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

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2016年第38卷第4期

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基于SURPAC的殘礦開采塹溝巷道空間位置優化

丁航行, 任鳳玉, 劉洋, 宋德林, 闞景文, 李楠

2016, 38(4): 447-452. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.001

[摘要](370)

[PDF 394KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
由于殘礦空間形態的復雜性,傳統的剖切作圖方法難以直觀全面地掌握該類型礦體形態,進而難以精確指導采切工程的設計,而SURPAC軟件采用三維建模方法,能很好地解決這一難題.以西石門鐵礦塹溝底部結構誘導冒落法開采殘礦為背景,采用SURPAC軟件對塹溝內礦石量、金屬量、品位等指標進行計算,將塹溝巷道所在的水平和垂直位置作為優化對象,經過對臨界冒落跨度和現場工程技術條件的分析,得出塹溝巷道在兩個方向上可布置的范圍.依據該范圍,設計了正交試驗方案.以回采金屬量和平均品位作為考核指標,對正交試驗結果進行極差和方差分析,得出最優的塹溝巷道空間位置:塹溝巷道間距24 m,位于118 m水平.通過現場實施,取得理想的試驗效果,實現了殘礦的精細化開采.

多金屬地下礦山生產計劃動態優化

侯杰, 胡乃聯, 李國清, 馬朝陽, 李迪, 龔劍

2016, 38(4): 453-460. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.002

[摘要](374)

[PDF 551KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了實現多金屬地下礦山生產計劃編制的動態性和科學有效性,以開采過程中技術經濟要求和空間序列關系為約束條件,以利潤最大化為目標構建多金屬地下礦山生產計劃動態優化模型.模型將采準、切割、爆破、回采和充填過程抽象為基本作業單元并加以模型化處理,將地下開采的均衡性要求和接續性問題轉化為空間約束條件,以開采狀態作為決策變量,構建生產計劃優化的0-1整數規劃模型,并給出基于人工蜂群模型的求解算法.以西藏某銅鉬礦的生產計劃動態編制為應用案例,優化解算出礦山未來3年的生產計劃,并給出礦床開采時序的三維可視化展示.優化結果表明,通過開采區域的動態調整,在有效保證生產連續性的同時,提升了礦山開采的經濟效益.

Cu(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)離子在蛇紋石表面的吸附及對其浮選的影響

曹永丹, 曹釗, 張亞輝, 孫傳堯, 張金山

2016, 38(4): 461-467. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.003

[摘要](317)

[PDF 581KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過吸附量測試、純礦物浮選和紅外光譜分析,研究Cu²⁺和Ni²⁺離子在蛇紋石表面的吸附過程及對蛇紋石浮選的活化機理.Cu²⁺和Ni²⁺離子在蛇紋石表面的吸附符合二級動力學模型,等溫吸附過程符合Langmuir等溫吸附模型,吸附能夠自發進行,為物理吸附和化學吸附的共同作用,Cu²⁺和Ni²⁺離子在蛇紋石表面的吸附量隨p H值升高而增大.Cu²⁺和Ni²⁺離子在弱堿性條件下對蛇紋石具有活化作用,活化機理為銅鎳的氫氧化物沉淀和羥基絡合物作用于蛇紋石表面,形成活性位點,黃藥在活性位點上吸附生成黃原酸銅或黃原酸鎳,從而使蛇紋石表面疏水性增大,浮選受到活化.

細磨海砂礦燒結特性及其對燒結礦質量影響機理

張亞鵬, 張建良, 王振陽, 劉征建, 劉興樂

2016, 38(4): 468-475. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.004

[摘要](332)

[PDF 622KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過細磨海砂礦研究其粒級分布、微觀結構和燒結高溫特性的變化,結合燒結杯試驗、掃描電鏡能譜分析等研究方法考察海砂礦粒級分布對燒結礦質量的作用機理.經細磨后海砂礦顆粒不規則程度增大,制粒性能得到改善.隨著海砂礦粒度變細,其燒結高溫特性呈現出與普通鐵礦粉相反規律,其中海砂礦3(細磨25 min的海砂礦)與海砂礦1(未經細磨的海砂礦)相比,同化溫度升高21℃,1280℃時液相流動性指數減小0.35,細磨后海砂礦與Ca O反應生成鈣鈦礦增多,阻礙同化反應進行,生成的液相黏度增大.配加8%海砂礦3的燒結礦與配加相同比例海砂礦1相比,還原性提高3.8%,細磨后海砂礦在混合料中分布更加均勻,造成燒結礦中含鈦物相質點增多,還原中產生眾多微細裂紋,利于還原氣體擴散.

CaF₂-SiO₂型硅傳感器輔助電極的制備及其定硅性能

鞠靚辰, 李楊, 滿文寬, 郭敏, 張梅

2016, 38(4): 476-483. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.005

[摘要](341)

[PDF 596KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
以CaF₂＋SiO₂作為硅傳感器輔助電極材料,將其均勻涂覆于ZrO₂（MgO）固體電解質表面,在高純Ar氣保護下,1400℃焙燒30min制備得到定硅傳感器.利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡以及能量色散譜儀系統研究了制備條件對于焙燒后形成的輔助電極膜層組成、物相和微觀形貌的影響.膜層中不存在CaF₂,而是以SiO₂固體顆粒、CaO·MgO·2SiO₂固溶體及ZrSiO₄為主.另外,探討了輔助電極膜層中物相的變化對于膜層黏結性以及定硅性能的影響.在1450℃下對鐵液中硅含量進行測試,傳感器響應時間在10s左右,穩定時間在20s以上,而且傳感器的重復性也很理想.當鐵液中硅質量分數在0.5%~1.5%時,硅傳感器測量值與化學分析法分析值相吻合.

不同鈣合金對鋼液脫砷作用的實驗研究

李文博, 包燕平, 王敏, 林路

2016, 38(4): 484-493. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.006

[摘要](310)

[PDF 738KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了充分利用我國含砷鐵礦資源,采用精煉渣+不同Ca合金對鋼液進行脫砷研究,獲得較高的脫砷率,其中Si-CaBa合金綜合脫砷效果最佳.在相同操作條件下,通過改變實驗條件,對鋼液中砷含量隨時間變化規律以及對脫砷效果的影響進行研究,并對高砷含量下不同Ca合金加入鋼液后Ca的有效利用率進行詳細分析.

基于反算熱流的結晶器內流動-傳熱-凝固耦合模擬

李天衣, 王旭東, 孔令偉, 姚曼, 田勇, 魏祖康, 馮巍, 馮國輝, 錢志友

2016, 38(4): 494-500. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.007

[摘要](364)

[PDF 526KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
基于Navier-Stokes動量方程和湍流低雷諾數k-ε方程,綜合考慮能量守恒和鋼液凝固與糊狀區對流動過程的影響,建立了描述結晶器內鋼液流動、傳熱及凝固過程的三維耦合數學模型.以實測溫度和結晶器反問題模型計算出的熱流為邊界條件,模擬計算了結晶器內鋼水的流動、傳熱和凝固行為.鋼液流動決定結晶器內的溫度和熱流分布,鑄坯凝固受鋼液流動和結晶器熱流雙重因素的影響.建立的模型以及由此得到的鑄坯凝固非均勻特征可為進一步考察澆鑄過程中縱裂和其他表面缺陷提供借鑒和參考.

鎂對冷作模具鋼碳化物及熱塑性的影響

王承, 龔偉, 姜周華, 王海東

2016, 38(4): 501-506. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.008

[摘要](370)

[PDF 637KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
冷作模具鋼Cr12Mo1V1因C含量和Cr含量高,鑄態下在晶界析出大量網狀共晶碳化物,鍛造后仍會存在大量大塊長條狀碳化物,且呈帶狀分布,使鋼的熱塑性降低,易產生裂紋,限制了其應用.本文研究添加Mg對Cr12Mo1V1鋼碳化物及熱塑性的影響.隨著鋼中Mg含量增加,鑄態下網狀共晶碳化物被打斷且被細化,使其在后期的鍛造中更容易被打散.同時,鍛態下碳化物的平均尺寸隨著Mg含量增加而減小,呈均勻彌散分布.碳化物尺寸和分布狀態的改善提高了鋼的熱塑性.

冷卻速率對高碳鉻鐵粉電磁性能的影響

楊建平, 陳津, 郝赳赳, 郭麗娜, 劉金營

2016, 38(4): 507-514. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.009

[摘要](343)

[PDF 653KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用矢量網絡參數法在1~18 GHz頻段內分別對電阻爐、空氣和水浴中冷卻的高碳鉻鐵粉的電磁性能進行研究.隨著冷卻速率的提高,高碳鉻鐵粉的相對復介電常數實部和虛部在大多數頻率下均增大.空冷和水冷粉料的相對復介電常數虛部在12~18 GHz頻率范圍內因極化弛豫而產生較大的峰值.同一頻率下相對復磁導率實部隨冷卻速率變化的趨勢與相對復介電常數相反.水冷粉料的相對復磁導率虛部在3~5 GHz以外的頻段內均大于另兩組冷卻粉料,且三組粉料的虛部在低頻及高頻條件下均具有峰值.在2.45 GHz的微波加熱頻率下,爐冷、空冷及水冷粉料的反射損耗分別為-2.30、-2.15和-2.07 d B.水冷粉料的介電損耗因子及磁損耗因子最大,微波場下具有最佳的升溫速率與反應效果.

SAF2205雙相不銹鋼織構與沖壓特性

陳雨來, 荀曉晨, 李靜媛

2016, 38(4): 515-521. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.010

[摘要](192)

[PDF 551KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
研究SAF 2205雙相不銹鋼冷軋退火板的沖壓特性以及冷軋和退火織構對其沖壓性能的影響.實驗鋼冷軋退火板表現出較差的深沖性能和明顯的45°制耳,其r平均值和Δr值分別為0.7和-0.27,這主要與其在冷軋及退火后形成的織構有關.ODF圖顯示,退火后SAF 2205雙相不銹鋼中鐵素體相未形成γ纖維再結晶織構,仍然為分散的α纖維織構.實驗鋼中鐵素體相的織構強度明顯高于奧氏體相,其對鋼板成形性的影響更顯著,即其各種〈110〉退火織構組分均不利于實驗鋼r平均值的提高,并且使得Δr<0.此外,奧氏體相的{110}〈001〉織構也對鋼板成形性能產生一定程度的影響.

微觀組織對高速車輪鋼解理斷裂應力的影響

龔帥, 任學沖, 陳剛, 趙海, 江波

2016, 38(4): 522-531. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.011

[摘要](249)

[PDF 1299KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
利用不同奧氏體化溫度和冷卻速率對碳質量分數為0.54%高速車輪鋼進行熱處理,得到具有不同晶粒尺寸和珠光體片間距微觀組織的試樣.在-120~20℃溫度下對具有不同微觀組織的拉伸試樣和三點彎曲（3PB）缺口試樣進行測試;采用二維平面應變有限元計算三點彎曲缺口試樣缺口前的應力分布;利用掃描電鏡對3PB試樣斷口進行觀察并測量解理起裂源的位置;測定不同微觀組織車輪鋼試樣的解理斷裂應力.在擴展控制斷裂機制下,微觀組織對車輪鋼的解理斷裂應力具有明顯影響,晶粒尺寸和珠光體片間距越小解理斷裂應力越高.細化晶粒使未擴展微裂紋的特征長度減小,細化珠光體片間距有助于提高珠光體的有效表面能,從而使得解理斷裂應力提高.

高Nb-TiAl合金葉片鍛造模擬

辛景景, 張來啟, 馬向玲, 林均品

2016, 38(4): 532-537. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.012

[摘要](198)

[PDF 512KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用Deform-3D有限元軟件模擬β-γ高Nb-Ti Al合金葉片等溫鍛造,分析等效應變場、等效應力場與溫度場的分布.葉片等溫鍛造中葉身與榫頭的等效應變分布均勻,隨著上模具壓下速度的增大和預熱溫度的升高,變形過程中等效應力降低,有利于動態再結晶的發生;上模具壓下速度在1.0~1.5 mm·s^-1、預熱溫度在1250~1300℃有利于提高β-γ高Nb-Ti Al合金葉片鍛件的質量.

石油焦煅燒程度對鋁用炭陽極顯微結構及電解消耗的影響

馮魯興, 薛濟來, 方寧, 郎光輝, 林日福, 包崇愛

2016, 38(4): 538-545. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.013

[摘要](190)

[PDF 724KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
以不同煅燒程度石油焦為骨料,煤瀝青為黏結劑制備鋁用低煅焦炭陽極.通過激光共聚焦掃描顯微鏡和圖像分析方法對炭陽極孔隙結構進行分析表征,并考察陽極反應性和電解消耗性能.在煅后焦微晶尺寸1.7~2.7 nm范圍內降低石油焦煅燒程度,炭陽極小孔隙逐漸沿骨料-黏結劑界面演變為裂紋狀大孔隙,炭陽極孔隙率、形狀因子及連通率均先減小后增大,視孔隙比表面積呈減小趨勢.煅后焦微晶尺寸降低至1.9 nm較為適宜,對應的炭陽極空氣和CO₂反應質量損失率最少為9.6%和3.0%,每噸鋁陽極碳耗為355.4 kg.低煅焦炭陽極過量消耗機制從以黏結劑選擇性消耗轉變為骨料與黏結劑共同消耗,使碳渣量減少.

基于ANSYS“生死單元”技術的銅冷卻壁掛渣能力計算模型

李峰光, 張建良

2016, 38(4): 546-554. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.014

[摘要](197)

[PDF 730KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
根據有限元理論,采用ANSYS‘生死單元’技術建立了銅冷卻壁掛渣能力計算模型,計算煤氣溫度、冷卻制度、爐渣性質、冷卻壁鑲磚材質等多種因素對銅冷卻壁掛渣能力的影響,得出各因素對銅冷卻壁掛渣能力的影響規律.煤氣溫度的升高將導致銅冷卻壁掛渣能力呈指數衰減.冷卻制度的改變對銅冷卻壁掛渣能力的影響很微弱.爐渣掛渣溫度的提升將使冷卻壁掛渣能力增強,但渣皮厚度的穩定性較差.隨著爐渣導熱系數的上升,渣皮厚度均勻增大.鑲磚熱導率的提升可顯著提升燕尾槽位置渣皮厚度.根據計算結果,本文提出了保證銅冷卻壁穩定掛渣應遵循的幾個原則.

基于密集冷卻工藝的700MPa級高強帶鋼減小殘余應力研究

邱增帥, 邵健, 何安瑞, 楊荃, 夏小明

2016, 38(4): 555-560. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.015

[摘要](204)

[PDF 532KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
目前密集冷卻工藝已廣泛用于生產高強度帶鋼,但是該技術冷卻速率較快的特點易造成帶鋼冷卻不均勻等問題,導致帶鋼殘余應力過大,進而產生邊浪等板形缺陷.本文利用有限元方法,使用ABAQUS有限元軟件建立某700 MPa級高強度帶鋼在密集冷卻工藝下的模型,實現溫度-相變-應力耦合計算,并進行多個實驗驗證了模型的準確性.通過修改有限元模型邊界條件和初始條件,研究邊部遮擋和初始溫差對帶鋼層流冷卻階段產生的殘余應力分布的影響規律.對于減小帶鋼層流冷卻過程中產生的殘余應力,減小帶鋼進入層流冷卻前的初始溫差更加有效.本研究成果經過現場試驗驗證,可靠性較高,可用于指導該種類型高強帶鋼生產,以減少帶鋼的殘余應力,提高帶鋼板形質量.

定軸橫軋大螺旋齒形軸類件關鍵技術

楊光, 張康生, 胡正寰

2016, 38(4): 561-567. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.016

[摘要](164)

[PDF 448KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
塑性成形大螺旋齒形軸類件與其現有的切削工藝相比,有著節材高效的明顯優勢,但其均勻分度成形難度大.軋制過程中軋件滾動半徑的變化幅度較大,基于此建立與傳動比相關聯的模具輥型曲線的求解方程.通過有限元數值模擬,對軋制過程中模具和軋件傳動比的變化規律進行研究,得到較為合理的轉速比變化規律和模具輥型曲線形態.以螺桿陰轉子為軋制對象,通過定軸橫軋實驗實現其非對稱大螺旋齒形的均勻分度成形,成功解決大螺旋齒形均勻分度成形難的問題.

高溫長時間風洞噴管冷卻結構CFD研究

何寧, 楊海波, 孫冬柏

2016, 38(4): 568-574. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.017

[摘要](190)

[PDF 528KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
高溫長時間工作的風洞噴管需要冷卻,這需要在噴管上開冷卻通道槽.本文采用冷卻效率較好的矩形冷卻通道,研究噴管冷卻的影響因素.文中建立噴管冷卻結構三維模型,詳細分析噴管的傳熱類型同時考慮輻射換熱,基于簡單準確原則對計算三維模型作一系列簡化假設,最后采用CFD技術進行數值模擬.了解冷卻通道高寬比對噴管冷卻的影響規律,指出考慮和不考慮輻射換熱噴管冷卻效果的差別,同時明確氣流總溫對冷卻效果的影響程度并提出改善措施.

軸向流吸附器內部流場特性

王浩宇, 劉應書, 吳義民, 鄭新港

2016, 38(4): 575-580. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.018

[摘要](231)

[PDF 580KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
以軸向流吸附器內部流場為研究對象,采用CFD軟件對其內部氣體流動特性進行數值模擬.比較軸向流吸附器內無氣體分布器、僅加裝單一多孔板氣體分布器、加裝多孔板氣體分布器與單級擋板相結合等3種方式對吸附器內部流場均勻分布的影響.未加裝氣體分布器的軸向流吸附器內部氣流分布嚴重不均;僅加裝單一多孔板氣體分布器的軸向流吸附器內部流場的氣體流動稍有改善,但氣流分布仍不均勻;加裝多孔板氣體分布器與單級擋板相結合的方式,吸附器內部流場的氣體流動得到明顯改善.多孔板氣體分布器與單級擋板組合使用時,保持氣體分布器開孔率不變,開孔孔徑為0.003 m時氣流分布最為均勻,效果最好;保持開孔孔徑不變,氣體分布器的開孔率為0.388時氣流分布最為均勻.

應用于NPC型逆變器的三電平不連續PWM方法

羅曉飛, 孫彥廣, 宋克儉, 石志學

2016, 38(4): 581-588. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.019

[摘要](299)

[PDF 694KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
針對低頻大功率二極管中點鉗位(NPC)型逆變器控制系統的不連續空間矢量脈寬調制原理及控制策略的研究,提出三電平不連續空間矢量脈寬調制方法,相比于傳統三電平空間矢量脈寬調制方法,在相同的開關頻率下,此方法可以顯著降低逆變器的開關損耗.同時,文中對三電平逆變器的中點電壓不平衡問題以及在現場應用中可能出現的PN電平跳變問題進行分析,并提出解決方法.最后,針對本文提出的調制方法做中點電壓的平衡控制,給出對于該算法基于仿真和實驗的驗證.

地基土體對貨車與波形梁護欄碰撞效應的影響

李勇, 楊潤林

2016, 38(4): 589-594. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.04.020

[摘要](187)

[PDF 563KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
公路上正常行駛的車輛一旦操縱失控,安裝在路側的護欄就顯得極為重要,可避免車輛直接沖出道路發生致命危險.波形梁護欄是最常見的一種被動防護裝置,可有效抵御車輛施加的碰撞荷載.依據常規的設計思路,這種護欄可以利用波形梁板、防阻塊和立柱的變形來吸收汽車碰撞所產生的能量.但與實際情況不同的是,在這一過程中忽略了地基土體對碰撞過程可能產生的影響.本文通過分別建立不考慮和考慮地基約束作用的碰撞計算模型來研究土體的貢獻.在模擬過程中,分別觀測貨車的運行軌跡、護欄的變形和土體的變形.此外,也分析了不同部件對碰撞能量的吸收比率.與立柱接觸區毗鄰的土體因受沖擊荷載影響,可能發生剪切失效.整個護欄系統中超過10%的系統能量實際上是由土體吸收的,常用的簡化固定基模型跟實際情況有一定的出入.