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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單　　價：40元/期，全年480元

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2013年第35卷第12期

欄目

資源與環境
治金與材料
設備與能源

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資源與環境

深孔聚能爆破煤層增透爆破參數研究

郭德勇, 呂鵬飛, 王義貴, 楊睿

2013, 35(12): 1533-1537. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.004

[摘要](308)

[PDF 2147KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對低透氣煤層聚能爆破增透技術參數問題,在裝藥直徑一定的條件下,設計了不同裝藥系數和爆破間距的爆破孔并進行現場試驗,對比分析爆破前后爆破影響區瓦斯純量變化,考察了爆破參數對煤層增透效果的影響.結果表明,通過控制爆破孔徑向裝藥不耦合系數、軸向裝藥長度、封孔可靠性和爆破作用次數等因素可提高煤層增透效果.

基于D值理論的微震監測臺網優化布設

高永濤, 吳慶良, 吳順川, 季毛偉, 程愛平, 楊凱

2013, 35(12): 1538-1545. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.005

[摘要](319)

[PDF 1330KB](10) [施引文獻] ()

摘要:

基于D值理論,考慮礦山工程實際情況,引入微震事件概率因子、監測區域重要性因子和臺網布設可行性因子重新構建了臺網優化目標函數.以某磷礦頂板突水的微震監測為例,對全礦區按照監測區域重要性、臺網布設可行性等因素進行分區,采用專家權重法分別給出了相關因子的參考值.按照影響因子取值差異將整個監測區域再次分區,給出了分區后目標函數的積分形式,其中各監測區域控制點坐標即為相應的積分上下限.基于文中提出的微震監測網絡的動態優化設計原則,最終給出了該磷礦微震監測臺網布設方案.爆破試驗表明,本文提出的臺網布設方案具有一定的合理性和準確性,三個坐標方向的平均定位誤差為6.74 m,最大為10.05 m,空間定位誤差為12.51 m,定位精度可滿足工程監測需要.

基于元胞自動機的井巷火災仿真

李翠平, 胡磊, 侯定勇, 張佳

2013, 35(12): 1546-1552. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.006

[摘要](266)

[PDF 1023KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種基于元胞自動機的井巷火災可視化仿真方法.在礦井巷道可視化的基礎上,通過對火災元胞進行表征,綜合考慮可燃物類型與投放密度、井巷通風、井巷坡度等因素對井巷火源引燃效果的影響及雙擴散作用、井巷通風、浮力作用和節流作用等因素對火災煙氣蔓延效果的影響,采用概率函數進行元胞自動機建模,構建了表達元胞溫度的井巷火源燃燒模型和表達元胞濃度的井巷火災煙氣蔓延模型.基于火源元胞燃燒演化規則和煙氣元胞蔓延演化規則,通過可視化手段展示了井巷火災火源燃燒和有害氣體濃度的時空發展變化.同時以礦山實際數據進行檢驗,說明了基于元胞自動機的井巷火災仿真的可行性與有效性.

基于尾砂沉降與流變特性的深錐濃密機壓耙分析

李輝, 王洪江, 吳愛祥, 焦華喆, 劉曉輝

2013, 35(12): 1553-1558. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.007

[摘要](297)

[PDF 1227KB](19) [施引文獻] ()

摘要:

采用深錐相似模型動態沉降實驗及流變參數測定方法研究深錐濃密機壓耙原因.結果發現造成深錐濃密機壓耙一方面是由全尾砂進料濃度和絮凝劑添加量波動造成全尾砂絮凝沉降效果不佳而引起的;另一方面是間歇式充填排料引起深錐中料漿濃度分布差異性增強,進而導致料漿流變參數突變引起的.通過對深錐壓耙機理的研究,為深錐正常運行及事故預測和排除提供理論依據.

治金與材料

不同萃取體系分離微生物浸出液中低含量鎳鈷

劉紀紅, 周桂英, 溫建康

2013, 35(12): 1559-1564. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.012

[摘要](161)

[PDF 816KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用P507一Cyanex272混合萃取體系分離微生物浸出液中的鎳鈷,實驗結果表明該體系具有較好的協萃效應.結合低含量鎳鈷的微生物浸出液體系高酸度、低鈷鎳比的特點,對比了P507、Cyanex272和P507-Cyanex272三種萃取體系對鎳鈷的萃取分離效果,確定了在初始pH值1.5~2.2、對應的平衡pH值4.00~5.25條件下P507-Cyanex272協萃體系有較好的鎳鈷分離效果.系統考察了室溫28℃下協萃體系各影響因素對鎳鈷分離的影響,確定協同萃取的最佳工藝為:P507與Cyanex272摩爾比3:2,皂化率60%,萃取劑體積分數10%,有機相(由萃取劑與煤油組成)和水相體積比1:4.在此條件下鉆的一級萃取率為99.16%,鎳鉆分離系數為932.59.

氧分壓對鐵礦粉燒結成礦的影響

黃學軍, 郭玉峰, 張俊, 郭興敏

2013, 35(12): 1565-1568. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.013

[摘要](218)

[PDF 1182KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
氧分壓一直是影響燒結礦質量的重要因素.通過控制不同氧分壓進行的燒結實驗結果表明:在氧化性氣氛下,生成的礦物主要有赤鐵礦和鐵酸鈣,出現了針狀鐵酸鈣晶形.氧分壓從7.10×10^-4至7.89×10^-5Pa時,礦物組成區別不大,只是在局部產生少量的磁鐵礦.氧分壓從4.44×10^-5Pa開始,赤鐵礦明顯減少而磁鐵礦增加.在高堿度燒結礦中,為了獲得合理的燒結礦礦物組成與形態結構,氧分壓應控制在2.12×10⁴~7.10×10^-4Pa之間.

基于離子和分子共存理論的爐渣氧化能力表征

李鵬程, 李晉巖, 張盟, 張建良, 張鑒, 楊學民

2013, 35(12): 1569-1579. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.001

[摘要](376)

[PDF 1735KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
選用文獻報道的14個渣系鐵氧化物活度a_{Fe_tO}作為基礎實驗數據,驗證了基于爐渣離子-分子共存理論(IMCT)所定義的鐵氧化物綜合質量作用濃度N_{Fe_tO}表征爐渣氧化性的可能性和精度.為了得到14個渣系的N_{Fe_tO},建立了CaO-SiO₂-MgO-FeO-Fe₂O₃-MnO-Al₂O₃-P₂O₅渣系的IMCT-N_i模型,其他13個渣系N_{Fe_tO}可由該渣系的IMCT-N_i模型經簡化得到.結果表明,鐵氧化物綜合質量作用濃度N_{Fe_tO}不僅可像活度a_{Fe_tO}一樣表征爐渣氧化性,而且比實測a_{Fe_tO}精度更高.

轉底爐直接還原工藝綜合數學模型

佘雪峰, 王靜松, 韓毅華, 張欣欣, 薛慶國

2013, 35(12): 1580-1587. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.014

[摘要](207)

[PDF 1177KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為發展和深入認識轉底爐直接還原工藝技術,建立了轉底爐綜合數學模型,該模型由轉底爐本體熱化學平衡、轉底爐區域熱平衡計算模型、余熱回收模型、生球干燥模型、爐膛溫度校核與尾氣露點校核模型和轉底爐流程模型組成.采用綜合模型計算了該工藝流程的基本工藝參數.計算結果表明:煤氣熱值、廢氣排放溫度和余熱回收利用方案對整體能量消耗有不同程度影響,煤氣發熱值每增加50kJ·m^-3,理論燃燒溫度提高22~25℃,煤氣用量減少41~47m³·t^-1;空氣預熱溫度平均每增加100℃,理論燃燒溫度提高35~40℃,煤氣用量減少90~103m³·t^-1.此外,應用此模型還可以計算任何原料和燃料等條件下的直接還原工藝參數,研究不同余熱回收方案條件下的各個工藝參數的變化規律.

微波加熱高碳鉻鐵粉固相脫碳動力學

王晨亮, 陳津, 郝赳赳, 郭麗娜, 韓培德

2013, 35(12): 1588-1594. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.015

[摘要](177)

[PDF 1102KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用微波加熱對高碳鉻鐵粉固相脫碳進行了動力學研究.以碳酸鈣粉為固體脫碳劑,按高碳鉻鐵粉中碳與碳酸鈣粉完全分解后產生的CO₂的摩爾比為1︰1和1︰1.4混合,在微波場中對內配碳酸鈣高碳鉻鐵粉加熱到不同溫度并保溫脫碳一定時間,測定其碳含量并計算固相脫碳反應的表觀活化能.實驗表明:提高內配碳酸鈣的比例,物料的脫碳率會相應提高,但混合物料的微波加熱升溫速率會變小;對于脫碳摩爾比相同的物料,隨著脫碳溫度的提高和保溫時間的延長,物料的脫碳率隨之提高.當1200℃保溫脫碳60 min時,兩種脫碳摩爾比下物料脫碳效果最好,脫碳率分別為65.56%和82.96%.微波場能促進高碳鉻鐵粉中碳的活化擴散和CO₂的吸附擴散.微波加熱內配碳酸鈣高碳鉻鐵粉固相脫碳反應近似為一級反應,脫碳反應的表觀活化能為68.43 kJ·mol^-1.

IF鋼鑄坯皮下小氣泡分布

劉丙崗, 文光華, 唐萍, 羅琳青, 阮曉明, 施春月

2013, 35(12): 1595-1600. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.016

[摘要](186)

[PDF 1276KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過鑄坯取樣分析研究了板坯結晶器內拉速和電磁制動與小氣泡分布之間的關系,探討了拉速以及電磁制動對IF鋼鑄坯皮下氣泡大小、數量和分布的影響規律.實驗結果表明:鑄坯皮下氣泡直徑小于0.1mm的氣泡占總數的57%,0.1~0.5mm之間的占42.5%,大于0.5mm占0.5%,并且隨著皮下距離的增加,被捕捉的氣泡尺寸越來越小,而氣泡數量邊部比1/4處要多50%左右,1/4位置最少;拉速提高會導致氣泡尺寸變小,在1/4及邊部,氣泡聚集位置由皮下9mm變為12mm附近,但是低拉速和高拉速均在皮下3mm位置處有氣泡聚集;電磁制動下,鑄坯中心處氣泡尺寸變大,1/4及邊部位置氣泡尺寸變小,且會使氣泡數量總體降低,主要表現在聚集位置處的氣泡數量明顯減少.

基于動態相變的熱軋Nb-V-Ti微合金化TRIP鋼組織及性能

王明慶, 李龍飛, 楊王玥, 孫祖慶

2013, 35(12): 1601-1606. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.008

[摘要](256)

[PDF 1401KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過單軸熱壓縮試驗,結合掃描電鏡以及X射線衍射技術,研究了動態相變前奧氏體晶粒狀態對基于動態相變的熱軋Nb-V-Ti微合金化TRIP鋼復相組織狀態及力學性能的影響.與動態相變前奧氏體晶粒為等軸狀條件下相比,動態相變前奧氏體晶粒為拉長狀條件下,動態相變得到的鐵素體轉變量較大,最終復相組織中貝氏體含量較少且團徑較小,馬氏體含量較少,但對殘余奧氏體含量及其含碳量影響不明顯.與不含微合金化元素的基于動態相變的熱軋TRIP鋼相比,Nb-V-Ti微合金化TRIP鋼的屈服強度和抗拉強度明顯提高,而延伸率有所降低.

690合金高溫連續變形動態再結晶行為

譚化超, 董建新, 張麥倉, 姚志浩

2013, 35(12): 1607-1614. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.009

[摘要](267)

[PDF 3292KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
應用液壓機對690合金圓錐試樣在3種不同溫度下(1100、1140和1180℃)進行連續壓縮變形實驗,利用光學顯微鏡和背散射衍射技術研究690合金在熱加工過程的動態再結晶行為.研究發現:在連續熱壓縮變形過程中動態再結晶以三叉晶界形核-原始晶界形核-孿晶形核(孿晶界和孿晶碎化)-晶內形核的順序發展,而孿晶促進了690合金的再結晶過程.

疲勞載荷下金屬材料的磁記憶信號特征

徐明秀, 陳章華, 徐敏強

2013, 35(12): 1615-1621. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.010

[摘要](136)

[PDF 1272KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
設計拉伸疲勞試驗,研究了疲勞載荷下磁信號暫時到達的穩定狀態的特點以及疲勞過程中磁信號的分布、變化情況,并結合改進的J-A理論進行分析和討論.結果顯示:磁信號暫時到達的穩定狀態在一個循環周期內沿環線變化,并且環線隨循環載荷類型不同而變化,說明用改進的J-A理論描述磁記憶現象合理;疲勞過程中磁信號分三個階段變化,這個特征由改進的J-A模型中描述磁疇壁運動所受阻礙的參數(ξ″)隨疲勞損傷發展的變化規律解釋;磁信號在缺陷附近呈"⌒"形的分布,這個特征由缺陷附近ξ″的分布規律解釋.

陰極弧離子鍍TiAlSiN涂層摩擦與磨損行為

孔德軍, 付貴忠, 張壘, 葉存冬

2013, 35(12): 1622-1627. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.011

[摘要](142)

[PDF 2515KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用陰極弧離子鍍法在GH4169合金表面制備了TiAlSiN涂層,通過掃描電鏡和能譜儀分析了其表面和界面的形貌和能譜,用輪廓儀測試了涂層表面粗糙度.在往復式摩擦磨損試驗機上進行了涂層摩擦與磨損實驗,通過能譜儀分析了涂層表面磨損后點能譜和面能譜,考察了TiAlSiN涂層的摩擦因數和磨損性能,對其磨損機理進行了討論.實驗結果顯示涂層表面組織結構較為致密,表面粗糙度為194.57 nm;涂層主要成分為Ti、Al、Si和N元素,Si原子細化了TiN和AlN晶粒;涂層結合界面發生了化學反應和成分的相互擴散,其結合形式為化學結合;涂層摩擦因數平均值為0.493,磨損形式為磨粒磨損;磨損痕跡面掃描結果表明,磨損后Al和Ti形成的氮化物減少,Si和N原子無明顯的減少現象,涂層耐磨性增強主要依賴于Si和N形成的化合物.

利用石灰干化污泥制備水泥對水泥性能的影響

張坤, 邢奕, 洪晨, 姜長祿, 王志強, 趙瑞雪

2013, 35(12): 1628-1635. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.002

[摘要](266)

[PDF 1305KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
使用石灰干化污泥作為水泥原料的部分代替品制備水泥,石灰干化污泥質量分數變化范圍在0-30%時探討了石灰干化污泥的加入對水泥各項性能的影響.結果表明:石灰干化污泥以15%的加入量摻入生料后,可以明顯改善水泥熟料的煅燒性能、礦物相晶體結構及形貌,并且能夠顯著增強水泥強度.當石灰干化污泥摻量繼續增加后,其對于水泥性能的改善作用逐漸下降,當添加量達到30%時制得的水泥性能與未加入污泥的水泥已相差不大.毒性浸出實驗結果顯示:加入石灰干化污泥后,熟料和水泥的重金屬含量較未加入污泥時高,但浸出量很低,浸出液中Cu、Zn、Pb、Cr和Ni的質量濃度均在lmg·L^-1以下,遠低于國家標準GB5085.3-2007,不會產生二次污染.

聚氨酯薄膜紫外/臭氧環境的老化行為

王海燕, 王艷芝, 孫宗薈, 田克松, 張萬富, 黃世杰

2013, 35(12): 1636-1642. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.003

[摘要](358)

[PDF 1439KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用旋涂法制備了純聚氨酯薄膜(PU)和紫外吸收劑UV-531改性聚氨酯薄膜(M-PU).使用本課題組自行研制的老化裝置進行單一紫外輻照、單一臭氧氣氛以及紫外/臭氧綜合老化實驗.利用色差、黃色指數、紫外可見光譜和傅里葉變換紅外光譜表征薄膜在不同環境中的老化行為.測試結果表明:紫外和臭氧對PU和M-PU薄膜都表現出顯著的協同老化效應;添加質量分數為0.25%的UV-531,能提高聚氨酯薄膜在紫外環境、紫外/臭氧綜合環境以及臭氧環境中短期暴露時的耐黃變性能.在單一紫外輻照、單一臭氧氣氛以及紫外/臭氧綜合老化期間,兩種薄膜中氨酯結構均隨著暴露時間的增加而逐漸減少.

設備與能源

基于三維離散元法的無鐘高爐裝料行為

張建良, 邱家用, 國宏偉, 劉征建, 孫輝, 王廣偉, 高征鎧

2013, 35(12): 1643-1652. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.017

[摘要](135)

[PDF 2044KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
利用三維離散元法建立了無鐘高爐布料模型,分析了料罐、旋轉溜槽中的顆粒流動行為以及顆粒離開溜槽后的下落軌跡和料堆形成,可視化再現了裝料過程.結果發現:爐料在流動過程中始終存在粒度偏析,料罐排料流為漏斗流,小顆粒由于偏析而傾向于后期排出;溜槽傾角對顆粒流動行為和料堆形成影響較大;溜槽內顆粒流由于溜槽旋轉而向側上部偏離和翻動,小顆粒因靠近壁面而位于料流內側,大顆粒因聚集在溜槽上部而處在料流外側,爐料顆粒偏析、偏轉翻動和速度分布影響下落軌跡;在爐料下落到料面的堆積過程中,大顆粒易于向爐喉中心和邊緣偏析,小顆粒因位于料流內側和滲透作用而分布在堆尖下方且偏向中心側.結合激光網格爐內測量技術料流軌跡測量結果,驗證了模型的適用性.

水射流沖擊冷卻過程靶面熱流密度測試方法的改進

豆瑞鋒, 溫治, 周鋼, 劉訓良, 馮霄紅, 羅建楓

2013, 35(12): 1653-1658. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.020

[摘要](153)

[PDF 994KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確測量水射流沖擊冷卻過程靶面熱流密度,提出在靶體背側增加絕熱材料,采用單點測溫,使用一維導熱反問題計算靶體表面熱流密度的方法.實驗數據分析顯示,采用該方法對靶體背側溫度預測的相對誤差±5%以內的概率為93%以上,由于靶體背側僅是近似的絕熱條件,導熱反問題計算的靶體背側溫度略高于實測溫度.結果表明,通過在靶體背側增加絕熱材料,即便采用單點測溫,仍然可以很容易地獲得足夠精確的靶體溫度和表面熱流密度.

高溫條件下物體面內位移的非接觸式檢測

蘇蘭海, 馬祥華, 任寶民, 畢佳, 劉丹丹

2013, 35(12): 1659-1667. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.018

[摘要](122)

[PDF 2360KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
應用數字圖像相關方法對高溫條件下物體面內位移場進行快速、高精度測量.采用532 nm面陣激光作為照明光源配合532 nm窄帶濾波與可調式衰減片組成的光學處理系統,很好地解決了高溫情況下成像難題.介紹了人工散斑的制作方法,采用耐1000℃高溫的高溫墨作為散斑的制作原料,制作了可在1000℃高溫情況下清晰的利于圖像相關計算的散斑圖.搭建了高溫條件下物體面內位移的檢測系統,分別做了常溫下亮度不同的千分尺移動位移檢測實驗和噴燈對鋼板持續局部加熱到1000℃熱變形場的測量實驗.實驗結果證明本系統具有抗干擾能力強、計算精度高以及便于實現的優點,可用于常溫及高溫條件下物體位移或變形場的測量.

濕式離合器摩擦片的熱結構耦合分析

張家元, 丁普賢, 李長庚, 宋志文

2013, 35(12): 1668-1673. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.12.019

[摘要](169)

[PDF 1284KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
利用ANSYS軟件,采用直接耦合方法,對帶有周向槽和徑向槽的摩擦片在滑摩過程中的溫度場和應力場進行仿真計算和分析。在計算過程中考慮了摩擦片和對偶鋼片摩擦所產生的熱分配情況,以及摩擦片與溝槽內潤滑油和外界空氣的熱交換,并同時考慮了各種位移約束。研究發現在滑摩過程中摩擦片的最高溫度出現在摩擦表面,最高等效應力出現在溝槽內,兩者的最大值出現在滑摩過程的中前期,數值分別為148.1℃和146 MPa;在每個小摩擦表面會形成橢圓熱區,并且溫度中間高,四周低;沿半徑方向,半徑越大,溫度越高,小摩擦面上的溫度分布為凸拋物線型,溝槽面為凹拋物線型。