151 m²·g^-1.由于Zr^4＋取代Ti^4＋摻雜進入TiO₂晶格內，導致其晶格畸變，抑制TiO₂晶型轉變，獲得了良好的熱穩定性，加之活性組分以無定形態存在，催化劑表面存在Ce^3＋/Ce^4＋氧化還原電對，從而提高催化劑的低溫催化還原活性.在550℃下焙燒的催化劑10% Ce（0.4）-Mn/TiO₂-ZrO₂（3：1）的活性最高，其在140℃、體積空速67000 h-1的條件下，NO_x的轉化率達到99.28%.140℃時單獨通入體積分數為10%的H₂O以及同時通入體積分數為10% H₂O和2×10^-4 SO₂，催化劑顯示出較強的抗H₂O和SO₂中毒能力.

鋁用石墨質陰極不同焙燒溫度下孔隙結構演化

李想, 薛濟來, 郎光輝, 朱駿, 張亞楠, 陳通

2014, 36(9): 1233-1240. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.015

[摘要](152)

[PDF 2170KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用圖像分析方法研究鋁用石墨質陰極在不同焙燒溫度下孔隙結構特征及其演變，考察孔隙率、孔徑分布、形狀因子、視孔隙比表面積、連通性等參數的變化規律和孔隙復雜度的分形特征.結果表明：隨著焙燒溫度增加，孔隙率逐漸增大，而視孔隙比表面積、形狀因子和連通性呈先減小后增大趨勢；石墨質陰極試樣不同溫度下焙燒生成孔隙均符合分形規律，借助圖像分析孔隙結構參數和分形維數可界定不同典型焙燒溫度下陰極孔隙結構的演變特征，并據此提出相應的孔隙特征演化模式.

設備與能源

COREX熔融氣化爐內料柱的透液性指數及影響因素

湛文龍, 吳鏗, 徐萬仁, 劉起航, 張家志, 任海亮

2014, 36(9): 1241-1246. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.016

[摘要](128)

[PDF 1580KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
休風時對COREX熔融氣化爐進行風口取樣，通過對風口試樣的檢測分析，用壓差度的倒數表示爐內氣相對料柱透液性的影響，用空隙度和溫度強度的乘積表示爐內的渣鐵液相對料柱透液性的影響，建立了表征熔融氣化爐料柱透液性的公式.對兩批風口試樣的研究發現，熔融氣化爐內不同位置風口試樣的透液性指數與相應位置的滯留鐵比呈現一致的對應關系.進一步分析了透液性指數的影響因素，發現在爐況不順時，未反應完全的酸性脈石直接落入爐缸，導致沿風口徑向部分位置的渣樣熔化溫度高于1500℃，影響了渣鐵流動性.提出了增加料層厚度、采取合理的造渣制度、控制均勻的煤氣流分布等技術措施，為改善熔融氣化爐內料柱的透液性提供幫助.

凝固坯殼對高拉速板坯連鑄結晶器液面特征的影響

鄧小旋, 黃琦, 王新華, 李林平, 季晨曦, 朱國森

2014, 36(9): 1247-1254. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.017

[摘要](132)

[PDF 2606KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用1：1的水模型研究了高拉速條件下凝固坯殼對結晶器內的流場與液面特征的影響.結果表明：考慮凝固坯殼時結晶器內的流場出現了輕微的不對稱現象，在高拉速條件下（2.4 m·min^-1），有坯殼時結晶器液面最大平均波高與表面流速比沒有坯殼時分別大31%和35%.對比有/無坯殼條件下自由液面形狀可知：考慮凝固坯殼之后的液面變形程度比沒有考慮時更大，更易導致卷渣的發生.液面波動的功傅里葉變換分析表明：考慮坯殼之后結晶器液面的高頻率波動的振幅大于無坯殼的情形，所以考慮坯殼之后由于結晶器下部內腔變小，更多的流股能量集中在上回流區，使得上回流的湍流程度比無坯殼時要大，進而導致了液面波動與表面流速的增大.因此，為了縮小與實際連鑄過程的差別，在高拉速的物理模擬中有必要考慮凝固坯殼的影響.

基于多目標遺傳算法的工作輥溫度場計算與分析

居龍, 李洪波, 張杰, 胡超, 張超, 陳良

2014, 36(9): 1255-1259. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.018

[摘要](120)

[PDF 1263KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
等效換熱系數是熱連軋機工作輥溫度場仿真模型的核心輸入參數，多采用遺傳算法優化得到，某1800 mm 熱連軋機存在品種、規格交替軋制，等效換熱系數的準確計算比較困難.選取多組典型工藝條件下的工作輥下機后表面溫度作為優化目標，采用多目標遺傳算法進行優化，并通過改變遺傳算子有效避免了算法早熟及局部收斂等問題，獲取了具有較強適應性的等效換熱系數.仿真和實測數據的對比結果證明了優化模型的可靠性.利用仿真模型分析了主要工藝參數對工作輥熱凸度的影響，并提出同寬交替時，工作輥熱凸度隨軋制進程呈指數變化，而在品種、規格交替編排軋制工藝下相鄰帶鋼軋制時工作輥熱凸度存在6-21.8μm 的波動，且隨軋制進程趨于穩定.

控制與決策

多Agent聯合滅火救援作戰仿真

劉靜, 程樺

2014, 36(9): 1260-1268. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.019

[摘要](108)

[PDF 1968KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
將多Agent理論和技術應用于聯合滅火救援作戰的研究，構建了多Agent聯合滅火救援作戰模型框架，實現了聯合滅火救援組織指揮相互之間的信息交換，顯示了互相影響的行動過程.對系統中指揮Agent、作戰Agent和環境Agent進行描述，定義Agent之間以及Agent與環境之間的交互規則，來描述系統的相互關系，給出了多Agent的協同算法，并構建了聯合滅火救援仿真模型.最后用多Agent軟件工具集和通用軟件平臺（SWARM），采用JAVA語言編程，進行了模擬仿真，對文中構造的模型及相應機制進行了功能驗證.

北京大氣顆粒物污染特征及空間分布插值分析

劉杰, 楊鵬, 呂文生

2014, 36(9): 1269-1279. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.09.020

[摘要](129)

[PDF 2247KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為較好地表征當前北京整個區域大氣顆粒物質量濃度隨時間尺度的變化及區域分布污染特征，根據北京市35個監測站點獲得的2013年3—5月顆粒物質量濃度1 h均值，分析和研究PM_2.5和PM₁₀質量濃度的季節性變化并提高其空間分辨率，在此基礎上探討顆粒物可能的影響因素及污染來源.結果表明，3—5月顆粒物質量濃度具有周期性變化規律和顯著相關性，應用MATLAB空間插值算法實現的顆粒物質量濃度區域分布圖具有一定精度，可外推并揭示顆粒物區域污染特征.分析表明當前北京顆粒物污染的影響因素有冬末的冷鋒和降雪、春季的沙塵和大風、夏初的降雨和濕熱等；污染區域則呈現南高北低的特征，污染來源除了本地人為源以外，周邊區域傳輸也有較大影響.通過顆粒物污染的時間序列和空間插值的結合分析，可為進一步研究顆粒物時空關系及掌握區域污染特征提供方法.