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5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

基于響應面法的高寒礦山充填配比優化

趙國彥, 馬舉, 彭康, 楊清, 周禮

2013, 35(5): 559-565. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.003

[摘要](257)

[PDF 951KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用中心復合試驗研究采場溫度、灰砂質量比和固相質量分數對高寒礦山充填料漿的強度特性和流動特性影響規律.利用多項式近似隱式極限狀態方程,建立充填體強度、充填料漿坍落度和充填材料成本響應面回歸模型.以回歸模型響應值的滿意度為輸入,使用加權幾何平均算法求得料漿充填性能整體滿意度,采用基于整體滿意度準則的非線性多目標優化技術對充填配比參數進行優化,得到高寒礦山不同采場溫度范圍下最佳灰砂質量比及充填料漿輸送濃度.結果表明:采場溫度低于5℃時,固相質量分數70%、灰砂質量比1:6的料漿整體滿意度可達0.4~0.5,滿足低溫充填要求,且整體滿意度隨溫度變化較小;當采場溫度增至5℃之上時,溫度提高充填性能整體滿意度迅速增大,固相質量分數65%、灰砂質量比1:6的料漿滿意度增大最快.

細粒全尾動態壓密與靜態壓密機理

王洪江, 王勇, 吳愛祥, 周勃, 楊鵬, 于少峰, 彭乃兵

2013, 35(5): 566-571. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.004

[摘要](303)

[PDF 48KB](16) [施引文獻] ()

摘要:

采用自制深錐模型進行尾礦濃縮實驗,研究了全尾在動態與靜態條件下的壓密效果.當轉速為0.05~0.80r·min^-1時尾礦的極限質量分數范圍為67.41%~70.73%,而同等條件下靜態壓密時尾礦的極限質量分數只有55.82%.靜態壓密主要依靠重力作用;而動態壓密時顆粒更加緊密,導水桿形成的通道使多余的水向上移動.理論擠密模型可以反映全尾壓密過程,靜態壓密行為對應于簡單立體結構,動態壓密行為對應錐體結構.理論計算的兩種模型產生的單位高度沉降量為29.32%,實驗結果為28.81%,與理論沉降量相差0.51%.

鉆孔密封材料的微觀特性及其對密封性能的影響

倪冠華, 林柏泉, 翟成, 李全貴, 李賢忠, 鄭春山

2013, 35(5): 572-579. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.005

[摘要](259)

[PDF 2831KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
研究了鉆孔密封材料聚氨酯和膨脹水泥凍復合材料(PD復合材料)的微觀特性,并考察了其對鉆孔密封性能的影響作用.實驗模擬了煤礦井下鉆孔封孔過程,利用FEIQuanta^TM250環境掃描電子顯微鏡對聚氨酯、PD復合材料本身,以及兩者與煤壁的結合、滲透和發展進行微觀對比和分析.PD復合材料的滲透系數約為聚氨酯瓦斯滲透性系數的1/48.聚氨酯為蜂窩網狀結構,內部孔隙較大,與孔壁結合處存在空白區域;PD復合材料結構嚴實,內部孔隙極小,在孔壁處與煤體結合密實.PD復合材料比聚氨酯更容易克服鉆孔周圍裂隙區內瓦斯壓力、水鎖效應等各種阻力的作用,在鉆孔周圍裂隙內逐漸滲透,且其自身可以繼續在鉆孔周圍殘余裂隙和孔洞內發展.

冶金與材料

BOF-LF-CSP工藝低碳鋁鎮靜鋼精煉過程的夾雜物變化

楊疊, 王新華, 秦頤鳴, 鄧小旋, 楊文

2013, 35(5): 580-585. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.013

[摘要](203)

[PDF 995KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
對BOF-LF-CSP工藝生產低碳鋁鎮靜鋼精煉過程連續密集取樣,運用ASPEX掃描電鏡統計分析了夾雜物成分、尺寸分布和數量變化.發現喂鋁線后夾雜物數密度和面積分數都急劇增加.精煉20 min至鈣處理前軟吹期間,夾雜物數密度變化不大,但夾雜物面積分數卻明顯下降.精煉結束時主要為含有少量CaO的MgO-Al₂O₃尖晶石類夾雜.鈣處理后,夾雜物數密度和面積分數都有增加,主要為鈣鋁酸鹽和由于喂入過量鈣生成的CaS夾雜.

氧化物彌散強化鋼的強化機理

郭麗娜, 胡本芙, 劉安強, 賈成廠, 李慧英

2013, 35(5): 586-591. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.006

[摘要](315)

[PDF 1189KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
采用粉末冶金法制備出成分為Fe-12.5Cr-2.5W-0.4Ti-0.02V-0.4Y₂O₃(12Cr-ODS,質量分數,%)的鐵素體鋼.通過電鏡觀察及力學性能測試等手段研究了12Cr-ODS鐵素體鋼的組織與性能,并定量計算了不同強化機制對合金屈服強度的貢獻.電鏡觀察發現12Cr-ODS鋼為等軸的鐵素體組織,平均晶粒尺寸為1.5μm,不同尺寸氧化物在基體中均勻分布.力學性能測試結果表明12Cr-ODS鋼具有優異的室溫拉伸性能,屈服強度達到738 MPa.合金主要強化機制為氧化物彌散強化、氧化物彌散強化鋼加工強化、熱錯配位錯強化和晶界強化機制,各種強化機制計算得到的理論屈服強度為750 MPa,與實測值吻合較好.

低碳多相鋼的組織調控與力學性能

任勇強, 謝振家, 尚成嘉

2013, 35(5): 592-600. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.007

[摘要](272)

[PDF 1501KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用優化后的臨界區再加熱-淬火中溫等溫(T1、T2)熱處理工藝,對具有不同前軀體組織的(0.22/0.17)C-(1.91/1.85)Mn-(1.32/0.94)Si兩類熱軋6 mm鋼板分別進行處理,獲得了具有鐵素體、貝氏體、馬氏體以及彌散分布于原奧氏體晶界、相界等處的殘余奧氏體所構成的多相組織.利用掃描電鏡、X射線衍射以及電子背散射衍射分析技術等對不同熱處理階段鋼的微觀組織進行了表征.結果證實,采用不同的前軀體組織設計可以很好地調控臨界區再加熱逆轉變奧氏體的組織形貌、比例以及碳含量,進而通過后續處理來實現對鋼中多相組織的調控.前軀體為馬氏體的0.22C鋼,經T1工藝后獲得了以針狀鐵素體為基體的多相組織,其強塑積超過了30 GPa·%;前軀體為鐵素體+馬氏體的0.17C鋼經T2工藝后獲得了以塊狀鐵素體為基體的多相組織,其強塑積超過了27 GPa·%.

核電主管道鑄造不銹鋼的熱老化脆化

李樹肖, 李時磊, 呂緒明, 王艷麗, 薛飛, 王西濤

2013, 35(5): 601-606. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.020

[摘要](153)

[PDF 1113KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究中國核電主管道鑄造不銹鋼Z3CN20-09M的熱老化,在300、350和400℃下,對Z3CN20-09M進行了長達30000h的加速熱老化實驗.對不同熱老化時間下的樣品進行了沖擊性能和鐵素體納米硬度測定.以夏比沖擊功作為熱老化脆化參量,利用擬合的方法得出該材料的熱老化激活能為51.962kJ·mol^-1.通過熱老化因子P得出了用夏比沖擊功表示的熱老化脆化動力學公式.利用熱老化激活能和熱老化動力學公式預測了Z3CN20-09M在實際運行溫度下服役40a內的夏比沖擊功和鐵素體顯微硬度變化.預測結果表明在運行5a內是該材料韌性迅速下降的時期,隨后的運行過程中下降過程趨緩.

第三代汽車鋼的熱塑性及斷裂機理

范倚, 王明林, 張慧, 陶紅標, 趙沛, 李士琦

2013, 35(5): 607-612. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.008

[摘要](255)

[PDF 1179KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
采用Gleeble-1500熱模擬試驗機,對第三代汽車鋼(TG鋼)在不同的變形溫度下進行了熱拉伸試驗,研究其熱塑性的變化運用光學顯微鏡和掃描電鏡分析了實驗鋼熱變形的斷口形貌及斷裂機理.發現實驗鋼的強度隨溫度的升高而降低,熱塑性曲線分為第Ⅰ脆性區、高溫塑性區和第Ⅲ脆性區三個區域,其中第Ⅲ脆性區存在兩個塑性極小值.在1300~800℃時實驗鋼的組織為奧氏體,斷裂方式為連孔延性斷裂,動態再結晶使韌窩分離前發生了較大的塑性變形,斷口為大而深的韌窩;750℃時實驗鋼沿奧氏體晶界析出鐵素體,斷裂方式為界面斷裂,斷口既存在著鐵素體內聚失效形成的小的孔洞,也存在由于裂紋沿奧氏體晶界擴展形成的石塊狀形貌;650℃由于出現了鐵素體的準解理,實驗鋼的塑性下降,熱塑性曲線再次出現極小值.

22Si2MnCrNi2MoA釬桿斷裂失效分析

朱洪武, 劉雅政, 周樂育, 王磊英, 黃斌

2013, 35(5): 613-619. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.009

[摘要](228)

[PDF 2771KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
運用金相觀察、掃描電鏡觀察和能譜定量分析等實驗手段,從組織狀態、夾雜物、斷口形貌等方面分析了22Si2MnCrNi2MoA釬桿內螺紋處斷裂原因,同時對其疲勞裂紋起源和擴展進行了探討.22Si2MnCrNi2MoA釬桿內螺紋處斷裂破壞并不是由組織異常和夾雜物引起的,而是由于22Si2MnCrNi2MoA釬桿存在明顯的壁厚不均,在高頻應力、嚴重的內外耗同時存在的應力狀態下持續工作,壁厚較薄處極易成為受力薄弱區,疲勞裂紋更傾向于在此處優先形成,從而致使壁厚較薄處優先斷裂,最終導致釬桿斷裂失效.該釬桿疲勞破壞起源于內表面,屬于多源的疲勞斷裂.起源區微觀形貌為韌窩形貌,擴展區的微觀形貌為韌窩和沿晶的混合形貌.

織構對納米晶純鎳鍍層耐蝕性能的影響

孫冬來, 陳吉, 史艷華, 梁平

2013, 35(5): 620-625. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.001

[摘要](282)

[PDF 1083KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
采用脈沖電鍍法在黃銅表面制備出具有(111)、(200)和(220)晶面擇優生長織構的納米晶純鎳鍍層.采用掃描電鏡對鍍層的顯微形貌進行觀察,采用X射線衍射對不同晶面織構的擇優性進行表征,并對鍍層在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線和交流阻抗譜進行了測試,研究不同織構鍍層的耐蝕性能.不同織構鍍層的耐蝕性能存在顯著差異:具有(220)強織構的鍍層耐蝕性最差,其自腐蝕電流密度最大,為1.23μA·cm-²,鍍層的電荷轉移電阻為2.09kΩ·cm²;具有(200)強織構的鍍層耐蝕性能最佳,鍍層的電荷轉移電阻為27.32kΩ·cm²,自腐蝕電流密度為0.15μA·cm^-2;具有(111)織構鍍層的耐蝕性居中.認為織構引起的表面胞狀物的差別是造成純鎳鍍層耐蝕性能不同的原因.

基于聲發射信號的鋁合金材料損傷表征識別

張衛冬, 張習文, 楊斌, 丁賢飛, 艾軼博

2013, 35(5): 626-633. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.010

[摘要](195)

[PDF 1035KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
隨著高速鐵路的不斷提速,高鐵輕量化設計中廣泛采用高強鋁合金材料,但高速列車齒輪箱體服役安全評價亟待完善.本文針對高速列車齒輪箱體使用的鋁合金材料服役特性,搭建了聲發射檢測拉伸試驗系統,運用BP神經網絡算法對聲發射信號進行訓練與識別,實現對箱體材料拉伸損傷表征識別與材料服役狀態的安全預警.本研究為材料損傷狀態的無損實時識別提供了一種識別與預警方法.

AZ31鎂合金微區電偶腐蝕的數值研究

高福勇, 趙明, 何廣平, 方克明

2013, 35(5): 634-641. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.011

[摘要](204)

[PDF 1501KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
結合水平集函數方法及移動網格技術,利用有限元法模擬分析了離散型β相分布和連續型β相分布的AZ31鎂合金在NaCl溶液中的腐蝕行為,通過解Nernst-Planck方程得到腐蝕過程中AZ31鎂合金/NaCl界面的電勢、氯離子及鎂離子濃度分布,并通過掃描離子選擇性電極實驗驗證了此模擬方法的可行性.模擬分析表明,當β相離散分布在α相周邊時,在與β相相鄰的α相區域腐蝕速率最快,形成腐蝕縮頸坑,坑內氯離子富集,進一步加速了α相的腐蝕,最終β相逐漸脫離合金進入溶液;當β相連續分布在α相周邊時,α相不斷被腐蝕,最終α相全部溶解而只剩β相,求解隨即停止.掃描離子選擇性電極實驗結果表明此模擬模型可以對鎂合金的電化學腐蝕進行較好預測和判斷.

Rh納米粒子電化學制備及其表面增強拉曼效應

李媛媛, 許頓, 謝永紅, 孫杰, 金濤, 劉彥君, 刁鵬

2013, 35(5): 642-650. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.002

[摘要](277)

[PDF 1827KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
利用電化學手段在氧化銦錫(ITO)導電玻璃表面成功制備了Rh納米粒子,并發現包裹劑、支持電解質以及電化學參數對產物的形貌及尺寸有著顯著影響.通過對上述參數的調控實現了Rh納米粒子的形貌可控制備,得到了準球形、島狀以及片層狀的Rh納米粒子.此外對島狀Rh納米粒子在表面增強拉曼光譜中的應用進行了研究.結果表明該種結構具有良好的表面增強拉曼活性.

TiO₂-SiO₂復合氣凝膠的常壓干燥制備及光催化降解含油污水活性

李興旺, 趙海雷, 呂鵬鵬, 朱曉輝, 姚可夫, 徐利華

2013, 35(5): 651-658. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.015

[摘要](157)

[PDF 1625KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以鈦酸四丁酯和正硅酸乙酯為原料,利用溶膠凝膠工藝制備出不同硅含量的TiO₂-SiO₂復合醇凝膠.結合老化液浸泡和小孔干燥工藝,在常壓下干燥得到完整的TiO₂-SiO₂復合氣凝膠塊體.采用掃描電子顯微鏡、BET比表面積測試、X射線粉末衍射等測試手段對復合氣凝膠的微觀結構和物化性能進行了測試和表征.測試結果表明,復合氣凝膠具有良好的性能,Ti和Si元素在氣凝膠中分布均勻.隨著SiO₂含量的增加,復合氣凝膠的密度逐漸變小,比表面積增大,孔隙率增加,轉變為銳鈦礦相的相變溫度升高.經高溫煅燒晶化處理,復合氣凝膠轉變為銳鈦礦相結構.以乳化后的渤海原油水溶液作為含油污水模擬溶液,測試了復合氣凝膠對含油污水的催化降解性能.污水降解結果顯示復合氣凝膠對渤海原油污水具有較好的催化降解活性.在SiO₂摩爾分數低于30%時,隨著硅含量的增加,復合氣凝膠的光催化降解率升高;但當SiO₂摩爾分數高于30%后,繼續增加SiO₂摻入量,反而造成復合氣凝膠催化能力下降.對于SiO₂摩爾分數為30%的復合氣凝膠,獲得了最佳的催化降解效果,90 min催化降解率達95%.

利用燒結脫硫灰-高爐礦渣-水泥熟料制備膠凝材料

梁寶瑞, 宋存義, 汪莉, 孫鵬輝, 冷廷雙

2013, 35(5): 659-666. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.016

[摘要](661)

[PDF 956KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決煉鐵高爐礦渣、脫硫副產物大量堆積產生的環境問題,實驗中利用鋼渣、脫硫灰及水泥熟料制備復合膠凝材料.在加水預處理的條件下,隨著脫硫灰摻量的增加,膠凝材料的強度呈先增加后變小的趨勢,當脫硫灰的氧化溫度為550℃、氧化時間為30 min以及摻量為5%時所制得的膠凝材料可獲得較好的反應性能.該膠凝材料強度能夠達到GB 1344-1999中52.5R水泥強度的要求.

設備與能源

大型光亮退火馬弗爐加熱段溫度場模擬

楊競, 武傳標, 孫朝陽, 葉乃威, 婁奇襲

2013, 35(5): 667-673. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.012

[摘要](237)

[PDF 1369KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
建立了大型光亮退火馬弗爐加熱段溫度場的三維仿真模型.該模型考慮了馬弗爐實際結構、帶鋼退火速度和升溫曲線特點,采用等效熱流密度表征馬弗管內保護氣體和帶鋼的換熱;選擇組分傳輸燃燒模型、離散坐標輻射模型和標準k-ε雙方程湍流模型描述馬弗爐內燃燒、換熱和氣體流動;應用SIMPLE計算方法進行求解.典型規格304不銹鋼帶光亮退火過程實測特征點溫度值和模擬結果基本吻合.分析得到了馬弗爐內溫度場、流場和速度場分布規律.結果表明:馬弗管溫度比較均勻,噴嘴正對區域溫度偏高;燃氣氣流沿馬弗管壁螺旋流動實現均勻加熱.噴吹量較小時,噴吹量(入口速度)越大,馬弗爐內溫度越高;噴吹量繼續增大,馬弗爐內溫度反而開始降低.

改進的譜相關分析方法及其在故障診斷中的應用

路俏俏, 黎敏, 王曉景

2013, 35(5): 674-681. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.017

[摘要](183)

[PDF 1044KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
提出一種基于峭度能量的譜相關分析方法.它利用每個循環頻率切片的峭度值來衡量該循環頻率的調制能力,并以此作為加權因子進行循環頻率的能量累積,最終實現故障特征的有效提取.相對于傳統的譜相關分析方法,本文方法降低了信號中多倍頻諧波對故障特征頻率的干擾,能更清晰準確地提取出故障頻率特征.利用傳統的譜相關分析方法、本文方法和共振解調三種方法對仿真信號、低速重載試驗臺的滾動軸承外圈故障信號進行分析,證明了本文方法的有效性.

六桿柔順機構的偽剛體模型

邱麗芳, 霍明磊, 李威

2013, 35(5): 682-686. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.019

[摘要](236)

[PDF 733KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
設計了一種六桿柔順機構,建立了該機構的偽剛體模型,偽剛體模型顯示該機構由兩個柔順滑塊機構串聯而成.根據偽剛體模型對該六桿柔順機構進行了變形分析,推導出六桿柔順機構偽剛體模型的力-位移關系的一般理論計算公式,進而得到該機構實例的分析結果.用ANSYS軟件對該設計實例進行了力-位移關系的有限元仿真分析,同時加工制造出該設計實例的實物模型并進行了實驗測量.對理論計算結果、仿真分析結果和實際測量結果進行了比較,三種方法所得結果基本一致,表明了理論公式的推導與分析是正確的,仿真建模分析也是正確的,并且該實例的設計是可行的,達到了設計目的.

控制與決策

煉鋼—連鑄—熱軋生產計劃編制的統一模型及智能算法

鄭忠, 劉怡, 陳開, 高小強

2013, 35(5): 687-693. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.014

[摘要](155)

[PDF 885KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為使鋼鐵企業主體工序煉鋼-連鑄-熱軋之間的生產協調有序、提高生產計劃水平和加強生產資源配置效益,運用統一建模思想進行軋制單元計劃、爐次計劃和澆次計劃的抽象描述,從注重共性的角度統一各階段批量計劃的目標函數,通過對目標函數的組合來實現各階段計劃的有效銜接.設計基于Multi-agent的協同進化算法進行模型求解,編制煉鋼-連鑄-熱軋-體化計劃.以某鋼鐵企業的生產計劃制定實例進行模型測試,仿真計算結果表明模型的有效性.

基于三維人耳形變模型的三維人耳重建

李琛, 穆志純, 張鋒, 張保慶

2013, 35(5): 694-702. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.05.018

[摘要](198)

[PDF 2031KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
基于對已有三維人耳重建工作和形變模型理論的研究,充分結合人耳自身的結構特征,提出了一種新的三維人耳重建方法——基于人耳形變模型的方法.首先使用中垂線法完成了外耳輪廓特征點的定位;提出分級三角網格法,解決了樣本耳基于生理特征的稠密對應問題;再借鑒廣義普魯克分析的思想,在三維空間內實現了精確全自動的三維人耳形狀對齊;最后訓練得到了三維人耳形變模型.所提方法只需一幅二維圖像,即可獲得足夠稠密的三維人耳模型.在UND三維人耳數據庫和USTB三維重建人耳數據庫上的大量實驗證明所提方法的有效性和優越性.