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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2012年第34卷第7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

掛幫礦充填法開采對高陡邊坡及采場圍巖穩定性的影響

譚玉葉, 杜建華, 宋衛東, 楊陸海, 梅林芳

2012, 34(7): 731-737. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.005

[摘要](248)

[PDF 994KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以大冶鐵礦高陡邊坡下2^#掛幫礦回采為工程背景,首先采用GEO-SLOPE軟件對掛幫礦開采中邊坡穩定性進行了分析;然后通過現場監測及模型相似實驗相結合的手段,研究礦柱及圍巖的應力及位移變化規律,探討了掛幫礦充填法開采對采場圍巖穩定性的影響.研究表明掛幫礦所在露天初始邊坡經過擴幫及內部開采后,安全系數平均值由1.274下降至1.005,邊坡穩定性較差;目前空區采場礦柱及圍巖穩定性較好,但必須對現有采空區進行充填,改變空區及礦柱應力集中狀態,才能進行礦柱及頂底板礦石回采.

礦渣膠凝材料固結尾砂的微觀實驗

張發文, 楊建濤, 劉文霞, 沈連峰

2012, 34(7): 738-743. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.006

[摘要](336)

[PDF 1544KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
用X射線衍射、掃描電鏡和熱重!差示掃描量熱方法表征了礦渣膠凝材料的水化產物和微觀結構,研究了礦渣膠凝材料對尾砂固結過程的影響.微觀實驗結果表明:礦渣膠凝材料的水化產物主要為水化硅酸鈣凝膠(C-S-H)、鈣礬石(AFt)及少量的帕水鈣石(Ca₂Al₄Si₄O₁₅(OH)₂·4H₂O)和沸石類礦物,隨著養護時間的延長,礦渣膠凝材料在水化過程中發生晶體結構重組和重排;尾砂中的方英石、云母和碳酸鹽類礦物(方解石、白云石等)是尾砂固結過程中的活性成分,能生成其他晶體礦物和膠凝狀礦物,這是導致固結體微觀結構不同的主要原因.

地下礦復合場的一體化構模及三維可視化

李翠平, 李仲學, 曹志國, 李鑫

2012, 34(7): 744-749. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.007

[摘要](303)

[PDF 499KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
從礦山工程數字化及可視化的角度,將地下礦山看作是一包含多種幾何量、屬性量、參數量和狀態量的動態量場,稱之為地下礦復合場.通過分析各類空間場量的幾何特性、分布特性、矢量特性和時空順序特性,給出了各類空間場量及其相互關系的表征方法,進而提出了基于體素的一體化數字模型.經空間場量體素化、定量化、場量化及一體化處理,形成了地下礦復合場的一體化模型構建技術.以國內某典型礦山的實際數據為例,實現了地表地形、斷層和井巷工程等幾何特性、礦石品位的空間分布特性、井下通風系統的矢量特性的三維可視化仿真及火災蔓延的動態仿真,進而驗證了地下礦復合場一體化模型的可行性與有效性.

低、特低滲透油藏壓裂水平井產能計算方法

王志平, 朱維耀, 岳明, 高英, 趙光杰, 王海慶

2012, 34(7): 750-754. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.001

[摘要](270)

[PDF 343KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
考慮低、特低滲透油藏裸眼壓裂水平井流體從基質-裂縫-水平井筒及基質-水平井筒的耦合流動,以等值滲流阻力法及疊加原理為基礎,將裸眼壓裂水平井滲流區域劃分為三個流動區域:流體在水平井壓裂裂縫內的達西線性流動區域、水力壓裂裂縫泄流引起的非達西橢圓滲流區域和流體在地層中的徑向滲流區域.建立裸眼水平井水力壓裂多條橫向裂縫相互干擾的非達西產能預測模型,分析水力裂縫參數對產能影響,揭示裸眼壓裂水平井開采變化規律.模擬結果表明:裂縫條數越多,裂縫干擾越強,水平井壓裂存在一最優裂縫條數;裂縫沿水平井筒排布靠近兩端、中間相對較稀,且兩端長、中間短的開發效果最好.

菱鐵礦在煤基直接還原條件下的轉化過程

閆樹芳, 孫體昌, 許言

2012, 34(7): 755-760. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.008

[摘要](264)

[PDF 986KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為研究菱鐵礦在強還原氣氛下加熱過程中鐵礦物的轉化過程和規律,采用熱重分析、X射線衍射和掃描電鏡等手段研究了嘉峪關某菱鐵礦石在煤基直接還原過程中菱鐵礦的熱行為和不同條件下焙燒產物中鐵礦物的存在形式等.結果表明,菱鐵礦在煤基直接還原條件下轉化為金屬鐵的歷程為FeCO₃→Fe₃O₄→FeO→Fe.轉化過程分為菱鐵礦分解和鐵氧化物還原兩個階段;熱分解階段在556.6℃時基本結束,最終產物為Fe₃O₄;鐵氧化物的還原階段在556.6℃以后、1200℃時完全結束,最終產物為金屬鐵.

黃鐵礦促進黃銅礦微生物浸出影響因素

莫曉蘭, 林海, 傅開彬, 徐承焱, 汪涵

2012, 34(7): 761-768. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.015

[摘要](151)

[PDF 485KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用搖瓶實驗,以氧化亞鐵硫桿菌(Acidithiobacillus ferrooxidans,At.f)浸出黃鐵礦-黃銅礦,重點研究了基礎培養基、礦物配比和粒度組成等因素的影響.黃鐵礦能促進黃銅礦的微生物浸出,以采用無Fe 9K培養基效果較好,它對應銅浸出率是9K培養基的1.68倍;采用寬粒級礦物時銅浸出效果較好,且銅浸出率與黃鐵礦和黃銅礦的質量比有關,當質量比為2:2時銅浸出率最高可達45.58%;黃鐵礦含量大小是影響銅浸出率高低的實質,當質量比小于等于5:2時以At.f菌的氧化作用為主,當質量比為10:2時以硫化礦間的原電池效應為主.浸渣的X射線衍射分析表明,采用無Fe 9K培養基時浸渣中生成的鈍化物黃鉀鐵礬較少,故黃鐵礦可以很好地替代9K培養基中的FeSO₄,并能與黃銅礦形成原電池效應,從而促進銅的浸出.

冶金與材料

高壓鍋爐管鋼P12鑄錠中夾雜物分布解剖研究

劉建華, 包燕平, 王國宣, 陽燕, 李開明, 李立新

2012, 34(7): 769-774. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.016

[摘要](165)

[PDF 510KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
分別采用解剖、總氧分析(T[O])、原位統計分析、金相顯微鏡統計分析和小樣電解實驗研究了16.8 t高壓鍋爐管鋼P12鑄錠中夾雜物的分布.發現在鑄錠的上中部存在夾雜物數量較低的負偏聚區域,而在中心及尾部中心部位存在夾雜物數量較高的正偏聚區域.為了表征夾雜物的偏聚程度,提出了夾雜物偏聚指數的新概念.總氧分析和原位統計分析結果表明鑄錠中下部氧化物夾雜物偏聚指數達到1.4~1.6,而在上中部氧化物夾雜物的偏聚指數為0.5~0.7.金相統計分析和小樣電解實驗可同時分析鋼中氧化物和硫化物等夾雜,其分析結果表明鑄錠上中部夾雜物的偏聚指數為0.7~0.8,鑄錠中下部夾雜物的偏聚指數為1.15~1.35.鑄錠中心及錠尾中心區域氧化物夾雜平均尺寸明顯大于其他區域,表明大夾雜物在上浮過程中被結晶雨捕獲并沉降到底部是鑄坯中下部夾雜物偏聚的主要機制.

低碳Nb-Ti二元微合金鋼析出過程的演變

羅衍昭, 張炯明, 肖超, 趙新宇, 劉志明, 吳煉

2012, 34(7): 775-782. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.009

[摘要](255)

[PDF 1143KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
建立規則溶液亞點陣模型計算了不同溫度(1073~1523 K)下低碳Nb-Ti二元微合金鋼(Nb質量分數為0.023%,Ti質量分數為0.012%)中碳氮化物析出相的平衡摩爾分數、化學驅動力和各組元摩爾分數,對微合金鋼中析出粒子演變規律進行研究,并利用透射電鏡觀察及能譜分析驗證這種析出模式.計算結果表明,1523 K下析出粒子化學式組成為(Nb_0.15Ti_0.85)(C_0.16N_0.84),由富Ti的析出物逐漸過渡至Nb-Ti均勻析出,析出粒子演變順序為(Nb_0.15Ti_0.85)(C_0.16N_0.84)、(Nb_xTi_1-x)(C_yN_1-y)和(Nb_0.5Ti_0.5)(C_0.56N_0.44),與實驗結果符合較好.隨著溫度降低,Ti/Nb質量比逐漸減小,得到的TiC比NbC更難溶.對均勻形核及位錯處形核的臨界核心尺寸和相對形核速率進行計算,得到最大形核率即可獲得最細小第二相尺寸的溫度.

電脈沖處理對熱鍍鋅鍍層生長動力學影響

薛慶國, 孫偉, 王靜松, 曹立軍, 孫昊延, 王精華

2012, 34(7): 783-787. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.010

[摘要](122)

[PDF 653KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用正交試驗的方法,研究了電脈沖處理對熱鍍鋅鍍層生長動力學的影響.以合金層生長速率時間指數為評價指標對電脈沖處理效果進行了優化.正交試驗結果表明,電脈沖處理參數中電容量是主要影響因素,處理時間影響不明顯,在電容量200μF,電壓700 V,頻率2 Hz,處理時間30 s的條件下作用效果較好.在此參數條件下的熱鍍鋅實驗結果表明:合金層的生長受到抑制,厚度減薄,組織變得均勻致密;合金層生長速率時間指數由0.717下降到0.428,合金層的生長方式由界面反應和擴散聯合控制轉變為僅受擴散控制.

焊接熱循環參數對大線能量焊接用鋼EH40熱影響區組織和性能的影響

李靜, 王華, 曲圣昱, 王佳驥, 付魁軍, 及玉梅, 劉芳芳

2012, 34(7): 788-792. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.011

[摘要](150)

[PDF 1739KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
利用熱模擬技術及光學顯微鏡、透射電鏡研究了焊接熱循環參數對大線能量焊接用船板鋼熱影響區組織和性能的影響.發現模擬焊接熱影響區組織主要由粒狀貝氏體、鐵素體和珠光體組成,且隨著峰值溫度和冷卻時間的變化,熱影響區的組織發生較大的變化;熱影響區的沖擊韌性總體水平較高,均在200 J以上,沖擊韌性并不隨著峰值溫度和冷卻時間的增加而單調變化;熱影響區M-A島的數量、尺寸、分布和形態影響熱影響區的韌性.

噴射成形M3型高速鋼碳化物組織特征與加熱過程演化

于一鵬, 黃進峰, 崔華, 張濟山

2012, 34(7): 793-798. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.017

[摘要](193)

[PDF 2568KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
采用常規鑄造和噴射成形工藝分別制備了M3型高速鋼鑄坯和沉積坯.利用掃描電子顯微鏡、X射線能譜和X射線衍射等分析方法對冷卻速度對合金的顯微組織的影響,加熱溫度對M3高速鋼中M₂C共晶碳化物分解行為的影響,以及熱加工變形后鑄態和沉積態組織的變化進行了研究.結果表明:鑄態合金含有粗大的一次枝晶和M₂C共晶碳化物,而噴射成形沉積坯主要為等軸晶且碳化物細小均勻;冷卻速度的提高極大地抑制了碳化物的析出和晶粒長大;加熱溫度的提高有利于M₂C共晶碳化物分解,過高的溫度使得分解后的M₆C長大,不利于合金性能的提高;沉積坯經恰當的預熱處理和熱變形可以獲得理想的變形組織.

700℃以上超超臨界電站鍋爐過熱器管材用典型鎳基合金的平衡析出相規律

王玨, 董建新, 張麥倉, 謝錫善

2012, 34(7): 799-807. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.012

[摘要](164)

[PDF 950KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
利用熱力學計算軟件Thermo-Calc及鎳基合金數據庫,計算了三種700℃以上超超臨界電站用過熱器管道材料Inconel740、Inconel617和GH2984合金的熱力學平衡相圖,并對比了三種材料主要析出相的析出行為.計算結果表明:三種合金主要的析出相包括γ、γ'、碳化物、σ、η、δ、μ及α-Cr等,凝固過程中Mo、Nb和Ti元素偏析嚴重,會降低合金的初熔點,因此后期均勻化退火處理十分重要.另一方面,750℃時Inconel740合金γ'相析出量大于另外兩種合金,并且Al和Ti含量對γ'相和η相析出行為有較大影響.碳化物的計算表明,Inconel617合金一次碳化物與另兩種合金不同,并且其二次碳化物的析出溫度范圍最大.GH2984合金中Fe含量較大時會導致σ相出現,對合金的性能產生不利影響.

AZ31鎂合金的熱變形加工圖及其應用

江海濤, 陸春潔, 段曉鴿, 唐荻, 李志超

2012, 34(7): 808-812. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.013

[摘要](149)

[PDF 1267KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了確定AZ31鎂合金軋制工藝參數,利用Gleeble-3500熱模擬試驗機進行熱壓縮試驗以測試其熱變形行為,并根據動態材料模型理論得到其熱加工圖.當變形溫度為380~400℃、應變速率為3~12 s^-1時,功率耗散效率大于30%,屬于動態再結晶峰區;在該區域進行異步軋制變形退火處理后得到平均晶粒直徑為2.3μm的細晶組織,抗拉強度為322.7 MPa,延伸率為19.6%.當應變速率大于15 s^-1時,屬于流變失穩區,250~300℃低溫加工時合金的塑性顯著降低,350~400℃高溫加工時合金出現混晶組織.

不同緩沖層對Ni₈₁Fe₁₉薄膜性能影響和微結構分析

李明華, 李偉, 丁雷, 劉洋, 滕蛟

2012, 34(7): 813-816. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.002

[摘要](306)

[PDF 579KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用磁控濺射方法制備分別以Ta和NiFeCr為緩沖層的Ta(NiFeCr)/NiFe/Ta薄膜材料.對于相同厚度的NiFe薄膜,與傳統材料Ta相比,用NiFeCr作緩沖層薄膜的各向異性磁電阻有顯著的提高.X射線衍射結果表明,與Ta緩沖層相比NiFeCr緩沖層可以誘導更強的NiFe(111)織構.高分辨透射電子顯微鏡結果表明,NiFeCr緩沖層和NiFe層的晶格匹配非常好,NiFe沿著NiFeCr外延生長,以NiFeCr為緩沖層的NiFe薄膜具有良好的晶體結構.對薄膜進行熱處理,以NiFeCr緩沖層為緩沖薄膜的各向異性磁電阻值在350℃以下基本保持不變,當退火溫度超過350℃后,其值會明顯下降.以NiFeCr緩沖層的薄膜在350℃以下退火具有良好的熱穩定性.

異型納米AlOOH微觀晶體結構

郝保紅, 方克明, 向蘭

2012, 34(7): 817-822. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.003

[摘要](228)

[PDF 2059KB](3) [施引文獻] ()

摘要:
利用RTO金屬包埋切片微米-納米表征法,通過高分辨透射電鏡觀察了γ-AlOOH薄膜切片中的晶格點陣條紋像,分析了添加復合添加劑后異型納米AlOOH的微觀晶體結構,從原子層面揭示了由于鐵離子的同晶替代以及硫酸根離子的插層而導致的晶格畸變.闡述了極性添加劑在晶須生長過程中首先形成復合的高聚體、進而定向生長的誘導機理,并指出了非極性表面活性劑對異型納米AlOOH晶體形貌表面的修復和"美容"作用.用能譜及紅外光譜佐證了復合多聚體的存在.

鍍鎢碳納米管增強銅基復合材料的制備及性能

聶俊輝, 張亞豐, 史娜, 賈成廠

2012, 34(7): 823-829. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.004

[摘要](295)

[PDF 2015KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用羰基熱分解法對多壁碳納米管表面進行鍍鎢處理,并以鍍鎢碳納米管和電解銅粉為原料,進行機械球磨混粉和放電等離子體燒結,制備了鍍鎢碳納米管/銅基復合材料.采用場發射掃描電鏡觀察了粉體和復合材料的組織形貌,并對復合材料物相進行了X射線衍射分析.探討了鍍鎢碳納米管含量和放電等離子體燒結溫度對復合材料致密度、抗拉強度、延伸率和電導率的影響.結果表明,鍍鎢碳納米管質量分數為1%和燒結溫度為850℃時,復合材料的致密度、抗拉強度和電導率最高.與燒結純銅相比,復合材料的抗拉強度提高了103.6%,電導率僅降低15.9%.

設備與能源

鎂還原罐內強化換熱研究

馮俊小, 張志遠

2012, 34(7): 830-835. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.018

[摘要](154)

[PDF 523KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過分析傳統球團料在還原罐內的溫度分布,提出了以改進布料方式縮短硅熱法煉鎂還原周期的必要性.研發了一種新型煉鎂料塊,運用FLUENT軟件對料塊的傳熱過程進行數值模擬,分別研究了料塊的高度、外緣高度、內孔直徑、上下面直徑、凹槽直徑和凹槽個數對料塊傳熱過程和鎂產量的影響.發現當料塊的高度為100 mm、外緣高度為50 mm、內徑為100 mm、上下面直徑為200 mm、凹槽直徑為50 mm和凹槽個數為8個時,單爐鎂產量最高為318 kg·h^-1,較傳統球團料提高43.9%,噸鎂煤氣消耗量降低了30.5%.通過實驗得出料塊內部的溫度分布與數值模擬的結果一致,說明數值模擬的模型是可靠的.

基于灰度擊中擊不中變換的故障特征提取方法

韓立靜, 徐金梧, 陽建宏, 黎敏

2012, 34(7): 836-840. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.020

[摘要](154)

[PDF 387KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種應用灰度擊中擊不中變換提取故障特征的方法.從待分析信號中指定若干個目標波形,由此計算得出擊中擊不中結構元素對,在每個采樣點位置進行模式匹配,具有故障特征的波形段將具有較高的輸出.應用于制氧廠驅動電機的碰摩信號和轉子試驗臺的沖擊信號,成功提取出削波特征和沖擊特征.該方法與人工分析信號的思路接近,算法容易理解,可以作為從時域波形直接提取故障特征的一種有效方法.

控制與決策

鋼坯熱軋加熱爐區生產調度模型與算法

楊業建, 姜澤毅, 張欣欣

2012, 34(7): 841-846. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.014

[摘要](190)

[PDF 347KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
鋼坯熱軋加熱爐區生產調度屬于組合優化中的NP-complete問題.本文根據加熱爐區生產特點建立了分別以生產能耗最小化和加熱質量最優化為主次目標的鋼坯加熱爐區調度數學模型,將其歸結為布爾可滿足性問題,構造了采用二進制編碼方式的遺傳禁忌搜索算法進行求解.基于實際生產數據的模擬優化結果表明,該模型和求解方法充分滿足了現場加熱爐區生產調度的需求,在滿足生產工藝約束的前提下,縮短了生產時間,提高了鋼坯入爐溫度和加熱質量,與傳統人工調度方法的結果相比具有更好的節能、高產效果.

混合時變時滯神經網絡的狀態估計器設計

張蕾, 劉賀平, 王健安

2012, 34(7): 847-852. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2012.07.019

[摘要](187)

[PDF 374KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
研究了混合時變時滯(離散時滯和分布時滯)神經網絡的狀態估計問題.離散時滯在一個區間上變化,區間下界不一定為零.通過構造一個新的Lyapunov泛函,結合Jensen積分不等式,可以得到一個時滯相關狀態估計器設計方法,使得誤差系統是全局漸近穩定的,所得結果由線性矩陣不等式形式給出.數值算例證明了本文方法的有效性和優越性.