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

國內發行：北京報刊發行局

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單　　價：40元/期，全年480元

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2013年第35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
土木與建筑

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資源與開發

基于遺傳算法優化的支持向量機品位插值模型

李翠平, 鄭瑤瑕, 張佳, 侯定勇

2013, 35(7): 837-843. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.006

[摘要](245)

[PDF 623KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
將支持向量機(SVM)和遺傳算法(GA)集成應用到礦體品位插值問題中,利用遺傳算法全局搜索的優勢對支持向量機的三個關鍵參數——懲罰系數C、不敏感系數ε和核函數參數σ進行尋優,克服單純支持向量機法中依靠經驗確定參數的局限性.將優化參數代入到支持向量機中進行迭代訓練,得到基于遺傳算法參數優化的支持向量機(GA-SVM)礦體品位插值模型.以國內典型礦山的實際勘探數據為例,通過該品位插值模型計算結果與傳統插值方法計算結果和礦山生產實際數據的對比分析,驗證了其可行性和有效性.

礦堆非飽和滲流中的界面作用

吳愛祥, 李希雯, 尹升華, 艾純明

2013, 35(7): 844-849. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.020

[摘要](143)

[PDF 4699KB](10) [施引文獻] ()

摘要:

為探明礦堆非飽和浸出滲流規律,以界面作用為切入點,分析了浸出液的運動狀態.礦堆中吸力由界面作用產生的基質吸力和吸收擴散產生的滲透吸力組成.孔隙中介質分布的不均勻性和礦石形狀的隨機性是導致界面作用多樣性以及浸出液運動狀態復雜的原因.采用毛細上升實驗很好地證明了礦堆中吸力的存在,在驅動力的作用下,浸潤初期的液面上升速度較快,浸潤后期液面上升相對平緩.通過擬合得知液面毛細上升高度與浸潤時間符合冪函數關系.理論研究表明可以通過改變固相、液相和氣相的物理性質來實現對礦堆非飽和滲流中界面作用的調控.

極端嗜熱硫桿菌浸出黃鐵礦

王洪江, 黃明清, 王貽明, 吳愛祥, 張旭, 艾純明

2013, 35(7): 850-855. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.012

[摘要](130)

[PDF 8762KB](6) [施引文獻] ()

摘要:

為了探討極端嗜熱菌在高鐵、高酸和高溫條件下生物脫硫的可行性,采用從騰沖熱海酸性溫泉分離出的一株新型極端嗜熱硫桿菌開展了四組不同初始pH值條件下的黃鐵礦生物柱浸實驗.該菌株能耐受pH值為0.58、全鐵質量濃度為38.9 g·L^-1的高酸高鐵環境,同時維持580~640 mV的較低電位.初始pH值為2時,浸出28 d后黃鐵礦浸出率達到最高為17.8%.生物浸出時,菌株生長依次表現出較明顯的遲緩期、對數期和穩定期,且降低初始pH值會延長其到達穩定期的時間.此外,70℃高溫和全鐵質量濃度為38.9 g·L^-1的高鐵體系能促進生成黃鉀鐵礬和少量單質硫沉淀,而菌株能在pH值小于0.9時將大部分S⁰氧化為SO₄^2-.

冶金與材料

生物質合成氣直接還原鐵礦-生物質復合球團煉鐵

羅思義, 周揚民, 儀垂杰, 岳霞, 李宗剛

2013, 35(7): 856-861. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.013

[摘要](251)

[PDF 3118KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
為了使煉鐵工業擺脫對化石能源的依賴及滿足越來越嚴格的環境要求,將生物質能的開發利用與直接還原技術進行集成提出一種新型的綠色煉鐵方法.把生物質、鐵礦石粉與添加劑混合制取生球團,利用生物質催化氣化制備的富氫合成氣作為還原劑,生物質的高溫燃燒為生球團的預熱和預熱球團的直接還原提供外加熱源.對影響生物質直接還原煉鐵的因素,如預熱、還原溫度及球團粒徑進行了研究,發現減小球團粒徑、增加預熱和還原溫度能夠提高直接還原鐵產品的全鐵質量分數及金屬化率.當采用品位65.21%的鐵精礦為原料,在最優操作條件下(生球團粒徑介于8~10 mm之間,900℃預熱30 min,1000℃下還原60 min)可制得全鐵TFe質量分數為86.1%,金屬化率為94.9%的高質量直接還原鐵產品.

內配碳紅土鎳礦球團制備工藝

毛瑞, 張建良, 黃冬華, 姜喆, 孫輝

2013, 35(7): 862-868. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.014

[摘要](189)

[PDF 2267KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
以紅土鎳礦作為原料,煤粉作為還原劑,氧化鈣作為熔劑,配加一定量的黏結劑和水,經對輥壓球機壓制成含碳球團.對紅土鎳礦的成球特性進行了研究,考察了還原劑、水分和黏結劑等因素對球團強度的影響.結果表明:紅土礦粉本身具有較好的成球特性,在不加入黏結劑的條件下,球團仍具有一定的強度;較細粒度的煤粉會降低球團的強度,適宜含量的較粗粒度的煤粉能提高球團的強度;隨著水分加入量的提高,球團的抗壓強度逐漸提高,當水的質量分數為18%時,其抗壓強度達到最大值,若水分繼續增加,抗壓強度呈現下降的趨勢;球團的落下強度隨著水量的增加而升高;隨著膨潤土用量的增加,球團強度有明顯的提高,當膨潤土的質量分數為2%時球團強度達到最大值,隨著膨潤土用量的進一步提高,球團強度略微下降,且膨潤土中含有較高含量的SiO₂和Al₂O₃,會降低球團有用元素的品位,因此用量不宜過高.

BN型易切削鋼的冶煉工藝及其切削加工性

王毓男, 包燕平, 王敏, 張樂辰

2013, 35(7): 869-874. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.015

[摘要](191)

[PDF 6417KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
對BN型易切削鋼的冶煉工藝與切削加工性進行了研究.通過實驗室熱態實驗得到不同B、N元素含量的試樣,利用理論計算研究試樣中主要夾雜物的析出規律,然后對BN夾雜物的形貌、尺寸及組成進行分析,最后對試樣進行力學性能測試及切削實驗.結果發現在鋼中添加B、N元素能夠明顯改善鋼的切削性能,且不影響鋼的力學性能.

低碳鋼中貝氏體組織在A₁溫度以下重加熱過程中的演化與熱穩定性

孫超, 楊善武, 王憲, 張瑞, 郭暉

2013, 35(7): 875-881. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.007

[摘要](307)

[PDF 10709KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過原位追蹤金相觀察、維氏硬度測試、透射電子顯微術、電子背散射衍射等實驗手段研究了低碳鋼中貝氏體組織在550~675℃范圍內重加熱過程中的演化與熱穩定性.實驗結果表明:貝氏體組織通過回復與再結晶方式演化為多邊形鐵素體,在該過程中粒狀貝氏體首先演化為多邊形鐵素體,然后多邊形鐵素體再吞噬貝氏體鐵素體,貝氏體鐵素體表現出了高于粒狀貝氏體的熱穩定性;在回復過程中,貝氏體鐵素體中相鄰鐵素體板條之間的小角度晶界部分撤除,鐵素體板條發生傾轉與合并;貝氏體組織在重加熱過程中的演化存在一個穩定階段,處于回復與再結晶之間,其持續時間隨溫度的降低而顯著延長.

汽車大梁鋼中第二相粒子析出行為

黃耀, 趙征志, 趙愛民, 孫薇, 趙代銀, 包闊

2013, 35(7): 882-889. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.008

[摘要](311)

[PDF 11464KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
運用熱動力學理論和Oswald熟化理論研究了不同氮含量汽車大梁鋼中第二相粒子的析出和熟化行為.研究發現鋼中N含量的增加會促進V(C,N)在奧氏體中析出從而細化鐵素體晶粒,當氮的質量分數增至4.2×10^-4時鐵素體晶粒尺寸能細化至4.7μm.形核率–溫度曲線和析出–溫度–時間曲線表明氮含量的增加可以擴大奧氏體區中最大形核率的溫度范圍,氮的質量分數由5.5×10^-5增至4.2×10^-4時其最快析出的鼻點溫度由840℃上升至968℃.透射電鏡觀察顯示氮含量的增加明顯降低析出V(C,N)粒子的尺寸.VN在奧氏體中的Oswald熟化速率計算表明熟化速率隨溫度的降低不斷減少,同時增加N含量還可以有效降低析出粒子的熟化速率,從而抑制沉淀析出的第二相粒子的熟化長大過程.

電解液中Li₂SO₄對ZAlSi12合金微弧氧化膜特性的影響

呂凱, 劉向東, 車廣東, 張雅萍

2013, 35(7): 890-894. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.009

[摘要](255)

[PDF 6557KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
采用微弧氧化技術在ZAlSi12合金表面制備氧化膜,研究了Li₂SO₄的加入對微弧氧化膜性能的影響.隨著電解液中Li₂SO₄含量增加,試樣表面氧化膜變厚且粗糙.X射線衍射分析表明,微弧氧化膜主要由Al₂O₃相和莫來石相組成.加入Li₂SO₄且經微弧氧化處理得到的試樣耐腐蝕性能優于未經微弧氧化處理的試樣.

熱擠壓工藝對Ti-6Al-4V鈦合金組織與性能的影響

蔡海嬌, 葉文君, 惠松驍, 劉睿

2013, 35(7): 895-900. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.011

[摘要](202)

[PDF 10994KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究了擠壓溫度和擠壓比對Ti-6Al-4V鈦合金擠壓型材顯微組織、織構及力學性能的影響.擠壓溫度在相變點T_β以上150~350℃、擠壓比λ為25~85范圍內時,型材動態再結晶均已完成,形成均勻的魏氏組織.型材的晶粒隨擠壓溫度的降低和擠壓比的提高而細化.型材織構在擠壓比較低(λ=25)時強度較弱且為隨機分布;當擠壓比增加時,織構增強并有形成(1219)面纖維織構的趨勢;當擠壓比提高至85時,形成完整的(1219)面纖維織構.由于織構與晶粒細化的共同作用,使不同擠壓條件下得到的Ti-6Al-4V鈦合金型材綜合力學性能比較穩定,即強度差異均不大于35 MPa,且延伸率和斷面收縮率差值均不超過3%.

污泥和高爐渣協同制備微晶玻璃

樊涌, 李宇, 蒼大強, 周貴友

2013, 35(7): 901-907. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.004

[摘要](241)

[PDF 8769KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
利用污泥焚燒灰渣含有大量的氧化硅以及一定量重金屬和磷的組成特點,將其作為成分調整劑、晶核劑及助熔劑,在未添加任何化學制劑的條件下與冶金高爐渣協同制備了具有良好的力學性能和化學穩定性的污泥–高爐渣微晶玻璃.利用差熱分析、X射線衍射、掃描電鏡等分析手段,并結合力學性能和化學穩定性能測試,研究了不同熱處理制度對微晶玻璃性能的影響規律以及微晶玻璃的析晶過程.污泥–高爐渣微晶玻璃最佳熱處理條件是850℃下形核保溫1 h,980℃下析晶保溫2 h.在此條件下制備的微晶玻璃具有45 MPa的抗折強度、200 MPa的抗壓強度和質量損失率小于0.2%的耐酸和耐堿性能.微晶玻璃初始結晶溫度為880℃,析出晶相以鈣長石為主,同時包括少量的鈣鋁黃長石.隨著析晶溫度提高,析晶時間增加,鈣鋁黃長石相析晶量增加;大量增加的鈣鋁黃長石針狀晶體呈放射狀分布并有利于產品抗彎強度的提高;但析晶時間過長時,晶粒將長大粗化,這不利于微晶玻璃性能的改善.

原位轉化碳纖維增韌氧化鋁復合材料的制備工藝

趙紅超, 陳華輝, 曹晶晶, 高占峰, 范磊

2013, 35(7): 908-913. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.005

[摘要](193)

[PDF 4924KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
以聚丙烯腈預氧化纖維為先驅纖維,使其在真空燒結過程中原位轉化生成碳纖維來增韌氧化鋁陶瓷材料.利用熱重–差熱分析和X射線衍射研究了聚丙烯腈預氧化纖維的相結構和化學結構以確定制備復合材料的升溫燒結工藝,并探討了加壓方式和聚丙烯腈預氧化纖維含量對復合材料組織結構和性能的影響.研究發現聚丙烯腈預氧化纖維在差熱曲線上444℃左右的放熱峰和X射線衍射圖譜中17左右的衍射峰是由預氧化階段殘留的未充分氧化的聚丙烯腈分子引起的;而1073℃左右的吸熱峰和25.5左右的衍射峰說明預氧化纖維在加熱燒結過程中已開始向碳纖維轉變.熱壓燒結制備的復合材料的力學性能明顯優于無壓燒結.隨著聚丙烯腈預氧化纖維含量的增加,復合材料的密度和顯微硬度降低,而斷裂韌性則先升高后降低,當聚丙烯腈預氧化纖維體積分數為20%時,復合材料的斷裂韌性最大,達9.39MPa·m^1/2,說明原位碳纖維的生成提高了復合材料的斷裂韌性,其增韌機制主要為纖維拔出和脫黏.

超音速等離子噴涂YPSZ涂層的組織及耐磨性能

張建, 楊軍, 朱浪濤

2013, 35(7): 914-921. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.010

[摘要](202)

[PDF 24442KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為了研制一種連鑄結晶器耐高溫耐磨材料,采用超音速等離子噴涂法在純銅板上制備了氧化釔部分穩定的氧化鋯(YPSZ)涂層.利用X射線衍射儀、掃描電鏡、彩色3D激光顯微鏡和圖形軟件(Image-pro Plus3.0)對YPSZ涂層的微觀組織進行表征,通過銷盤式磨損儀在室溫干摩擦條件下測試了涂層的耐磨性能及化學硬化對涂層耐磨性能的影響.研究發現YPSZ涂層完全由t’-ZrO₂相組成,其斷口形貌由柱狀晶和一定量的部分熔融顆粒組成,截面組織形態表現出較好的完整性,涂層孔隙率為1.2%,表面粗糙度為6.457μm.磨損實驗表明化學硬化前YPSZ涂層與剛玉球對磨時的摩擦因數在0.5~0.6之間,平均磨痕寬度為3638.8μm,磨損體積為1.25508×10^-2mm³,磨損機制為脆性斷裂導致的磨粒磨損;化學硬化后YPSZ涂層的磨痕寬度和磨損體積均有大幅降低,脆斷程度也更輕,其磨損性能得到極大改善.

鋯摻雜鈦負載錳氧化物用于低溫選擇性催化還原NO

汪莉, 鄭蕓蕓, 宋存義

2013, 35(7): 922-928. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.001

[摘要](272)

[PDF 5184KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用凝膠溶膠法制備TiO₂以及摩爾比分別為1:1和4:1的TiO₂-ZrO₂三種載體,然后浸漬負載一定量的活性組分MnO_x制備相應催化劑.通過X射線衍射和掃描電鏡對載體和催化劑進行表征,并進行氨氣低溫選擇性催化還原NO(NH₃-SCR)實驗來考察催化劑的活性.三種載體中TiO₂-ZrO₂(4:1)的顆粒粒徑最小且高度分散,加入氧化鋯后,Zr⁴⁺離子取代Ti⁴⁺離子摻雜進入TiO₂晶格內,引起TiO₂晶格畸變,抑制TiO₂晶型轉變,并促進載體上活性組分Mn的均勻分布,從而提高催化劑的低溫選擇性催化還原活性.TiO₂-ZrO₂(4:1)加入質量分數10%的Mn后催化劑的活性最高,在130℃采用該催化劑催化時NO的轉化率達到92.6%;150℃時通入體積分數10%的水蒸氣會降低10%Mn/TiO₂-ZrO₂(4:1)催化劑的活性,撤消后活性可逐漸恢復;而200℃時10%Mn/TiO₂-ZrO₂(4:1)的活性基本不受水蒸氣的影響.

高氧化鐵粉煤灰影響聚羧酸減水劑吸附特性的機理

劉娟紅, 高霞, 紀洪廣

2013, 35(7): 929-934. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.002

[摘要](284)

[PDF 1043KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
采用凈漿流動度、ζ電位、總有機碳(TOC)、紅外光譜等實驗,研究粉煤灰中氧化鐵含量對不同結構聚羧酸減水劑吸附性能的影響,探討氧化鐵影響聚羧酸減水劑對水泥分散性能的機理,并提出了相應改進方法.結果表明:粉煤灰中氧化鐵含量對摻不同結構聚羧酸減水劑的水泥凈漿流動度均有很大影響,當氧化鐵質量為粉煤灰總質量的18%時相應漿體基本失去流動性;加入硫化鈉能使氧化鐵與聚羧酸減水劑的吸附性能降低,漿體流動度有所改善.高氧化鐵粉煤灰對聚羧酸減水劑的吸附性很強,與普通Ⅱ級粉煤灰相比,外加劑溶液中有機碳的含量要減少1/3.電泳實驗表明:氧化鐵的含量越多,體系ζ電位絕對值越小,分散穩定性越差.紅外光譜表明:硫化鈉的加入降低了高氧化鐵粉煤灰對聚羧酸減水劑的吸附.

設備與能源

燃氣輻射管換熱器的結構優化與數值模擬

馮俊小, 王宏宇, 吳啟明, 向順華

2013, 35(7): 935-940. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.003

[摘要](279)

[PDF 3444KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為解決W型燃氣輻射管換熱器排煙溫度高的問題,設計了三種改進換熱器性能的結構,采用ANSYS FLUENT軟件進行數值模擬,得到了不同結構換熱器的性能參數,如煙氣出口溫度、空氣預熱溫度、壓力損失、各換熱面換熱量和有無折流板的熱阻變化.結果表明,中心空氣管由一根φ79 mm粗管改為六根φ33 mm細管后換熱量增加了57.6%,增設煙氣雙行程后換熱量提高20.7%.增設密封折流板和多孔折流板后換熱量分別增加了5.7%和5.3%,空氣和煙氣之間的熱阻都降低了20%左右.多孔折流板的煙氣壓力損失比密封折流板低47.4%.

在役風電塔結構的最不利風--震組合作用響應分析

陳陽, 宋波, 韋偉, 周治

2013, 35(7): 941-947. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.019

[摘要](141)

[PDF 4240KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
因風電塔整體結構不沿軸向對稱,為明確該結構的受力特性和保證結構安全,采用國外及國內兩種數值計算方法對塔筒結構進行了研究,分析風荷載作用下、地震動作用下和風–地震組合作用下的塔體結構的受力差異.在此基礎上對塔筒結構進行風–地震組合作用下的不同地震動輸入方向的動力響應分析進行研究.結果指出了該狀態下對塔筒結構最不利的地震動輸入方向以及該作用條件下塔筒結構的薄弱位置為塔筒開口位置.

控制與決策

LF精煉終點鋼水溫度灰箱預報模型

付國慶, 劉青, 汪宙, 常健, 王彬, 謝飛鳴, 盧新春, 居琪萍

2013, 35(7): 948-954. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.016

[摘要](152)

[PDF 615KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
LF精煉工序在煉鋼過程起著調節溫度的關鍵作用,準確預報LF精煉終點鋼水溫度對實際生產有重要意義.傳統的LF精煉預報模型包括機理模型與黑箱模型.機理預報模型能夠體現各工藝因素對終點鋼水溫度的影響,但由于LF精煉傳熱機理研究尚不完善,依靠機理模型預報終點鋼水溫度,難以達到預期效果;黑箱預報模型能夠準確預報終點鋼水溫度,但不能反映精煉過程各工藝因素對鋼水溫度的影響,尤其當生產工藝條件發生改變時,黑箱模型在應用上會受到限制.本文以方大特鋼LF精煉爐為研究對象,建立一種機理預報模型與黑箱預報模型(BP神經網絡預報模型)相結合的LF精煉終點鋼水溫度灰箱預報模型.該模型既能反映各工藝因素對終點鋼水溫度的影響,又能準確預測終點鋼水溫度,其終點鋼水溫度預測誤差在±5℃以內的命中率可以達到95%以上.

一種基于粒子群參數優化的改進蟻群算法及其應用

張超, 李擎, 陳鵬, 楊守功, 尹怡欣

2013, 35(7): 955-960. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.017

[摘要](227)

[PDF 8650KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
針對現有基于粒子群參數優化的改進蟻群算法耗時較大的問題,提出了一種新的解決方案.方案中采用一種全局異步與精英策略相結合的信息素更新方式,同時合理減少蟻群算法被粒子群算法調用一次所需的迭代代數.對日本旭川垃圾場巡查機器人路徑規劃問題仿真求解的結果表明,與其他算法相比,該改進算法具有比較明顯的速度優勢.

土木與建筑

海冰對單柱式橋墩非線性地震反應的影響

齊福強, 宋波, 吳金城

2013, 35(7): 961-969. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2013.07.018

[摘要](121)

[PDF 1605KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
用簡化的附加水質量模型考慮動水壓力對橋墩的影響,用動冰力模型考慮冰與橋墩的相互作用,建立了冰水域單柱式橋墩地震反應的動力計算模型,并利用時程分析法研究了在不同類型地震作用下海冰對橋墩非線性地震反應的影響.橋墩的最不利反應一般發生在海冰質量為5×10⁶~5×10⁷kg,可作為橋墩設計時的海冰質量;且墩底截面出現最大曲率時對應的海冰質量隨著水深的增大而變大.有冰時墩底截面曲率延性需求系數、墩頂最大位移和墩頂殘余位移比無冰時增大數倍,墩底截面彎矩–曲率滯回曲線呈倒"S"型更顯著,橋墩的變形和耗能能力顯著下降.同時,與近場地震波作用時相比,遠場地震波作用下海冰對單柱式橋墩頂部最大位移和殘余位移的影響更大.