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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2012年第34卷第3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

底摩擦模型模擬露天轉地下開挖采空區影響下邊坡變形破裂響應特征及其穩定性

尹光志, 李小雙, 李耀基

2012, 34(3): 231-238. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.004

[摘要](269)

[PDF 1250KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以云南磷化集團晉寧磷礦6號坑口東采區深部緩傾斜中厚磷礦層露天轉地下開采為工程背景,利用底摩擦模型實驗儀,進行了不同露天坑境界頂柱厚度邊坡高度下的底摩擦模擬模型實驗.結果表明:邊坡的變形破壞響應特征可分為邊坡巖體小范圍微破裂和松動→邊坡巖體局部范圍失穩破壞→邊坡巖體整體向采空區滑落失穩破壞三個階段,邊坡巖體變形破壞模式主要是采動邊坡巖體向采空的拉裂、破斷和滑移破壞.在邊坡高度一定情況下,隨著露天境界頂柱的厚度由30 m逐漸減小到20 m和10m,邊坡的穩定性與境界頂柱的厚度呈正比關系,20~30m是露天境界頂柱比較合理的厚度.在境界頂柱的厚度一定情況下,邊坡高度由60 m增大到108 m,邊坡的穩定性與坡高的厚度呈反比關系,108 m邊坡轉入地下開采后是不穩定的.

大頂鐵礦露天采場邊坡穩定性分析與優化設計

蔡美峰, 朱青山, 喬蘭, 李長洪, 王金安, 譚文輝

2012, 34(3): 239-245. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.005

[摘要](279)

[PDF 754KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對大頂鐵礦露天采場邊坡巖體強度低、穩定性差的特點,在系統的現場工程地質、水文地質、巖體結構與巖性分布調查和巖石物理力學性質試驗基礎上,采用符合現代巖石力學原理的數值模擬和極限平衡相結合的方法,進行邊坡穩定性和設計優化研究,并推薦了該礦的邊坡設計方案.總體邊坡角比原設計平均提高3°以上.

燒結法赤泥全尾砂膠結充填料

黃迪, 倪文, 祝麗萍

2012, 34(3): 246-252. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.006

[摘要](311)

[PDF 988KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決全尾砂、赤泥大量堆積產生的環境問題,實驗采用燒結法赤泥、全尾砂等固體廢棄物制備礦山充填料.結果表明:膠結劑的優化配比為赤泥49.2%+礦渣32.8%+熟料10%+石膏8%;充填料強度隨著全尾砂摻量的增加而急劇下降;試塊在水化初期即出現鈣礬石、C-S-H凝膠,這些水化產物對早期強度的提高有很大幫助;差式掃描-熱重分析表明試塊在水化初期即可固結大量水.燒結法赤泥全尾砂膠結充填料具有早期強度高、固結水量大以及大量利用廢料等特點,可滿足目前礦山充填的需要.

充填節理破壞機理及實驗

史玲, 蔡美峰, 趙堅

2012, 34(3): 253-259. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.001

[摘要](240)

[PDF 929KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
充填節理的破壞主要有充填物破壞和充填物與節理接觸面破壞兩種形式,其抗剪強度與最小抗剪部分的強度相同.當充填物破壞時,單獨對充填物部分進行受力分析,得到此時的節理抗剪強度公式.討論了充填節理強度隨法向壓應力及充填厚度的變化規律:隨著法向壓應力的增加先增大后減小,但隨充填厚度的變化并不十分明顯.對不同厚度的砂漿充填節理進行直剪試驗.結果表明:其剪切強度與破壞模式有關;在同一破壞模式下,不同充填厚度的節理其剪切強度變化不大.

唐山礦瓦斯涌出量動態預測模型

梁曉珍, 宋存義, 王依

2012, 34(3): 260-263. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.007

[摘要](226)

[PDF 287KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高瓦斯涌出預測的準確性,采用BP型神經網絡,利用BP型神經網絡自學習、自組織和自適應等特性,在MATLAB環境下構建瓦斯動態預測模型.通過對唐山礦瓦斯信號實時監測數據的分析,對瓦斯動態預測模型進行訓練和測試.結果表明,該模型的預測速度快、精度高,可以實現對工作面瓦斯涌出的動態預測,并能綜合判斷工作面所處地點的安全狀況以及前方的潛在的危險性.

冶金與材料

基于案例推理預測精煉開始鋼水溫度

汪紅兵, 艾立翔, 徐安軍, 田乃媛, 候志昌, 周正文

2012, 34(3): 264-269. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.012

[摘要](122)

[PDF 858KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對BP神經網絡訓練時間長的問題,采用基于案例推理的方法預測精煉開始鋼水溫度.首先,應用層次分析法確定影響精煉開始鋼水溫度的各個因素的權值,并使用灰色關聯度來計算案例的相似度,克服了傳統相似度計算方法在案例信息不完整的情況下無法獲取準確結果的缺點.然后,提出一個包含類選、粗選、精選和擇優的四步檢索方法,大大縮短了檢索時間.最后,實驗比較了人工神經網絡和基于案例推理兩種方法,結果表明基于案例推理比人工神經網絡具有更高的命中率.

板坯連鑄結晶器數值模擬

王海奇, 包燕平

2012, 34(3): 270-277. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.013

[摘要](167)

[PDF 2061KB](29) [施引文獻] ()

摘要:
運用Fluent 6.3對板坯連鑄結晶器進行數值計算,研究拉速、水口浸入深度及水口開口角度對流場的影響.結果表明:對于斷面1400 mm×230 mm結晶器,隨拉速增加,液面最大水平和垂直流速均增加,而窄邊沖擊點的位置基本不變,隨距液面距離增加,窄邊速度先增加后減小,直至趨向于零;當拉速超過1.2 m.min^-1時,液面水平速度增加明顯.隨水口浸入深度增加,液面最大水平流速減小,浸入深度超過140 mm時,最大水平流速變化不明顯;垂直于液面方向的最大速度逐漸增加;對窄邊沖擊點影響較小.隨水口開口向下角度增加,液面最大水平流速減小后增加,水口開口向下12.5°時液面最大水平流速最小,而水口開口向下10°~12.5°時窄邊沖擊點速度最小.

高品質車輪鋼二冷區冷卻方式

景財良, 王新華, 許志剛, 王萬軍, 尹娜, 龔志翔

2012, 34(3): 278-282. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.014

[摘要](171)

[PDF 830KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了探索高品質低成本車輪鋼生產工藝,比較了兩種二冷區冷卻方式(氣霧冷卻和全水冷卻)對車輪鋼鑄坯表面溫度、凝固組織與宏觀偏析的影響.結果表明:兩種冷卻方式下的二冷區矯直段鑄坯表面溫度均高于950℃,處于高溫塑性區,可避免產生矯直裂紋;兩種冷卻方式均得到了均勻對稱的凝固組織;雖然氣霧冷卻可略微增加等軸晶比例和降低鑄坯中心偏析,但是使鑄坯枝晶間距變得較為粗大,并且加重了1/2半徑附近處的偏析,對隨后的加工和成品的質量更為不利.綜合考慮實驗結果和生產成本,認為全水冷卻方式更適合高品質車輪鋼的生產.

不同終軋溫度下36Mn2V鋼的連續冷卻轉變規律

盧忠山, 王福明, 李長榮, 程慧靜

2012, 34(3): 283-288. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.008

[摘要](277)

[PDF 1599KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble-1500熱模擬機,測定了36Mn2V鋼經四種終軋溫度變形后的連續冷卻膨脹曲線,結合金相-硬度法,獲得了該鋼種的連續冷卻轉變曲線.結果表明:隨冷卻速度的增大,實驗鋼的γ/α相變開始溫度逐漸降低,貝氏體相變開始溫度先升高到一個平臺,隨冷卻速度的進一步增加又降低,晶粒細化;隨終軋溫度的降低,實驗鋼的動態連續冷卻轉變曲線整體向左上方移動,網狀鐵素體和晶內鐵素體明顯減少,晶粒略有細化;經四種溫度終軋后以3℃.s^-1的冷速冷卻到室溫的四個試樣中,唯獨950℃終軋的試樣中未觀察到貝氏體.

奧氏體變形及冷卻速率對低碳貝氏體組織中大角晶界分布的影響

繆成亮, 尚成嘉, Mani Subramanian

2012, 34(3): 289-297. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.009

[摘要](274)

[PDF 1695KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
使用電子背散射衍射技術研究了低C高Mn高Nb成分設計下,非再結晶奧氏體變形及加速冷卻速率對低碳貝氏體組織取向差特征和大角晶界分布的影響.結果表明,與原奧氏體晶粒內部的相變組織相比,原奧氏體晶界附近具有更高的大角晶界密度,非再結晶區奧氏體變形及快速冷卻都有利于提高共格相變的驅動力、弱化變體選擇以及有效增加大角晶界密度.此外,非再結晶區的大變形除了可充分壓扁奧氏體晶粒和增加單位面積的奧氏體晶界密度外,還導致奧氏體晶界上細小的非共格轉變鐵素體晶粒生成,且這些鐵素體晶粒與相鄰組織表現出大取向差.

T91鋼的高溫塑性變形及動態再結晶行為

陳振湘, 許曉嫦, 王斌, 石紹清, 張金菊, 王福晶

2012, 34(3): 298-304. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.010

[摘要](144)

[PDF 1206KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble-1500熱模擬試驗機進行了T91鋼的壓縮試驗,研究了變形溫度為1100~1250℃、應變速率為0.01~1 s^-1時該鋼的變形行為,分析了流變應力與應變速率和變形溫度之間的關系,計算了高溫變形時應力指數和變形激活能,并采用Zener-Hollomon參數法構建該鋼高溫塑性變形的本構關系,繪制了動態再結晶圖和熱加工圖.結果表明:在試驗變形條件范圍內,其真應力-真應變曲線呈雙峰特征;鋼中發生了明顯的動態再結晶,且再結晶類型屬于連續動態再結晶.T91鋼的熱變形激活能為484 kJ.mol^-1,利用加工圖確定了熱變形的流變失穩區,結合力學性能,可以優先選擇的變形溫度為1200~1 250℃,應變速率不高于0.1 s^-1.

摻雜氧化物對ZrO₂相結構穩定性及燒結性能的影響

葛泳, 紀箴, 黃敏, 田文懷, 高紅葉

2012, 34(3): 305-309. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.002

[摘要](315)

[PDF 1013KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用共沉淀-凝膠方法,通過低溫煅燒和中溫燒結,分別制備了Y₂O₃、Al₂O₃摻雜的ZrO₂粉體和陶瓷;利用X射線衍射分析、掃描電鏡和透射電鏡等手段,對摻雜不同氧化物ZrO₂相結構的穩定性及燒結性能進行了研究.結果表明:在ZrO₂中摻雜摩爾分數5%的Y₂O₃或者Al₂O₃,870℃焙燒15min的粉體前者為立方相,后者為四方相;它們的粉體成型后經1400℃燒結4h,前者在室溫下仍能保持立方相,后者卻得到的是單斜相;在焙燒粉末中,Al³⁺固溶到ZrO₂的晶格中,對ZrO₂四方相晶格起到穩定作用,而在其陶瓷中,Al³⁺從ZrO₂的晶格中擴散到晶界,對ZrO₂不起穩定作用,只起促進燒結和細化晶粒的作用.

熱障涂層陶瓷材料La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇的制備和性能

項建英, 陳樹海, 黃繼華, 梁文建, 曹艷軍, 汪瑞軍, 何箐

2012, 34(3): 310-315. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.003

[摘要](239)

[PDF 894KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了La₂(Zr_0.7Ce_0.3)₂O₇(LZ7C3)的合成動力學及相結構,并根據合成過程中的損失對初始成分進行了設計,最終制備出符合原子比La:Zr:Ce為10:7:3的LZ7C3粉末.用X射線衍射儀和場發射掃描電鏡研究了樣品的相成分和微觀組織,用激光脈沖法和推桿法測量了樣品的熱導率和熱膨脹系數.結果表明:LZ7C3是由燒綠石結構的La₂Zr₂O₇(LZ)固溶體和螢石結構的La₂Ce₂O₇(LC)固溶體組成,其中LZ固溶體是主相;熱導率隨著溫度的升高而逐漸降低,在1473 K時為0.79 W·m^-1·K^-1,較LZ降低了50%左右;熱膨脹系數在1473 K時為11.6×10^-6 K^-1,比LZ提高了20%左右.這些優越的性能表明LZ7C3是一種具有較大應用前景的新型熱障涂層陶瓷材料.

HDDR NdFeB磁粉兩步法伴溫磁場取向制備高性能柔性各向異性NdFeB黏結磁體

翟福強, 孫愛芝, 吳深, 王琎, 徐文歡, 張倩

2012, 34(3): 316-321. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.020

[摘要](165)

[PDF 659KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
利用高性能吸氫-歧化-脫氫-再復合(HDDR)NdFeB各向異性磁粉,通過兩步法伴溫磁場取向工藝制備高性能柔性各向異性NdFeB黏結磁體,重點研究了兩步法伴溫磁場取向工藝制備出不同成分配比磁體的磁性能和力學性能.結果發現:制備出磁體的取向度有大幅度提高,當成分配比(質量分數)為96.5%磁粉+1%偶聯劑+2.5%黏結體系的磁體在120℃加熱保溫30 min磁場取向后,磁能積達到97 kJ·m-3,而磁體的矯頑力最大降幅只有1.3%,論證了兩步法伴溫磁場取向工藝制備柔性各向異性NdFeB黏結磁體在實際生產的可行性.環氧樹脂潤滑劑的加入使得制備出磁體的延伸率和柔性均大幅度下降,并且加入量越多,下降幅度越大,因此環氧樹脂潤滑劑最大加入量不應超過1%(質量分數).

溶液霧化氧化法制備四氧化三鈷粉末

郭學益, 易宇, 田慶華

2012, 34(3): 322-328. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.015

[摘要](161)

[PDF 854KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對溶液霧化氧化法制備四氧化三鈷粉末過程,研究了工程實驗條件下反應溫度、霧化壓力和氯化鈷溶液流量等參數對鈷氧化率、粉末粒度和粉末松裝密度的影響.在反應溫度750℃、氯化鈷溶液質量濃度120 g·L^-1、壓縮空氣壓力0.23 MPa、氯化鈷溶液壓力0.15 MPa以及氯化鈷溶液流量40 L·h^-1條件下,制備的氧化鈷再經750℃熱處理2 h后,鈷氧化率達到100%,鈷質量分數為73.04%,松裝密度為0.48 g·cm^-3,平均粒徑為7.61μm.工程實驗研究結果表明溶液霧化氧化法可以高效快速制備高品質四氧化三鈷粉末,過程簡單、清潔,具有產業化應用前景.

巨磁阻生物傳感器對磁性聚苯乙烯微球檢測

侯濤, 官月平, 雷博, 楊明珠, 曲炳郡, 王強

2012, 34(3): 329-332. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.017

[摘要](152)

[PDF 440KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用改進的懸浮聚合法制備磁性聚苯乙烯微球.利用掃描電子顯微鏡和振動樣品磁強計對所合成磁性微球的尺寸和磁性能進行分析表征.采用巨磁阻生物傳感器檢測磁性微球的數量.結果表明:磁性微球粒徑大小為0.5~50μm,比飽和磁化強度為4.56 A·m²·kg^-1.巨磁阻生物傳感器對磁性聚苯乙烯微球數量具有很好的可檢測性.在一定的范圍內,隨著磁性微球數量的增多,傳感器的輸出信號增強.在磁性微球一定數量的情況下,隨著磁性微球粒徑的增大,傳感器的電阻變化量先增大后減小.

設備與能源

高爐堿金屬富集區域鉀、鈉加劇焦炭劣化新認識及其量化控制模型

趙宏博, 程樹森

2012, 34(3): 333-341. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.016

[摘要](174)

[PDF 1004KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
堿金屬對高爐內焦炭的破壞大多通過研究堿金屬碳酸鹽對焦炭氣化反應的影響,從而得出鉀、鈉破壞性相近,在控制堿金屬入爐時也基本不對二者進行區分;但高爐調研表明在堿金屬富集明顯加劇的區域堿金屬碳酸鹽已分解且焦炭中鉀含量均大于鈉.本文通過熱力學計算得知在堿富集區域堿金屬主要以單質蒸氣而非碳酸鹽或氧化物形式存在,據此設計了模擬此區域有無CO₂時鉀、鈉單質蒸氣在焦炭上的自主吸附和破壞實驗,結合原子吸收光譜法、X射線衍射法和掃描電鏡-能譜分析發現鉀蒸氣和焦炭中灰分大量結合形成鉀霞石后體積膨脹、裂紋擴展導致堿金屬富集區域鉀在焦炭上的吸附和破壞能力均遠大于鈉,因此建議盡量采用低灰分焦炭并嚴格控制入爐鉀負荷.進一步研究體系中不同鉀蒸氣含量對氣化反應的影響規律,得出當鉀蒸氣與焦炭的氣固質量比率超過3%后焦炭反應性陡升.依據堿金屬富集區域鉀、鈉在焦炭上的不同吸附和破壞性,建立了鉀、鈉各自入爐上限及總量上限的量化控制模型.

連續退火線平整機輥形優化

張, 楊荃, 何安瑞, 郭德福, 姚錫江

2012, 34(3): 342-347. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.011

[摘要](158)

[PDF 642KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
對連續退火線平整機的板形問題進行研究. 通過實際生產數據的統計分析,基于減小有害接觸區和增強彎輥力調控功效的思想,利用影響函數法下的輥系彈性變形計算提出了相應的平整機支持輥輥形優化目標. 采用分層序列法處理多目標函數,并通過混合遺傳算法進行求解,設計出新的輥形配置方案. 使用二維變厚度理論建立輥系有限元模型,對輥縫橫向剛度、彎輥力調控功效進行計算校核. 將研究結果應用于實際生產,改善了平整機的板形控制效果,降低彎輥負擔.

生物質焦與煤混合燃燒特性及動力學分析

張建良, 林祥海, 孔德文, 林重春, 國宏偉, 常健

2012, 34(3): 348-354. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.019

[摘要](167)

[PDF 694KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
利用熱重分析天平,采用非等溫燃燒的方法對生物質熱解產物——生物質焦與兩種無煙煤混合試樣的燃燒特性及其反應動力學參數進行了實驗研究,考察了不同配比的混合試樣的著火溫度、燃燒速率最大時溫度、燃盡溫度和最大燃燒速率等燃燒特征參數,求出了反應的動力學參數活化能E_a和指前因子A.結果表明:活化能和指前因子均隨混煤中生物質焦比例的增加而降低,存在動力學補償效應;煤中摻入生物質焦后,試樣燃燒的第一階段和第二階段的活化能分別呈現出"U形"曲線和"階梯形"曲線的規律,且對混合燃料熱解過程的作用要優于對固定碳燃燒過程的作用;活化能的計算表明生物質焦的存在有助于改善煤的著火性能,對煤的燃燒有催化促進作用.

控制與決策

一類不確定非線性系統的串級主動補償控制

趙建利, 王京, 魏偉

2012, 34(3): 355-361. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.03.018

[摘要](150)

[PDF 618KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對一類具有下三角結構的單輸入單輸出不確定非線性系統,研究其穩定控制問題.提出一種結構簡單、收斂速度可控以及抗擾性能良好的基于Backstepping方法的串級主動補償控制策略,實現了閉環系統的漸近穩定控制.為解決閉環系統中不確定非線性未知問題,設計一種新的觀測器,使得這種觀測器能夠實時跟蹤閉環系統的不確定非線性.通過引入奇異擾動性理論,給出了閉環系統穩定性分析.仿真實驗結果驗證了該控制方法的有效性.