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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2013年第35卷第10期

欄目

資源與環境
冶金與材料
設備與能源
控制與決策

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資源與環境

粗、細粒徑花崗巖凍融損傷機理及其演化規律

周科平, 張亞民, 李杰林, 許玉娟

2013, 35(10): 1249-1255. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.002

[摘要](259)

[PDF 2497KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
通過粗、細兩種顆粒花崗巖的凍融循環試驗和巖石力學試驗,研究了不同粒徑巖石的凍融循環作用對巖石物理力學特性的影響.利用核磁共振技術對凍融循環前后的巖樣進行檢測,得到了橫向弛豫時間譜的變化和巖樣核磁共振成像,分析了巖樣在凍融前后的孔隙度變化、空隙結構及分布的演化特性等.采用宏觀唯象損傷理論和自洽理論對不同粒徑花崗巖在凍融條件下的宏、細觀損傷演化規律進行了分析.研究發現在凍融循環作用下,巖石內部的孔隙逐漸增多,不斷造成巖石的強度損失;損傷模型的計算值與實際相符,但不同損傷理論對花崗巖損傷程度趨勢變化的反應存在差異;細顆粒花崗巖呈現出較高凍融耐久性.

大孔吸附樹脂從藻粉中分離純化微囊藻毒素

曹艷秋, 弓愛君, 李紅梅, 李寶芹, 邱麗娜

2013, 35(10): 1256-1261. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.001

[摘要](258)

[PDF 630KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
比較了XAD-2樹脂和D101樹脂分別從天然藻粉粗品中吸附分離微囊藻毒素(Microcystin-LR,MC-LR)的結果,討論了用不同體積分數的乙酸、丙酮和乙醇溶液淋洗去除樹脂吸附雜質的效果.實驗結果表明:XAD-2樹脂分離效果優于D101樹脂.對于采用XAD-2樹脂吸附分離得到的微囊藻毒素MC-LR,采用體積分數40%乙酸、10%丙酮和20%乙醇溶液淋洗雜質的效果較好,采用體積分數60%的甲醇水溶液洗脫微囊藻毒素MC-LR可以獲得最大產品質量濃度,并且該純化方法重現性良好.

赤鐵礦反浮選脫硅新型胺類捕收劑的結構性能計算

王紀鎮, 鄧海波, 王淀佐

2013, 35(10): 1262-1267. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.004

[摘要](285)

[PDF 467KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用作者導出的計算公式,系統研究了赤鐵礦反浮選脫硅捕收劑N-十二烷基-1,3-丙二胺(CH₃(CH₂)₁₁NH(CH₂)₃NH₂,記為DN₃)與N-十二烷基乙二胺(CH₃(CH₂)₁₁NH(CH₂)₂NH₂,記為DN₂)的結構性能,得出了該類捕收劑應具有基團電負性較小、前線軌道能級差的絕對值較小、極性基斷面尺寸較大、中心原子凈電荷較大等結論.采用不同捕獲劑進行了赤鐵礦反浮選脫硅試驗.結果表明,DN₃和DN₂的選擇性和捕收性都好于十二胺(CH₃(CH₂)₁₁NH₂),DN₃的選擇性優于DN₂,DN₂的捕收性優于DN₃.計算結果與實際浮選試驗結果相符合.

膠質芽孢桿菌HJ07的UV與NTG誘變育種及其對鋁土礦浸礦效果

孫德四, 王化軍, 張強

2013, 35(10): 1268-1278. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.005

[摘要](307)

[PDF 9191KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以從河南鋁土礦樣篩選出的一株膠質芽孢桿菌HJ07為出發菌株,對其進行紫外(UV)與亞硝基胍(NTG)誘變育種及鋁土礦浸礦脫硅研究.分別通過紫外線照射120 s與采用質量濃度為600 mg·L^-1的亞硝基胍處理,出發菌株HJ07的致死率分別達到89%與90%,正突變率分別達到16.5%與18.7%.從突變菌株中篩選所得的兩株菌種UV-2與NTG-5的生長代謝活性與脫硅能力明顯比出發菌株高.在鋁土礦浸出體系中,UV-2與NTG-5達到生長穩定期的時間比HJ07分別縮短了48 h與24 h,且生長穩定期具有更大的細菌濃度.浸礦12 d后,UV-2與NTG-5菌株浸出液中SiO2的質量濃度分別比HJ07提高了約25.6%與12.5%,且達到浸出終點的時間分別縮短了3 d和2 d.UV-2與NTG-5菌株較出發菌株HJ07具有更強的產酸與產胞外聚合物的能力.被UV-2菌株作用后的鋁土礦表面的溶蝕程度更加顯著,礦物表面形成了明顯的菌膠團.

冶金與材料

機械活化強化鈮鉭礦堿性水熱體系浸出

孫青, 汪加軍, 王曉輝, 楊秀麗, 鄭詩禮, 謝華, 鄭水林

2013, 35(10): 1279-1288. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.011

[摘要](182)

[PDF 11272KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
針對現行鈮鉭礦HF酸處理工藝氟污染嚴重的問題,提出以KOH溶液替代高毒性HF介質的鈮鉭礦堿性水熱體系浸出新方法,研究了鈮鉭礦在KOH堿性水熱體系浸出規律.結果表明,在KOH質量分數50%范圍內,KOH質量分數和反應溫度的提高會促進鈮鉭礦分解生成可溶性六鈮(鉭)酸鉀,但過高的KOH質量分數和反應溫度會使可溶性六鈮(鉭)酸鉀向不溶性偏鈮(鉭)酸鉀轉化,造成鈮、鉭浸出率的下降.在KOH質量分數35%、反應溫度200℃、堿礦質量比4:1以及反應時間2 h的最佳浸出條件下,鈮和鉭浸出率僅為18.73%和9.4%;通過機械活化對鈮鉭礦進行預處理后,鈮和鉭浸出率可大幅度提高至95%和60%,說明機械活化可顯著強化鈮鉭礦堿性水熱浸出過程.鈮鉭礦經機械活化后,礦物粒度減小,比表面積增加,晶格畸變增大,無定形化程度增加,內部缺陷程度增加,礦物的反應活性大大增加,鈮鉭礦的浸出率顯著提高.

紅土鎳礦富集鎳和鐵的焙燒、氫氣還原和磁選分離

高金濤, 張顏庭, 陳培鈺, 李士琦

2013, 35(10): 1289-1296. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.012

[摘要](203)

[PDF 8446KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
對印尼紅土鎳礦的基礎特性進行了系統的研究,發現礦石主要由蛇紋石和輝石組成,其中Ni元素主要以類質同象的形式取代Mg元素存在于蛇紋石中.在此基礎上分別進行了紅土鎳礦焙燒、氫氣還原、磁選分離鎳和鐵的一系列實驗研究.紅土鎳礦與碳酸鹽添加劑進行混合焙燒實現了Ni和Fe氧化物的釋放;對焙燒產物進行氫氣還原,還原產物中Ni和Fe元素以金屬形態存在,Fe金屬化率最高超過80%,遠大于原礦還原產物中Fe的金屬化率(4%-8%),且隨著溫度升高,Ni元素易與Fe結合生成Fe-Ni;磁選所得產物中Ni和TFe品位分別達到3%和20%,Fe和Ni的回收率分別達到80%和90%,初步實現Ni和Fe的富集.

TiO₂-Al₂O₃-CaO-SiO₂低堿度高鈦渣熔體黏度特性

董相娟, 孫昊延, 佘雪峰, 薛慶國, 王靜松

2013, 35(10): 1297-1303. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.013

[摘要](159)

[PDF 1223KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
研究了TiO₂含量、Al₂O₃含量以及二元堿度(CaO/SiO₂)對TiO₂-Al₂O₃-CaO-SiO₂低堿度高鈦渣黏度的影響.實驗采用旋轉柱體法在1633-1873K溫度范圍內對渣系熔體黏度進行了測量.當TiO₂質量分數為23%-43%、Al₂O₃質量分數為3%-12%和二元堿度為0.3-0.7時,鈦渣熔體黏度隨TiO₂含量和堿度的增加而降低,隨Al₂O₃含量的增加而增加.通過對轉底爐-電爐熔分過程渣系脫硫能力計算,得知在低堿度高鈦渣中TiO₂屬于酸性.依據黏度測量數據和對TiO₂屬性的界定,通過修正Urbain模型建立了低堿度高鈦渣的熔體黏度預報模型.模型預測結果誤差為11%,證明新模型對于低堿度高鈦渣的黏度具有良好的預報效果.

高拉速板坯連鑄結晶器浸入式水口的水模型研究

鄧小旋, 熊霄, 王新華, 冀云卿, 黃福祥, 郝鑫

2013, 35(10): 1304-1312. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.014

[摘要](197)

[PDF 21393KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
利用染料示蹤法,采用波高傳感器和旋槳式流速儀在全比例水模型中研究了四種浸入式水口(A型:凹型,15°(上角度)-15°(下角度);B型:凸型,15°-15°;C型:凹型,40°-15°,D型:凸型,40°-15°)下板坯連鑄結晶器內的流場和液面特征.發現采用凹型水口時結晶器液面的波動與表面流速均小于凸型水口.凹型水口F的表面流速變化的功率(頻率為0.03~0.1Hz)比凸型水口小約50%,所以凹型水口更有利于減少結晶器內卷渣的發生.在高拉速條件下(拉速為1.8m·min^-1,較大的水口出口上角度有利于抑制水口出口流股的漩渦流,進而減少剪切卷渣的發生.四種水口中C型水口條件下結晶器液面的表面流速最小,約為0.27m·s^-1,為提高拉速留有較大余地,所以適合高拉速連鑄的最佳浸入式水口為C型.

氫致鋼內部疲勞裂紋萌生和擴展的有限元分析

謝卿, 王弘

2013, 35(10): 1313-1319. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.006

[摘要](266)

[PDF 10571KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
對氫致鋼內部疲勞裂紋的萌生和擴展進行了數值模擬.首先用有限元法分析了氫在疲勞載荷作用下向鋼中缺陷處擴散富集的過程,然后計算得到氫含量分布結果.根據夾雜理論將氫富集區視為在缺陷附近分布的彈性夾雜,用有限元法計算得到的氫含量場求出夾雜處的應力強度因子,進而建立疲勞裂紋萌生和擴展的判據.比較了在不同加載條件下氫致疲勞裂紋萌生和擴展的規律.用梯形法修正了Sofronis和McMeeking的瞬態擴散有限元公式,發現用梯形法可以緩解加載初期較高的濃度梯度和應力梯度引起的計算結果震蕩的情況,這對于計算開裂判據是十分重要的.最后討論了提高模擬精度和改進模型的方法.

溫度對Z3CN20-09M不銹鋼在含氯高溫水中應力腐蝕行為的影響

陸永浩, 陳子瑞, 朱曉鋒

2013, 35(10): 1320-1326. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.007

[摘要](267)

[PDF 12655KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
研究了溫度對核電用Z3CN20-09M不銹鋼在含Cl的高溫高壓水中的應力腐蝕開裂行為的影響.材料的應力腐蝕開裂敏感性變化趨勢與試驗溫度變化趨勢并不一致.320℃時材料的應力腐蝕開裂敏感性最高,290℃時為最低,250℃時開裂敏感性介于兩者之間.250℃和320℃條件下腐蝕后試樣表面形成了內部致密、外部疏松的雙層氧化膜,而在290℃條件下腐蝕后試樣形成的是致密的單層氧化膜.大多數點蝕坑產生于鐵素體相.應力腐蝕裂紋優先在點蝕坑底部或相界面形核,并傾向于沿相界面或向鐵素體內部擴展.鐵素體/奧氏體界面對應力腐蝕裂紋的作用取決于裂紋面與相界面的取向關系.當裂紋擴展方向平行于相界面時,裂紋易沿著相界擴展;當裂紋擴展方向垂直于相界面時,相界面對裂紋擴展起阻礙作用.

雜散電流對接地材料在陜北土壤模擬溶液中腐蝕行為影響

高書君, 王森, 胡亞博, 李志忠, 吉宏亮, 董超芳, 李曉剛

2013, 35(10): 1327-1332. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.008

[摘要](260)

[PDF 1854KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用自行設計的雜散電流模擬裝置,測試了距離雜散電流源不同距離的純鋅、純銅和鋅/銅耦接結構在陜北土壤模擬溶液中的電位和腐蝕電流,并結合電化學阻抗譜對接地材料腐蝕行為進行分析.研究發現接地材料純鋅表面存在明顯的由陰極區向陽極區的過渡,陽極區的試樣腐蝕嚴重;純銅表面發生電化學反應的阻抗明顯高于純鋅,在存在雜散電流的介質中具有更好的耐蝕性;鋅作為犧牲陽極與純銅接地材料耦接后,會使純銅表面電位整體負移,原來位于雜散電流流出區域的純銅也進入陰極區受到保護.

耦合位錯密度的6111鋁合金熱變形本構模型

傅壘, 王寶雨, 林建國, 周靖, 馬聞宇

2013, 35(10): 1333-1339. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.009

[摘要](278)

[PDF 2227KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
利用Gleeble-1500熱模擬試驗機對6111鋁合金進行高溫拉伸試驗,研究了其在變形溫度為350、450和550℃以及應變速率為0.1、1和10 s^-1時的熱變形行為.6111鋁合金的流變應力隨溫度升高而減小,隨應變速率增大而增大,其熱變形從應變硬化階段過渡到穩態變形階段.建立了綜合考慮應變、溫度和應變速率對流變應力的影響以及耦合位錯密度的統一黏塑性本構模型,并通過遺傳優化算法求解出本構模型中的材料常數.模型計算得到的真應力-真應變曲線與試驗數據吻合較好.

納米銅粉對高速壓制鐵基粉末冶金零件性能的影響

王文浩, 尹海清, 曲選輝, Dil Faraz Khan

2013, 35(10): 1340-1345. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.015

[摘要](141)

[PDF 11317KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
研究了用高速壓制技術制備的納米銅粉增強鐵基合金制品的性能.在保持原料中銅粉總質量分數1.5%不變的情況下,將部分或全部微米級銅粉替換成納米級銅粉,并通過高速壓制技術制備了七種納米銅粉質量分數分別為0、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、1.25%和1.50%的鐵基合金制品試樣,隨后壓坯于1150℃下燒結2h.研究發現鐵基合金燒結制品的組織和性能得到改善,且尺寸精度得到有效控制.當納米銅質量分數為0.75%時,燒結態合金的抗拉強度和硬度分別達到720.6MPa和94.7HRB.納米銅質量分數為0.25%-1.5%時,所得試樣的軸向和徑向收縮率分別在0.4%-0.7%和-0.09%~-0.23%之間.

高溫含水條件下BN粉體的反應動力學

侯新梅, 虞自由, 陳志遠, 周國治

2013, 35(10): 1346-1352. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.003

[摘要](271)

[PDF 4351KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
針對高溫含水條件下非氧化物材料經常面臨的性能失效問題,以六方BN粉體(平均粒度為1.2μm)為研究對象,利用高溫熱重分析、X射線衍射以及掃描電鏡等手段,考察了BN粉體在不同溫度(1273-1373K)含水條件下f水和空氣的體積比為3:7)的反應行為,并與其在干燥空氣下的反應行為進行對比.BN粉體在含水條件下的反應有如下特點:在反應初期,試樣質量增加率快速增加;在反應后期,試樣質量增加率變緩.結合熱力學分析探討了BN材料在高溫含水條件下的反應機理:質量快速增加階段主要發生BN與O₂之間的氧化反應,試樣質量增加率變緩階段主要是由于氧化產物B₂O₃與H₂O反應生成了揮發性產物.隨著溫度的升高,兩反應階段試樣的質量增加率均有所提高.利用周模型對BN材料在高溫含水條件下的反應動力學進行了較為精確且定量的擬合,結果與實驗數據吻合良好.

二氧化錳微納米球和微米棒的制備工藝優化及性能

張勇, 李光胤, 高海麗, 張建, 黃淑榮, 王力臻, 宋延華

2013, 35(10): 1353-1359. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.020

[摘要](170)

[PDF 1874KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用一種簡便、快速和低溫的水熱法制備了超級電容器用MnO₂微納米球和微米棒粉體顆粒,并用正交試驗和單因素實驗對其制備工藝進行了優化。通過X射線衍射、掃描電鏡和電化學測試,研究了所得材料的晶體結構、表面形貌和超電容性能.最佳合成工藝條件為:反應溫度150℃,KMnO₄/MnCl₂摩爾比2.5:1.0,反應時間3h,填充率40%。該工藝下所制的樣品為α-MnO₂,且呈現出空心、表面多孔的微納米球和微米棒形貌.微納米球的直徑約為0.2-0.8μm,微米棒的直徑約為30nm、長約為5μm.在此條件下,所得樣品在100、150、200、250和300mA·g^-1電流密度下,第5次的放電比電容分別為255、170、133、105和88F·g^-1,其等效串聯電阻和電荷轉移電阻分別為0.37和0.40Ω.

設備與能源

金屬薄板滾壓沖裁過程數值模擬及模具參數

臧勇, 穆磊, 吳迪平, 秦勤, 郜志英

2013, 35(10): 1360-1367. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.010

[摘要](176)

[PDF 1985KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了在沒有壓下輥的情況下滾壓沖裁過程的運動學特性,據此提出了通孔滾壓沖裁模具的設計方案.在此基礎上,利用ABAQUS有限元軟件進行了基于Shear Failure韌性斷裂準則和任意拉格朗日一歐拉自適應網格技術的45號鋼薄板滾壓沖裁過程有限元仿真,分析了主要參數對斷面質量的影響.仿真結果表明:方形孔滾壓沖裁時,前后刃口依次經歷板帶彎曲、凸模壓入、裂紋產生和發展、斷裂和凸模拔出五個階段;滾壓沖裁斷面的主要質量缺陷包括斷面垂直度、毛刺、塌角、壓痕等;影響滾壓沖裁斷面質量的主要因素包括側隙、凸模高度、輥子半徑等.減小標稱側隙和凸模高度、增大輥子半徑均會使斷面質量提高,其中又以對斷面垂直度和毛刺高度的影響更為明顯.對于45號鋼一類的碳鋼,后刃口標稱側隙以板厚的5%-10%為宜,前刃口標稱側隙可以更小:輥子半徑應以大于板厚的100-150倍為宜;在保證板材完全斷裂的前提下,應使凸模高度盡量減小.

基于模糊評判的轉向節臂多工況結構響應面優化設計

唐歌騰, 石博強, 張文明

2013, 35(10): 1368-1374. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.017

[摘要](170)

[PDF 3202KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對礦用自卸車轉向系統的轉向節臂在使用過程中的多工況受載情況,建立了受載數學模型,并求取了其中的危險受載工況.考慮到各工況之間的主次關系,以模糊評判法對各工況進行權重賦值,以響應面法對各工況目標及約束函數進行響應面模型化,從而得出了轉向節臂的多工況優化設計模型.應用Matlab編程求解,最終實現了轉向節臂的多工況優化設計,并且通過與單工況優化的對比分析,進一步證實了多工況優化實際應用的合理性及價值.

水汽對多孔介質中低濃度瓦斯燃燒特性的影響

代華明, 林柏泉, 李慶釗, 張軍凱, 鄒全樂

2013, 35(10): 1375-1381. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.019

[摘要](156)

[PDF 987KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為研究含水汽低濃度瓦斯氣體在多孔介質燃燒器中的燃燒特性,采用計算流體力學方法對其進行數值分析,研究了瓦斯含不同水汽量燃燒時燃燒器中溫度分布規律和污染物排放情況.隨著瓦斯中水汽含量的增大,燃燒器軸向溫度及燃燒熱效率下降.由溫度二維等值線圖可以直觀看到不同工況下燃燒器中各個地點的溫度分布,為燃燒器設計提供指導.在確保一定熱效率時,適當增加水汽含量,可降低燃燒器中NO_x排放量,不但可以保護環境,而且有助于CO轉化為CO₂以控制有毒氣體排放量.

風電塔非線性地震動力響應規律與極限值評價

宋波, 曾潔

2013, 35(10): 1382-1389. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.018

[摘要](126)

[PDF 2320KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
基于一輪轂高度為50.41 m的實際陸上風電塔結構,運用ANSYS有限元分析軟件以及時程分析法對結構進行不同地震動作用下的非線性動力響應影響規律研究,并進一步探討了結構在正常使用極限狀態、塑性極限狀態、殘余位移條件控制下的水平位移與應力極限值,計算了響應的地震動臨界峰值,對結構的整體抗震性能進行了評價.研究結果表明:板塊邊界型地震動對風電塔這種高聳柔性結構的動力響應影響最大,在極限值評價和結構抗震性能評價中占主導地位;該風電塔的正常使用極限狀態為第一極限狀態.

控制與決策

基于HITHS算法的多節點多加工路線訂單接受問題研究

王雷, 李鐵克, 王欣, 許紹云, 孫琦

2013, 35(10): 1390-1397. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.10.016

[摘要](148)

[PDF 592KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對具有提前/拖期特點的多節點多加工路線訂單接受問題,提出采用改進NEH啟發式算法、局部搜索和智能調諧和聲搜索算法的混合智能調諧和聲搜索算法(HITHS)來求解問題.該算法首先在初始解空間中采用改進NEH啟發式算法產生部分初始解,然后利用智能調諧和聲搜索算法更新初始解,在更新過程中再利用局部搜索的互換、交換和逆序操作使其避免陷入局部最優解,從而形成問題的近似最優解.最后采用所提出的混合算法對該問題進行算例分析,并和基本和聲搜索算法進行比較,表明了混合算法的有效性和可行性.