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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2014年第36卷第1期

欄目

資源與環境
冶金與材料
設備與能源
控制與決策
土木與建筑

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資源與環境

巖體節理產狀系統聚類與邊坡失穩模式分析

吳順川, 劉芳標, 周喻, 韓慶

2014, 36(1): 1-7. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.001

[摘要](251)

[PDF 741KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
以白云鄂博鐵礦東礦C區巖體節理產狀為研究對象，通過構造空間直角坐標系，采用基于Euclidean距離度量標準的系統聚類法對反映節理產狀的單位法向量進行分類，選用合適的分布函數描述各組節理，并對各組節理的概率分布模型進行卡方檢驗.結果表明，采用系統聚類法能較好反映現場節理產狀，準確給出巖體節理分類方案，消除人為判別模糊性.基于聚類分析結果，結合邊坡參數，采用赤平極射投影法進一步確定邊坡最可能失穩模式，為調整邊坡設計參數，控制邊坡災害提供依據.

地下礦山充填料巖石區域非均質一維滲流規律

黃剛, 蔡嗣經, 宋洪慶, 閆振雄, 陳利華

2014, 36(1): 8-13. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.002

[摘要](183)

[PDF 555KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以地下礦山采場為對象建立了充填料巖石滲流模型，根據實際情況確立初始條件和邊界條件，推導出水在充填料和巖石中的滲流壓力和流量公式，在此基礎上分析了地下充填料巖石中的滲流規律及影響因素.通過分析得出：在充填料中，流量在初始階段增長較快，達到一個峰值后逐漸下降；壓力隨時間逐漸降低，最后趨于穩定；滲透率越大，流量和壓降越大；高度越高，流量越小而壓降越大；孔隙度越小，壓力越大，孔隙度對流量的影響在不同階段各不相同.在巖石中，滲流壓力與其滲透率無關，但受充填料滲流的影響較大，隨時間降低，滲流流量則只與巖石的滲透率有關.

冶金與材料

鐵礦粉與CaO同化反應性能的表征方法

王崇茂, 吳鏗, 折媛, 趙勇, 王夢, 杜瑞玲

2014, 36(1): 14-20. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.003

[摘要](272)

[PDF 656KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
為解決在研究鐵礦粉與CaO進行同化反應時通常采用最低同化溫度這一終點體系指標來表征，而沒有考慮同化反應速度和升溫速率的缺陷以及采用多個指標來表征同化反應溫度和速度在使用上的不便，本文充分利用鐵礦粉在高溫同化反應過程中獲得的數據和范特霍夫規則，提出了量綱為1的同化反應特征數.該特征數包括同化反應速度、升溫速率、同化溫度和溫度對同化反應速度的影響，可用來表征鐵礦粉與CaO的同化過程中鐵礦粉的同化溫度、同化反應時間、同化反應結束溫度等性能，并以燒結過程中的實際溫度作為基準.該特征數綜合了鐵礦粉與CaO在同化反應過程中各重要信息，可以更全面地反映鐵礦粉與CaO的同化反應性能.對兩種方法得到的結果進行了比較，發現僅考慮最低同化溫度這一終點指標時得到的結果相近，而采用同化反應特征數可以進一步細分出不同鐵礦粉同化反應性能的差異.

板坯中間包內鋼液流動特性

李怡宏, 趙立華, 包燕平, 王敏, 申小維

2014, 36(1): 21-28. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.004

[摘要](207)

[PDF 676KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過開展中間包控流裝置布置的正交試驗，研究了反應器結構對鋼水流動行為的影響.著重探討了不同尺寸中間包的控流裝置布置規律及其對鋼液流動行為和夾雜物去除的影響，定量化得到了雙流板坯中間包控流裝置布置與死區體積和結構影響因子D的關系.實驗結果分析表明：中間包內部分活塞流體積不利于夾雜物去除，死區體積可準確反映鋼液的潔凈度水平；出水口抽吸作用對鋼液流動行為影響較大，擋壩布置在距出水口1000-1300 mm時鋼液流動形態較好，夾雜物聚集導致的水口結瘤率低至7.5%；0.0035<D<0.0085時，可獲得板坯中間包在普通拉速下的流場特征與擋壩相對位置的關系；中間包內鋼液與夾雜物的相對運動速度為大于6×10^-5m·s^-1時，夾雜物的上浮速度較大.

A105連鑄坯表面橫裂紋形成原因分析

陶素芬, 王福明, 李夢龍, 金桂香, 曹敏, 柴國強

2014, 36(1): 29-36. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.005

[摘要](224)

[PDF 1110KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
應用配有能譜儀的場發射掃描電鏡分析了A105鋼中裂紋處及基體內殘余元素Cu、As和Sn以及P含量.應用Thermo-Calc熱力學計算軟件計算了A105鋼的主要析出相以及鋼液中P含量隨固相質量分數變化關系.應用Gleeble 1500熱模擬試驗機對A105鋼的高溫熱塑性進行了研究.發現P偏析是該鋼產生橫裂的主要原因，殘余元素Cu、As和Sn在晶界的偏聚加劇了裂紋的形成，矯直溫度偏低加速了裂紋的擴展，而裂紋的形成可能與AlN的析出無關，因為析出的AlN很少.

不同工藝下低碳Mn-Si鋼的組織與力學性能

周紅凱, 李龍飛, 楊王玥, 孫祖慶

2014, 36(1): 37-41. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.006

[摘要](187)

[PDF 602KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
通過Gleeble-1500熱模擬壓縮試驗，借助光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射及拉伸試驗等，研究一種低碳Mn-Si鋼在基于熱軋動態相變的熱軋TRIP鋼工藝和基于貝氏體等溫處理工藝下的組織與力學性能，比較了通過兩種工藝獲得的不同復相組織狀態對材料的加工硬化能力的影響.結果表明：實驗鋼在基于動態相變的熱軋TRIP鋼工藝下獲得了以細晶鐵素體為基體和貝氏體、殘余奧氏體組成的復相組織，而在基于貝氏體等溫處理工藝下得到了以板條貝氏體為基體和殘余奧氏體組成的復相組織，前者中殘余奧氏體含量較高且其碳含量也較高.實驗鋼具有以板條貝氏體為基體的復相組織時屈服強度和抗拉強度較高；但由于殘余奧氏體穩定性較差，實驗鋼的加工硬化能力較弱，導致其均勻延伸率和總延伸率較小.

奧氏體化溫度對調質Ti-V微合金鋼力學性能的影響

呂政, 任學平, 佟建國, 涂友歡

2014, 36(1): 42-47. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.007

[摘要](213)

[PDF 771KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
研究了奧氏體化溫度對調質Ti-V微合金鋼力學性能的影響。金相和透射電鏡觀察揭示了奧氏體晶粒尺寸隨奧氏體化溫度的變化規律。在850~1200℃的溫度范圍內，隨著奧氏體化溫度的升高，奧氏體晶粒尺寸經歷了穩定-驟增-穩定三個階段。抗拉強度和沖擊韌性試驗結果顯示，實驗鋼的抗拉強度R_m隨著奧氏體化溫度的升高逐漸增加，而沖擊韌性則經歷了穩定-降低-升高的過程。一定溫度下沉淀相粒子的粗化導致了奧氏體晶粒尺寸的突然增加；隨溫度升高，合金元素不斷固溶所導致的回火后彌散析出的增多和沉淀相粒子的有效釘扎是抗拉強度增加的主要原因，而一定溫度下晶粒的不正常長大和尺寸均勻化則是影響實驗鋼沖擊韌性的關鍵因素。

新型微合金化C-Mn-Al高強度鋼的熱變形行為

魏海蓮, 劉國權, 肖翔, 趙海濤, 丁航, 康人木

2014, 36(1): 48-55. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.008

[摘要](167)

[PDF 1108KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過Gleeble-1500熱模擬單軸壓縮試驗，研究了一種含1.79% Al （質量分數）的以Al替代Si微合金化高強度鋼在溫度為900-1100℃、應變速率為0.01-30 s^-1條件下的熱變形行為.建立了考慮應變量對材料常數影響的雙曲正弦本構方程，利用建立的本構方程預測的應力-應變曲線與實驗值吻合良好，表明建立的本構方程可以對實驗鋼的流變應力給出相對準確的預測.建立了實驗鋼的加工圖，根據加工圖分析確定了實驗鋼的動態再結晶區為1000-1100℃和0.01-1 s^-1.組織觀察表明在動態再結晶區實驗鋼發生了動態再結晶，而失穩區對應的組織出現了變形集中帶或“項鏈”組織.最后將建立的本構方程和加工圖聯合運用，為更全面地研究實驗鋼在不同變形條件下的熱變形行為提供了方法.

常化后冷卻工藝對1600MPa級超高強鋼組織性能的影響

余偉, 齊越, 李亮, 孫廣杰, 萬德成, 董長征

2014, 36(1): 56-62. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.009

[摘要](180)

[PDF 932KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為改善高強度鋼的塑性和韌性，對中碳低合金馬氏體高強度鋼分別采用常化后空冷＋回火和常化后控冷＋回火工藝，研究常化后冷卻工藝對鋼中殘余奧氏體及力學性能的影響.采用掃描電鏡獲得鋼的組織形態，利用X射線衍射和電子背散射衍射技術分析鋼中殘余奧氏體的體積分數、形貌和分布.發現兩種工藝下均得到板條馬氏體＋殘余奧氏體組織，殘余奧氏體均勻分布在板條之間，隨工藝參數不同，其體積分數在3%~10%變化.常化后加速冷卻能顯著細化馬氏體板條，提高鋼的屈服強度和抗拉強度100 MPa以上，沖擊功下降4 J.殘余奧氏體的體積分數隨常化控冷終冷溫度的升高呈現先升高后降低的變化，常化后的控制冷卻也可以作為進一步改善馬氏體類型鋼組織和性能的方法

多相組織管線鋼的應變時效敏感性

吳圣杰, 聶文金, 尚成嘉, 程俊杰, 張宏偉, 張曉兵

2014, 36(1): 63-68. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.010

[摘要](159)

[PDF 619KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過對多相組織管線鋼進行橫向預應變模擬管線鋼在制管過程中的橫向擴徑，進而研究橫向預應變對多相組織管線鋼橫向和縱向拉伸應變行為的影響.發現多相組織X80管線鋼在橫向預應變后的加工硬化表現出明顯的方向性，平行于預應變方向加工硬化高，但在低于2%預應變條件下屈強比仍能保持在0.95以下.垂直于預應變方向在預應變后仍能保持連續屈服的拉伸應變特征，具有較低的屈強比（小于0.75）以及高的均勻延伸率.此外通過對預應變后鋼板進行時效處理，以此研究制管后防腐熱涂覆對管線鋼拉伸應變行為的影響.結果表明多相組織管線鋼擁有很好的抗時效穩定性.

濃硫酸中904L不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能

向嵩, 曾洪濤, 楊陽, 何勇剛, 劉松林

2014, 36(1): 69-73. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.011

[摘要](171)

[PDF 601KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用動電位極化曲線和電化學阻抗譜研究了904L不銹鋼基體和焊接區在濃硫酸溶液中的腐蝕行為，并簡要分析其腐蝕機理.實驗結果表明：焊接區和基材的陰極極化曲線均為氫還原反應過程，而陽極極化曲線則有較大的差異.焊接區相對于基材，其自腐蝕電位降低且陽極電流增大，焊接對陽極反應起促進作用.904L不銹鋼基體和焊接區的腐蝕主要由電化學反應步驟控制，兩者的Nyquist圖特征相似，均由單一的容抗弧構成，有一個時間常數.基體的耐蝕性能優于焊接區.

GH720Li合金γ+γ'兩相區再結晶行為

李強, 張麥倉, 鄭磊, 姚志浩, 董建新

2014, 36(1): 74-81. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.012

[摘要](140)

[PDF 1107KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用金相顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡等手段分析了GH720Li合金在兩相區熱壓縮后的變形空冷態及退火態組織特征，探討了該合金的靜態再結晶機制.發現GH720Li合金在1100℃熱變形及其后的空冷過程中主要發生回復現象，僅有少數再結晶晶粒可通過亞晶合并和亞晶長大的方式形核并長大；大量γ'相的限制使再結晶過程只能局限于單個或幾個晶粒內.經不同時間退火后，再結晶可開動應變誘導晶界遷移及多個晶粒交界處的位錯塞積區形核等機制，但一次γ'相的存在抑制了合金的整體再結晶進程.在基體變形及再結晶過程進行的同時，合金中一次γ'相也能夠參與變形過程并發生一定程度的回復及再結晶現象.

設備與能源

基于雷達的高爐料線形狀融合測量與補償算法

苗亮亮, 陳先中, 白真龍, 黃月琴, 侯慶文, 尹怡欣

2014, 36(1): 82-88. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.013

[摘要](186)

[PDF 529KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
不采用傳統接觸力模型自下而上的高爐料面形狀計算方法，而是根據土坡力學顆粒物質堆積理論，提出了新的基于堆積法的高爐料線形狀融合計算方法，直接對料面形狀進行計算.圍繞高爐多環布料的爐料堆積特點，結合爐頂六點陣列雷達，獲得了料面形狀計算的邊界條件，彌補了傳統料型計算靠十字測溫加機械探尺的經驗估算.新方法通過高爐布料規律及爐料顆粒的物理堆積插值方法，采用貝葉斯數據融合方法和分段三次Hermite插值，結合布料體積約束條件，完成了理論計算與測量修正的結合.實測結果表明：料面形狀融合法比傳統單獨的料面估算法，測量精度提高4.8%，料面分辨率提高27.2%，使布料控制可以更加精準和有針對性.

提釩用旋流氧槍噴頭的數值模擬

王慧, 朱榮, 呂明, 張興利, 谷云嶺

2014, 36(1): 89-96. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.014

[摘要](121)

[PDF 971KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
利用Fluent軟件模擬旋流氧槍的氣體射流和提釩轉爐內部的鋼液流速，研究常規氧槍以及旋流角分別為5°、8°、10°和13°的旋流氧槍對熔池的攪拌效果和沖擊特性.研究發現旋流氧槍射流分布相對分散，流股之間干擾少.增加熔池沖擊面積，熔池內部等速線所包圍的面積變大.10°旋流氧槍噴頭噴吹時，等速線所包圍面積最大，其面積約為熔池縱切面面積的75%，鋼液的流動速度最大，有利于促進轉爐提釩過程釩元素的擴散，從而提高提釩效率.

軋制界面非穩態流體潤滑軋制特性

付括, 臧勇, 郜志英

2014, 36(1): 97-103. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.015

[摘要](140)

[PDF 552KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
針對軋制過程非穩態及潤滑特性，通過流體力學分析，建立穩態、非穩態軋制變形區油膜厚度分布模型，提出油膜波動系數以研究油膜厚度的絕對波動，應用卡爾曼微分方程分析了穩態、非穩態軋制界面應力分布，并以穩態應力分布為基礎提出應力波動系數以研究變形區應力的絕對波動.結果表明：穩態下壓下率增加，軋制界面油膜變薄，壓應力、切應力均增加；非穩態下隨著入口板帶厚度等擾動因素的波動加劇，油膜波動系數變大，絕對波動加劇；不同時刻非穩態壓應力波峰的位置和數值都會發生變化；相比于切應力，油膜波動對壓應力的影響比較大，當油膜厚度發生6.33%的絕對波動時，壓應力和切應力分別產生1.17%和0.24%的絕對波動.

基于輥縫動態摩擦方程的鋁板冷軋機垂振機理分析

楊旭, 李擎, 童朝南, 張巍巍

2014, 36(1): 104-109. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.016

[摘要](130)

[PDF 483KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
針對高速鋁板軋制過程中頻繁出現的冷軋機垂直振動現象，結合軋制工藝潤滑原理和機械振動理論，建立基于輥縫動態摩擦方程的軋機垂直振動模型.該模型由輥縫幾何形狀模型，軋輥-軋件工作界面的動態摩擦模型，變形區內的正向軋制應力、摩擦應力分布模型，以及單機架鋁板冷軋機二自由度垂向系統結構模型組成.同時，為研究軋輥-軋件工作界面動態摩擦機制影響下的冷軋機垂振機理及系統穩定性，采用某廠單機架鋁軋機設備及工藝參數，搭建Matlab/Simulink平臺，分別模擬仿真軋制壓力和正向軋制應力曲線，驗證該模型的有效性；并討論分析了變形區混合摩擦狀態，軋輥-軋件表面粗糙度、軋件入口厚度與系統穩定性的關系.

三冗余傳動系統的優化設計

俞必強, 李威, 王文瑞

2014, 36(1): 110-114. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.017

[摘要](103)

[PDF 464KB](5) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種三冗余傳動系統設計方案，采用三組動力單元并行輸入并互為備份，通過機械式復合輪系傳動系統實現對各輸入軸運動和動力的傳動和耦合，保障系統在部分輸入單元發生故障時自動完成切換，維持連續穩定的動力輸出.對傳動方案進行了深入的研究，給出了系統的結構布局方案，導出了為達到三路傳動等效作用需滿足的配齒關系.基于多學科設計優化方法建立了三冗余傳動系統的優化模型，將其劃分為差動輪系和定軸輪系兩個并行子系統，采用基于離散變量的多學科變量耦合優化方法進行優化求解，得到滿足配齒關系、強度要求和動力學要求的最優設計方案.

控制與決策

基于遺傳算法的煉鋼-連鑄重計劃方法

龍建宇, 鄭忠, 高小強, 龔永民, 呼萬哲

2014, 36(1): 115-122. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.018

[摘要](138)

[PDF 640KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對多約束的煉鋼-連鑄重計劃問題，提出了一種按擾動時爐次的狀態進行爐次分類求解的重計劃方法.將重計劃問題中的約束分成強制約束和柔性約束兩類，針對正在作業爐次設計了基于時間順推和遺傳算法的混合算法，針對未作業爐次設計了基于時間倒推和遺傳算法的混合算法，通過強制約束結合混合算法搜尋可行解，然后在可行解中利用柔性約束搜尋最優解.采用鋼廠的生產實績數據進行仿真實驗驗證了該方法的可行性和有效性.

基于聚類-約束滿足算法的鋼管入庫優化決策模型

董廣靜, 施燦濤, 李鐵克, 王柏琳

2014, 36(1): 123-130. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.019

[摘要](150)

[PDF 504KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
針對鋼管入庫優化決策問題，建立了問題的約束滿足優化模型，并通過對垛高和鋼管堆放規則的分析，提出了基于聚類和約束滿足技術的兩階段求解算法.算法在第一階段采用聚類的方式對待入庫的鋼管按照多重屬性進行分組；在第二階段利用約束滿足技術對于每組鋼管分別指派垛位及其在垛位上的具體位置，并通過約束傳播動態縮減問題的搜索空間.最后將算法與經典的BFD （best fit deceasing）算法進行實驗結果對比.實驗結果表明，算法能夠在保證倒垛次數最小的前提下，有效減少垛位數并具有良好的垛位利用率，模型及算法可行、有效.

土木與建筑

凍土覆蓋下液化場地樁基地震響應的振動臺試驗研究

楊潤林, 喬春明, ZHANG Xiao-yu, YANG Zhao-hui

2014, 36(1): 131-137. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.01.020

[摘要](140)

[PDF 1041KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用振動臺進行了在地震激勵下凍土、可液化砂土與鋼管樁之間的相互作用模擬試驗研究.試驗設計柔性模型箱裝填土體以模擬邊界影響，通過配比試驗制備混凝土砂漿模擬上覆凍土層，采用飽和砂土作為液化土，利用頂部附加集中質量的方法模擬鋼管樁的慣性荷載.試驗過程中選取調幅地震波模擬地震激勵，通過實時測量樁的應變、樁/凍土位移和砂土內的孔隙水壓力等方面的數據，分析凍土層覆蓋下砂土的液化情況和與之對應的樁基動力反應情況.試驗結果顯示：在地基液化發生前，凍土層可以給樁基提供一定的側向約束，有利于提高其承載力并抑制其側向變形；然而一旦出現液化，凍土層則可能增強地基液化的趨勢，導致樁基承載性能下降.