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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2013年第35卷第1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

基于偏最小二乘法的地應力場擬合

陳章華, 陳磊, 紀洪廣

2013, 35(1): 1-7. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.001

[摘要](267)

[PDF 1476KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用偏最小二乘回歸分析方法分析礦區地應力場分布.以烏鞘嶺隧道嶺脊地段的有限測點的地應力測量結果為樣本,使用商業有限元軟件ANSYS對嶺脊地段區域的地應力場進行數值模擬.利用地應力實測數據與計算結果進行偏最小二乘回歸計算,得到擬合的地應力場數據.與傳統最小二乘分析方法相比,本文的方法通過主成分分析,可以有效解決多因變量回歸計算時由于響應變量之間較高的相關性而導致的回歸計算誤差,并可以有效地反映變量間的關系,為地應力場的建立提供有效的數據支持.

深部煤層地下氣化化學點火方法研究及數值模擬

梁新星, 孫春寶, 梁杰, 沈芳

2013, 35(1): 8-15. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.004

[摘要](298)

[PDF 1864KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過對適合地下氣化點火煤層的條件和煤質進行分析,設計了深部煤層地下氣化化學點火裝置以及化學點火模型試驗臺.當點火劑中硅烷與氧氣的體積比為1:3.33、點火劑壓力保持在0.3MPa時,點火區溫度上升速率600℃·h^-1,最高溫度達到800℃,完全能夠將模擬深部煤層點燃.利用數值模擬軟件FEMLAB對點火過程中煤層溫度場做了計算機數值模擬.當煤層點火區溫度設定為1366℃時,溫度場的擴展速率為28.75℃·min^-1,與采用模型試驗得到的溫度變化趨勢基本一致.

瓦斯抽放煤層增透深孔聚能爆破鉆孔參數

郭德勇, 呂鵬飛, 單智勇, 謝安

2013, 35(1): 16-20. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.006

[摘要](286)

[PDF 777KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以焦作煤業集團九里山礦煤層深孔聚能爆破試驗為基礎,利用數值模擬分析了爆破煤體應力變化規律,發現聚能爆破效應導致應力峰值增大,擴大了煤體裂隙區范圍.同時對聚能爆破鉆孔參數進行優化,確定了合理的炮孔直徑、爆破孔間距、爆破孔與鄰近抽放孔及煤層頂底板間距.現場試驗結果表明:優化的鉆孔參數不僅使聚能爆破增透效果顯著而且保證了爆破過程的安全.

沖擊危險性及其實時預警云圖技術

王進強, 姜福興, 呂文生, 曲效成, 杜建華

2013, 35(1): 21-26. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.007

[摘要](257)

[PDF 1075KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用拋物線型隸屬函數分別建立了基于應力值和應力變化速度的沖擊危險性指數計算公式,利用最大隸屬度原則計算多因素沖擊危險性指數,使用云圖的方式全面、直觀地反映工作面支承壓力及沖擊危險性的空間分布規律,最終建立了基于云圖的沖擊危險性預警系統.該系統已在全國20多個具有沖擊危險性的煤礦得到應用,并取得良好的效果.

紅土鎳礦選擇性還原焙燒過程中的相變轉化

蔣曼, 孫體昌, 劉志國, 張士元, 劉娜, 寇玨, 曹允業

2013, 35(1): 27-34. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.008

[摘要](300)

[PDF 2130KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對傳統選礦方法難以回收低品位紅七鎳礦中有價金屬鎳的問題,采用選擇性還原焙燒法研究了不同焙燒溫度以及不同焙燒時間條件下紅土鎳礦(Ni品化為1.49%)中發生的微觀結構變化以及相變轉化.通過X射線衍射、掃描電鏡及X射線能譜分析等測試手段分析表明,在不同焙燒溫度及不同時間條件下經選擇性還原后的紅土鎳礦中,鎳氧化物逐漸被還原成鎳鐵合金相,鐵氧化物主要轉變成浮氏體相,硅酸鹽主要以橄欖石形式存在.最后通過還原焙燒磁選試驗證實,還原劑為煙煤,添加劑為NCS,兩者用量分別為原礦質量的2%和7%,在1200℃條件下焙燒50min,磁選分離得到鎳鐵產品中鎳品位為9.78%,鎳的回收率為92.06%,鎳鐵回收率差為62.51%,實現了紅土鎳礦中鎳鐵的選擇性還原.

冶金與材料

首鋼燒結礦還原動力學

潘文, 吳鏗, 趙霞, MIN Dong-Joon, 王洪遠, 張中川

2013, 35(1): 35-40. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.016

[摘要](183)

[PDF 1516KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用熱重法在1173~1373 K、全CO氣氛條件下,對首鋼燒結礦進行還原動力學實驗,確定了還原反應的表觀活化能,進而推斷在還原反應的前期燒結礦還原速率均由界面反應控制,還原反應后期的控制環節為固相擴散.分別由未反應核模型和固相反應動力學模型,分段給出不同溫度下控制環節突變的時間點;通過動力學公式計算,得出不同溫度下的反應速率常數和固相擴散系數.利用光學顯微鏡觀察了燒結礦在各還原階段的微觀形貌,驗證了燒結礦還原動力學的機理,同時也證明了擴散控制階段使用體積縮小的未反應核模型與實際情況是吻合的.

含釩鈦鐵礦球團還原過程中微觀結構變化

張建良, 楊廣慶, 國宏偉, 邵久剛, 李健, 文永才

2013, 35(1): 41-48. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.017

[摘要](183)

[PDF 2627KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
在實驗室模擬高爐條件下研究了含釩鈦鐵礦球團的還原過程,采用X射線衍射儀測定含釩鈦鐵礦球團在不同還原溫度下的物相組成,通過光學顯微鏡和掃描電鏡觀察含釩鈦鐵礦球團還原過程中微觀結構變化,并結合能譜分析儀研究氧化物中不同元素的分布狀況.含釩鈦鐵礦球團在還原過程中出現的鐵鈦分離現象會影響含釩鈦鐵礦球團的還原性,形成的高鈦含量鈦鐵晶石會增加鐵氧化物還原難度.高溫時形成的密實金屬鐵球殼會阻礙內部氧化物的還原,導致還原停滯,從而造成含釩鈦鐵礦球團高溫還原性較差.當內部熔融物滴下時,會提高高爐下部氧勢,有利于減少Ti(C,N)的生成.

非均質形核細化16Mn鋼凝固組織

華正利, 宋波, 毛璟紅, 王夢

2013, 35(1): 49-54. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.009

[摘要](311)

[PDF 2055KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過感應爐對比實驗,考察了基于不同非均質形核理論計算所得的三類有效形核質點Ce₂O₃、ZrO₂和MgO對細化16Mn鋼凝固組織的影響.結果表明:只符合點陣錯配度理論判據的MgO形核質點將鑄錠等軸晶率從32%提高至37%;只符合靜電作用理論判據的ZrO₂形核質點將等軸晶率提高至40%;同時滿足點陣錯配度理論和靜電作用理論判據的Ce₂O₃非均質形核質點將等軸晶率提高至44%.在上述三個非均相成核的粒子中,Ce₂O₃能最大程度細化16Mn鋼凝固組織.鋼中形成以上三類形核核心后,鋼的原始奧氏體晶粒尺寸以及顯微組織均得到不同程度細化.

316L不銹鋼冷變形加工硬化機制及組織特征

宋仁伯, 項建英, 侯東坡

2013, 35(1): 55-60. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.010

[摘要](223)

[PDF 1326KB](25) [施引文獻] ()

摘要:
通過對316L不銹鋼的不同變形量的壓縮試驗,對其冷變形特性進行了研究.利用修正的Ludwik模型對流變應力數據進行非線性擬合,獲得了316L不銹鋼的真應力應變模型和加工硬化模型.試驗結果表明:修正的Luiwik模型能較好的反映316L不銹鋼真應力與應變關系;根據流變應力的變化規律,316L不銹鋼冷變形流變應力可分為三個階段,分別為真應變小于0.02的強加工硬化階段,真應變在0.02與0.29之間的穩加工硬化階段,以及真應變大于0.29的弱加工硬化階段.電子顯微技術研究表明316L不銹鋼三個不同的變形階段,其加工硬化機制、微觀組織特征有所不同.

含鉬耐候鋼的腐蝕性能

劉志勇, 汪兵, 賀信萊, 楊善武, 陳吉清

2013, 35(1): 61-65. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.011

[摘要](182)

[PDF 1062KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過顯微組織觀察、周浸加速腐蝕實驗、銹層微觀分析、銹層交流阻抗特征分析等方法,研究了合金元素鉬含量對耐候鋼腐蝕性能的影響.合金元素鉬可以促進鋼中貝氏體組織的形成,促使銹層更加致密,對鋼基體具有更好的保護性,有利于提高鋼的耐腐蝕性能.隨著鋼中鉬含量的增加,實驗鋼銹層的腐蝕電位正移,自腐蝕電流密度減小,銹層的陽極溶解反應受到明顯阻礙,銹層具有更好的保護性.

鈣離子的濃度對X80鋼腐蝕行為的影響

王瑩, 俞宏英, 程遠, 單海濤, 孫冬柏

2013, 35(1): 66-71. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.012

[摘要](214)

[PDF 1521KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
采用失重法、電化學測試、掃描電鏡、X射線衍射等方法研究了鈣離子濃度對X80鋼在哈密土壤模擬溶液中的腐蝕行為影響.在60d浸泡期內,X80鋼在不同鈣離子濃度模擬溶液中的腐蝕形態均為全面腐蝕,腐蝕產物都為B-FeOOH;X80鋼在模擬溶液中的腐蝕速率隨鈣離子濃度的降低而呈逐漸增大的趨勢.在180d浸泡期內,在鈣離子濃度為63.5mmol·L^-1的模擬溶液中,鈣鹽隨時間的增加在X80鋼基體表面不斷結晶析出;鈣鹽層有效阻礙了溶解氧的遷移,并促進其覆蓋區域下形成氧濃差電池,最終導致基體表面點蝕的萌生.同時,在內層腐蝕產物表面連續析出的鈣鹽層的致密性也隨時間不斷得到改善,在一定程度上起到了抑制氯離子和溶解氧對基體的侵蝕作用,X80鋼的全面腐蝕逐漸減緩.

連續柱狀晶BFe10-1-1合金管材無模拉拔過程中組織演變

余均武, 劉雪峰, 謝建新

2013, 35(1): 72-77. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.013

[摘要](146)

[PDF 1845KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
在拉拔速度O.6-0.9mm·s^-1、變形溫度750-900℃條件下,對具有連續柱狀晶組織的BFe10-1-1合金管材進行了無模拉拔成形,研究了變形后的微觀組織,探討了其組織演變規律及機理.在本文工藝參數范圍內,晶界平直的連續柱狀晶組織BFe10-1-1合金管材在無模拉拔成形后微觀組織演變為鋸齒形晶界的連續柱狀晶組織.隨拉拔速度和變形溫度的增加,鋸齒的齒深不斷加大.位錯易在接近晶界的區域塞積并躍出晶界,導致在晶界處出現滑移臺階,形成鋸齒形晶界;在滑移變形的同時,粗大的連續柱狀晶開始轉動,加劇了鋸齒化的程度.高的熱激活能和變形儲存能未能及時釋放是BFe10-1-1合金保持連續柱狀晶組織的根本原因.

高容量正極材料Li[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂的倍率性能

高敏, 連芳, 仇衛華, 楊王玥

2013, 35(1): 78-84. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.020

[摘要](147)

[PDF 1559KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用碳酸鹽共沉淀工藝,通過控制結晶合成了顯微形貌呈現較大差異的Li[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂樣品,并對樣品進行了X射線衍射、高分辨透射電鏡、場發射掃描電鏡分析以及恒電流充放電和交流阻抗測試.合成的Li[[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂材料均具有良好的結晶度,可標定為α-NaFeO₂結構(空間群R3m).其中,具有一次顆粒沿六方棱柱長軸方向形成"簇形"團聚的材料比其他樣品具有優異的倍率性能,在電壓范圍為2.5-4.8V,倍率分別為0.5C、1.0C和3.0C時,Li[[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂材料首次放電比容量分別達到205.4、195.5和158.5mA.h·g^-1,100次循環后放電比容量保持在203.5、187.2和151.2mA·h·g^-1,容量保持率分別為99%、96%和95%.Li[[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂材料特殊的顆粒團聚狀態降低了界面的電荷轉移阻抗,材料的倍率性能顯著提高.同時,文中對Li[[Li_0.17Mn_0.58Ni_0.25]O₂材料在不同截止電壓下的電化學性能進行了對比分析.

天然氣還原熱解硫酸鎂制備高純氧化鎂

馬玉文, 馮雅麗, 李浩然

2013, 35(1): 85-90. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.002

[摘要](312)

[PDF 955KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用鹽湖氯化鎂和硫酸制備七水硫酸鎂,將七水硫酸鎂脫水得到無水硫酸鎂.采用天然氣還原熱解無水硫酸鎂得到高純氧化鎂.通過單因素實驗考察了還原熱解溫度、熱解時間、硫酸鎂的粒徑和天然氣氣體流量對硫酸鎂轉化率的影響,通過正交試驗優化了還原熱解的條件.采用X射線衍射和掃描電鏡對還原熱解產物進行分析和表征.氧化鎂的最佳制備條件:熱解溫度為1000℃,熱解時間為30min,硫酸鎂粒徑為75μm,天然氣氣體流量為25mL·min^-1.溫度是影響硫酸鎂轉化率的主要因素.在最佳制備條件下,硫酸鎂的轉化率達到99.27%,氧化鎂的純度達到99.5%,制取的氧化鎂單分子均勻,表面為多孔蓬松,具有高比表面積.

磁場作用下煤系針狀焦的制備與電化學性能

高成鳳, 王保成, 王樹崗, 李建華, 許永霞

2013, 35(1): 91-96. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.003

[摘要](283)

[PDF 1255KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以除去喹啉不溶物的煤瀝青為原料,在自制的載磁反應釜中制備針狀焦.通過改變體系聚合反應最大壓力及最高溫度,對針狀焦制備過程中施加磁場后中間相形成階段的溫度、體系最大壓力等工藝條件進行了探討,研究了不同條件下制備的針狀焦的結構與電化學性能.采用掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀表征產物的結構特點;采用循環伏安法及電化學阻抗等分析方法表征了不同條件下制備的針狀焦的電化學性能.在磁場作用下,體系最大壓力為0.4 MPa、體系最高聚合溫度為520℃時制備的針狀焦具有最佳的結構及電化學性能.

軋制溫度對TA1/Q345復合板性能的影響

余偉, 張蕾, 陳銀莉, 謝利

2013, 35(1): 97-103. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.014

[摘要](193)

[PDF 1592KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
相對于爆炸復合法和爆炸軋制復合法而言,采用真空-軋制生產鈦鋼復合板的方法更加適應大規模生產需要.本實驗將TA1鈦材置于兩塊Q345鋼材中間組成組合坯,組合坯經抽真空至0.1 Pa后密封,在840~930℃下進行加熱軋制,對軋制復合樣進行力學性能檢測,并利用掃描電鏡、X射線衍射分析及顯微硬度儀對組織與界面結合度進行分析.在該實驗條件下,鈦鋼復合板剪切強度在159 MPa以上,達到了1類復合板標準要求,870℃軋制復合板性能較優.900和930℃軋制時,鈦發生相變,同時在界面處生成了較多的金屬問化合物,鈦和鋼的變形抗力相差過大和變形不協調導致界面附近的內應力變大,這些因素都降低了界面的剪切強度.840℃軋制后剪切強度低的原因是由于溫度過低影響了界面附近元素的擴散.

碳納米管增強鋁基復合材料的力學和物理性能

史娜, 聶俊輝, 張亞豐, 賈成廠

2013, 35(1): 104-111. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.005

[摘要](311)

[PDF 1937KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
采用磁力攪拌與放電等離子燒結技術制備了碳納米管(CNT)增強鋁基復合材料.對試樣進行了掃描電鏡和透射電鏡表征,測試了試樣的力學性能、摩擦性能、電學性能和熱學性能.當碳納米管在試樣中的質量分數為1%時,可在鋁基體中均勻分布且CNT/Al界面結合良好,此時試樣的抗拉強度和硬度較純A1分別提高了29.4%和15.8%.在獲得最佳力學性能強化和最佳減磨效果的同時.試樣電導率較純Al僅降低8.0%.碳納米管可提高基體的熱導率.但強化效果不明顯.

設備與能源

基于流函數的H型鋼軋制力能參數模型

趙景云, 臧勇, 逄曉男, 呂智勇

2013, 35(1): 112-119. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.015

[摘要](187)

[PDF 1140KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
通過合理的假設對H型鋼變形區進行分區.基于流函數方法確定了各個變形區的速度場,建立了H型鋼萬能軋制力學模型.在此基礎上,使用Powell多參數優化算法優化變形區參數以使變形區的總功率達到最小并最終求得H型鋼軋制力能參數.計算中采用高斯積分的方法,使得計算結果更加準確.計算結果表明,腹板和翼緣的延伸率相同時,本文模型計算結果與經過實驗數據驗證的有限元結果的誤差不超過1.53%,當偏離標準工況較大時,通過適當修正,亦可保證本文方法的計算精度.在腿腰延伸比λ=1附近時,模型計算的軋制力與有限元結果變化趨勢相同.在合理的力臂系數情況下,兩者結果吻合較好.

對稱與非對稱齒輪齒根彎曲應力對比分析

李寧, 李威, 肖望強

2013, 35(1): 120-125. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.019

[摘要](232)

[PDF 1536KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
非對稱漸開線直齒圓柱齒輪作為一種新型的齒輪.無法通過現有的解析法對其齒根彎曲應力強度進行計算.通過分析其輪齒齒廓結構特點,以平截面法為基礎,建立了一種新的求解方法,推導出該類齒輪齒根彎曲應力解析法計算公式.以相同模數及齒數的對稱、非對稱齒輪為研究對象,在相同工作狀況下,分別通過解析法和有限元法,對對稱、非對稱漸開線直齒圓柱齒輪正向、反向旋轉過程中輪齒齒根的彎曲強度進行了研究.取嚙合齒輪對一個嚙合周期內的五個特殊位置點,對兩種齒輪輪齒兩側齒根彎曲應力進行了對比分析.最后通過階梯增載疲勞試驗法,對兩類齒輪進行了輪齒齒根的彎曲疲勞強度試驗,通過試驗數據對理論分析結果進行了驗證.

控制與決策

特殊鋼廠爐機匹配研究

穆衍清, 尹佳, 謝飛鳴, 王寶, 王彬, 王闖, 劉青, 盧新春, 張立強, 白素宏

2013, 35(1): 126-133. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.01.018

[摘要](165)

[PDF 1152KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
目前國內煉鋼廠普遍存在多鋼種生產的復雜組織模式,生產組織中"爐"與"機"之間的匹配程度在很大程度上影響著煉鋼廠生產的順利進行.在以往研究的基礎上,以國內某特殊鋼廠為例,對爐機匹配問題進行分析討論.提岀當量周期的概念,結合產品結構對爐機匹配模式進行解析;提出爐機匹配度的建議評價指標,對爐機匹配關系進行評價.