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12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

卸荷巖體細觀損傷演化的核磁共振測試

胡振襄, 周科平, 李杰林, 高峰, 王明球

2014, 36(12): 1567-1574. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.001

[摘要](263)

[PDF 488KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為研究卸荷巖體內部孔隙結構的細觀損傷演化特征，以大理巖為巖樣，分別進行初始圍壓為10、20和30 MPa，不同卸荷圍壓量的常規三軸卸荷試驗和核磁共振測試實驗，獲得卸荷巖體的應力-應變曲線、橫向弛豫時間T₂分布、孔隙度及核磁共振成像圖像.隨著卸荷圍壓比的增大，巖石由彈性變形轉化為塑性變形，巖樣內小孔隙的孔徑增大，大孔隙的數量增多且孔徑增大；卸荷圍壓比低于90%，巖體損傷主要由孔隙數量的增多引起，卸荷圍壓比高于90%，損傷由孔隙數量和孔徑均急劇增大引起；巖樣的孔隙度隨著卸荷圍壓比的增大而增大，且增速越來越快；核磁共振圖像直觀地反映卸荷巖體內部孔隙數量、孔徑及結構變化情況.

Bandis經驗公式修正及其應用

祁建東, 金愛兵, 王賀, 高艷華, 于詠妍

2014, 36(12): 1575-1582. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.002

[摘要](317)

[PDF 504KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
針對三維離散元程序中剛度參數合理選取方法及其應用開展研究.通過理論分析，給出了結構面剪切剛度及法向剛度的理論公式；結合室內剪切試驗研究和數值分析，得到了符合工程實際的剪切剛度修正Bandis經驗公式及法向剛度參數經驗公式，從而明確提出了一種結構面剛度參數的選取方法；通過實際工程邊坡穩定性分析，探究了基于上述方法選取的參數對實際工程模擬的適用性.研究表明，巖體結構面剛度參數是應力的函數，修正Bandis經驗公式能夠較為完善地表征剪切破壞前結構面的剪切剛度變化規律；利用編制FISH程序使剛度參數隨應力變化而改變的方法，使3DEC軟件對工程巖體變形特征的模擬更加符合實際，從而驗證了該方法的合理性.

基于三維離散元法的等厚篩虛擬篩分

王宏, 李珺, 江海深, 趙杰, 彭利平

2014, 36(12): 1583-1588. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.003

[摘要](286)

[PDF 400KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于三維離散元法，建立了等厚篩離散元模型.對于粒度為0.8倍篩孔直徑的難篩顆粒進行了虛擬實驗研究，得到了顆粒分層和透篩狀態下的顆粒群分布狀態.在此基礎上分別研究了等厚篩篩面傾角、振動方向角和振動強度對于該模型篩分效果的影響規律.實驗結果表明：總體上隨振動強度的增大，篩分效果降低，篩分完成時間縮短.當篩面傾角為0.5°、振動方向角為45°以及振動強度為3.5時，該等厚篩具有最佳的篩分效果，篩分效率為92.2%，篩分完成時間為9.95 s.

烴基結構對黃藥捕收劑浮選性能的影響

曹飛, 孫傳堯, 王化軍, 陳飛武

2014, 36(12): 1589-1594. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.004

[摘要](239)

[PDF 383KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
采用密度泛函理論計算了一系列黃藥捕收劑的幾何構型和電子結構，利用最高占據分子軌道能量、自然布局分析電荷、電負性和絕對硬度等參數判斷黃藥捕收劑的浮選性能.研究結果表明：黃藥陰離子是浮選溶液中的活性成分，鍵合原子為C—S單鍵中的S原子.最高占據分子軌道能量可較好地解釋直鏈黃藥（C₁-C₆）的浮選性能隨碳鏈增長而增強的現象.在黃藥同分異構體中，與極性基相連的碳原子上支鏈越多，烷基給電子誘導效應越強，該異構體的捕收活性越強.黃藥同分異構體（C₃-C₅）的捕收活性順序為：叔烴基黃藥〉仲烴基黃藥〉異烴基黃藥.

冶金與材料

釩鈦磁鐵精礦直接還原過程中金屬鐵顆粒長大特性

趙龍勝, 陳德勝, 王麗娜, 齊濤, 趙宏欣, 薛天艷, 王建沖

2014, 36(12): 1595-1601. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.005

[摘要](256)

[PDF 672KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
通過釩鈦磁鐵礦精礦直接還原實驗，研究了不同還原劑和添加劑對還原過程金屬鐵顆粒長大的影響.提高還原溫度能促進還原產物中金屬鐵顆粒的長大，金屬鐵顆粒中V含量也顯著增加.與用無煙煤和褐煤還原產物相比，用煙煤還原產物中金屬鐵顆粒明顯長大，這是由煙煤中高灰分含量所引起的.金屬鐵顆粒長大機理的研究表明：Na₂CO₃和Na₂SiO₃的熔點較低，且能破壞鐵橄欖石和鐵尖晶石的結構，并生成一些低熔點物質，而SiO₂能與鐵橄欖石形成低共熔混合物.這些低熔點物質都有助于改善金屬鐵相的擴散，從而促進金屬鐵顆粒長大.

搗固焦高溫氣化反應特性

王喆, 張建良, 左海濱, 高冰, 孔德文

2014, 36(12): 1602-1607. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.006

[摘要](251)

[PDF 629KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
通過模擬高爐實際條件，研究了溫度、富堿條件等對五種搗固焦氣化反應的影響，并結合光學組織和微觀氣孔結構分析了搗固焦在高溫下的碳溶反應規律。實驗結果表明，反應溫度升高和富堿均能較大地提高搗固焦氣化反應失碳率。不富堿時，搗固焦氣化反應失碳率隨溫度升高先緩慢增長而后急劇升高，在1000℃以下時反應較少；富堿后，四種搗固焦失碳率隨溫度升高先急劇升高而后趨于平穩，在1100℃時已達到最大值。搗固焦內部閉氣孔比例較大，大氣孔較少，微小氣孔較多，局部存在盲腸狀氣孔，反應后大氣孔和貫穿孔數量增加。除反應性最低的搗固焦A外，其他四種搗固焦以基礎各向異性和粗粒鑲嵌結構為主，在1000℃和1100℃時抗堿金屬侵蝕能力較差.

CaO-MgO-FeO-Fe₂O₃-SiO₂煉鋼渣系磷分配比的熱力學模型

李鵬程, 楊學民, 張鑒

2014, 36(12): 1608-1614. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.007

[摘要](270)

[PDF 469KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于爐渣離子-分子共存理論（IMCT）建立了CaO-MgO-FeO-Fe₂O₃-SiO₂渣系的磷分配比預報模型，即IMCT-L_P模型.比較了該渣系在1823-1873 K時實測的磷分配比、IMCT-L_P模型預報的磷分配比及其他6種磷分配比模型的計算結果.與實測值和其他磷分配比模型預報結果相比，由IMCT-L_P模型預報的CaO-MgO-FeO-Fe₂O₃-SiO₂渣系的磷分配比更精確.本文建立的IMCT-L_P模型不僅可計算該渣系的磷分配比，而且可計算該渣系中堿性離子對（Ca₂₊+O_2-）、（Mg₂₊+O_2-）和（Fe₂₊+O_2-）各自的磷分配比.

鈣處理中間產物的形成及其對氧化鋁夾雜的改性

孫彥輝, 方忠強

2014, 36(12): 1615-1625. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.008

[摘要](279)

[PDF 933KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過觀測鈣處理前后夾雜物形貌和成分的變化，對鈣處理效果、中間產物的形成及不同中間產物對氧化鋁夾雜的改性路徑進行了研究.結果表明，鈣處理可將鋼液中不規則固態夾雜改性為球形液態夾雜，并且各爐次夾雜物的改性程度不同.熱力學分析表明，Als和S含量越高，氧化鋁夾雜改性為液態的難度越大.鈣處理后的短時間內，Ca S和CaO作為中間產物存在.通過建立中間產物生成的動力學模型，確定了生成不同中間產物的臨界硫質量分數為11.1×10^-6（鋼液中溶解氧質量分數為4×10^-6）.由該模型結合結果分析，推斷出不同中間產物對氧化鋁的改性路徑.

微波加熱內配碳酸鈣高碳鉻鐵粉固相脫碳

陳津, 郝赳赳, 王晨亮, 郭麗娜, 孫宏飛, 劉金營

2014, 36(12): 1626-1633. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.009

[摘要](295)

[PDF 553KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
高碳鉻鐵無渣脫碳法可避免有毒鉻渣的排放，利用微波場可快速加熱粉狀物料的特性，在高碳鉻鐵粉中配加一定比例的碳酸鈣粉，可實現高碳鉻鐵粉快速固相脫碳.實驗結果表明：配加一定比例的碳酸鈣粉，不會影響內配碳酸鈣高碳鉻鐵粉混合物料的微波加熱特性；提高混合物料的脫碳摩爾比、微波加熱溫度和保溫時間，有利于高碳鉻鐵粉的深度脫碳，但相應加劇脫碳鉻鐵粉的氧化程度.合適的固相脫碳條件為：脫碳摩爾比1∶1.0~1∶1.4，微波加熱溫度1100℃，保溫脫碳時間60 min.在上述條件下可使碳質量分數為8.16%的高碳鉻鐵粉脫碳至3.91%~1.71%，脫碳率為52.08%~79.04%.

小方坯連鑄過程溫度場和流場的實時模擬

唐娜娜, 李宏祥, 張濟山, 莊林忠

2014, 36(12): 1634-1642. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.010

[摘要](153)

[PDF 639KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了尋求在瞬態下仍然有效的實時模擬模型，以便模擬連鑄的全過程，基于任意拉格朗日-歐拉（ALE）方法和Lam-Bremhorst低雷諾數k-ε方程，建立了考慮湍流的傳熱和流體流動的實時模擬模型.該模型有效地實現了移動計算域下的動態網格擴展，可以模擬從拉坯到切割坯連鑄全過程的溫度場與流場的變化.作為實例，X70鋼小方坯的模擬效果與實驗驗證吻合很好.

Fe-6.5%Si合金溫軋后退火過程中再結晶行為

蔣雖合, 毛衛民, 楊平, 葉豐

2014, 36(12): 1643-1649. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.011

[摘要](148)

[PDF 630KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
用電子背散射技術觀察了700℃溫軋板在退火過程中的組織及織構演變以了解其再結晶行為.結果表明，溫軋織構由強的（111）〈112〉、較弱的〈110〉∥RD及Goss組成，再結晶織構與之相似.〈110〉∥RD及（111）〈112〉新晶粒首先形成于與之構成小角度晶界的形變晶粒的晶界附近，而在角隅及組織不均勻區等位置孕育出與周圍晶粒構成大角度晶界的晶核，擇優取向不明顯.退火過程中（111）〈112〉在形變組織中累積，最終轉化為（111）〈112〉再結晶晶粒.分析認為，溫軋后退火是不均勻組織在低儲存能驅動下的再結晶過程.（112）〈110〉及（111）〈112〉形變拉長晶粒多發生連續再結晶從而退火織構與形變態相似.在角隅區形成核心進而發生不連續再結晶，核心取向的統計性及不連續晶核的長大弱化再結晶織構，其中Goss晶粒多以此方式形成于（111）〈112〉晶粒內部.

退火溫度對430不銹鋼冷軋板組織和力學性能的影響

張雄, 溫治, 豆瑞鋒, 周鋼, 李志強

2014, 36(12): 1650-1655. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.012

[摘要](239)

[PDF 553KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
針對現場生產的430不銹鋼冷軋板，通過高溫連續退火實驗研究了退火溫度對材料顯微組織、強度、塑性以及各向異性性能的影響.通過實驗得到了合理的兩段式加熱連續退火工藝：選取中間溫度為600℃，加熱II段的加熱速率為2.3℃·s^-1，最高加熱溫度為840℃.隨著退火溫度的升高，薄板的屈服強度和硬度呈明顯的兩階段降低趨勢，延伸率呈"S"型趨勢增加，平均塑性應變比基本保持不變（1.25左右），而軋制平面各向異性指數有一定的降低.針對430不銹鋼冷軋板分別建立了屈服強度與退火軟化率和延伸率之間的定量關系.

含鈦電爐熔分渣制備4A分子篩及其吸附性能

李楊, 朱玉濤, 郭敏, 張梅

2014, 36(12): 1656-1665. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.013

[摘要](141)

[PDF 1070KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
以含鈦電爐熔分渣提鈦后的水浸液為原料，采用常壓回流法和水熱法分別合成了4A分子篩.在控制硅鋁比（n（SiO₂）/n（Al₂O₃）摩爾比）為2的條件下，系統探討了水鈉比（n（H₂O）/n（Na₂O）摩爾比）、反應時間和溫度對合成4A分子篩物相和微觀形貌的影響.當控制水鈉比為80且反應時間為8 h時，采用常壓回流法可以制備出尺寸均一且結晶完全的4A分子篩；而采用水熱法在120℃條件下，3 h即可制備得到形狀規則的4A分子篩.另外，探討了水熱法不同反應溫度條件下制備的分子篩對硫酸銅溶液吸附性能的影響.結果表明：反應溫度為120℃條件下合成的4A分子篩對銅離子的吸附效率最高，在150 min時其吸附率可達70%.

LiF-NaF-KF體系的相圖計算

王坤, 程進輝, 張鵬, 左勇, 謝雷東

2014, 36(12): 1666-1675. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.014

[摘要](368)

[PDF 803KB](49) [施引文獻] ()

摘要:
基于CALPHAD技術首先評估了LiF-NaF和LiF-KF兩個二元熔鹽體系，液相和端際固溶體Halite相均采用Redlich-Kister多項式置換熔體模型描述，模型參數的優化選取實驗相平衡數據和熱化學數據以及本文根據第一性原理預測的數據.結合文獻中已報道的NaF-KF體系的熱力學參數，用Muggianu模型擴展至LiF-NaF-KF三元體系，根據三元共晶點的實驗數據調整三元交互參數.最終的相圖計算結果與絕大部分實驗數據和第一原理計算數據吻合較好，由此獲得了一套自洽且可靠的熱力學參數，其能夠準確描述LiF-NaF-KF體系的相平衡與熱力學性質.

設備與能源

雙緩沖腔環形間隙對鑿巖機緩沖系統動態特性的影響

李葉林, 馬飛, 耿曉光

2014, 36(12): 1676-1682. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.015

[摘要](156)

[PDF 535KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
分析了液壓鑿巖機雙緩沖系統的結構特點，應用孔口節流理論確定了緩沖活塞的靜平衡位置，基于應力波傳遞原理得到了緩沖活塞的回彈速度，考慮油液的壓縮特性推導出一級緩沖腔壓力公式，由間隙流量公式得到了二級緩沖腔壓力，在此基礎上建立了緩沖活塞的運動微分方程.應用Matlab工具對雙緩沖系統的動態特性進行了仿真，分析了不同環形間隙下緩沖活塞的運動規律，探討了環形間隙對一級和二級緩沖腔壓力的影響.提出與環形間隙和活塞最大行程的比值相關的間隙行程系數η.仿真結果表明，間隙行程系數與雙緩沖系統的特性密切相關，存在最優范圍.搭建了實驗臺，通過實驗對緩沖系統的數學模型進行了驗證.

控制與決策

中國鋼鐵工業流程結構、能耗和排放長期情景預測

汪鵬, 姜澤毅, 張欣欣, 耿心怡, 郝詩宇

2014, 36(12): 1683-1693. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.016

[摘要](249)

[PDF 830KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確預報我國鋼鐵工業未來生產結構、能耗和排放情況，構建了鋼鐵生產、加工、消費、折舊的全生命周期模型和基于人均鋼鐵存儲量的產量預測模型，結合工序能耗和排放特征，針對基準、折舊壽命延長、廢鋼回收率提升、能源效率提高及綜合等五種情景進行了情景預測.中國鋼鐵產量、能耗和排放會歷經一個峰值后下降，電爐短流程會逐漸替代高爐長流程成為主流.流程結構轉變是未來中國鋼鐵行業節能減排的關鍵"紅利"，而節能技術的作用在后期越發凸顯.中國鋼鐵行業要達到2050年減排一半的目標，需結合綜合情景實施生產結構調整、廢鋼回收、節能減排技術推廣等相應措施.

模糊時序與支持向量機建模相結合的PM_2.5質量濃度預測

劉杰, 楊鵬, 呂文生, 劉阿古達木, 劉俊秀

2014, 36(12): 1694-1702. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.017

[摘要](152)

[PDF 649KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為解決進行PM_2.5質量濃度預測中多因素回歸模型的不穩定、神經網絡模型的過擬合及局部最小等問題，提出應用支持向量機和模糊粒化時間序列相結合的方法，對PM_2.5質量濃度未來變化趨勢和范圍進行預測.根據PM_2.5不同季節的日變化周期模式，確定以24 h為周期的粒化窗寬，利用三角型隸屬函數對數據樣本進行特征提取作為支持向量機的輸入，并在k重交叉驗證法下采用網格劃分尋找出模型的最佳參數.以2013年3月—2014年2月北京市海淀區萬柳監測點四個季節PM_2.5的1 h質量濃度監測值為樣本數據，應用該方法建立PM_2.5質量濃度的時間序列預測模型，并在MATLAB平臺下應用LIBSVM工具實現計算過程.結果表明，基于模糊粒化時間序列的預測模型，能較好解決PM_2.5機理性建模方式下由于影響因素考慮不全而造成的預測結果不穩定，對模糊粒子擬合效果較好.

基于共享最近鄰密度的演化數據流聚類算法

高兵, 張健沛, 鄒啟杰

2014, 36(12): 1703-1711. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.018

[摘要](142)

[PDF 717KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
現有的基于密度的數據流聚類算法難于發現密度不同的簇，難于區分由若干數據對象橋接的簇和離群點.本文提出了一種基于共享最近鄰密度的演化數據流聚類算法.在此算法中，基于共享最近鄰圖定義了共享最近鄰密度，結合數據對象被類似的最近鄰對象包圍的程度和被其周圍對象需要的程度這兩個環境因素，使聚類結果不受密度變化的影響.定義了數據對象的平均距離和簇密度，以識別離群點和簇間的橋接.設計了滑動窗口模型下數據流更新算法，維護共享最近鄰圖中簇的更新.理論分析和實驗結果驗證了算法的聚類效果和聚類質量.

多分辨率小波極限學習機

全麗萍, 李曉理, 王巧智

2014, 36(12): 1712-1719. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.019

[摘要](150)

[PDF 525KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
針對一類具有空間不均勻性的辨識和回歸問題，提出了基于小波分析的極限學習機方法.從多分辨率分析的思想出發，構造一簇緊支撐正交小波作為隱層激活函數，并利用改進的誤差最小化極限學習機訓練輸出層權重，避免了新加入高分辨率子網絡后的重新訓練.同時，由一維多分辨分析的張量積構造了二維多分辨小波極限學習機.進而通過脊波變換將小波學習機擴展到高維空間，對脊波函數的伸縮、方向和位置參數進行優化計算.對具有奇異性的函數仿真結果證明，與標準極限學習機相比，小波極限學習機由于其聚微性能在極短的訓練時間內更好地逼近目標.一些實際基準回歸問題上的測試驗證了脊波極限學習機在其中大部分問題上達到更高的訓練和泛化精度.

土木與建筑

結構-土-結構體系動力特性的模型實驗

潘旦光, 高莉莉, 靳國豪, 李小翠

2014, 36(12): 1720-1728. doi: 10.13374/j.issn1001-053x.2014.12.020

[摘要](148)

[PDF 594KB](4) [施引文獻] ()

摘要:
為研究鄰近結構對土-結構體系動力特性的影響，基于彈性相似律，制作了框架結構在剛性基礎（RF）、單一結構土-結構相互作用（SSI）和結構-土-結構相互作用（SSSI）的縮尺模型.采用脈沖激勵方法識別出三個模型的頻率、模態和阻尼比，并與原型有限元計算結果相比較.實驗和數值計算結果表明：相應于SSI體系的模態，SSSI體系的模態成對出現，兩階模態的頻率接近而相位相反，且SSI體系相應模態的頻率位于這兩階頻率之間；由于相鄰結構的影響，SSSI體系基礎的豎向位移和傾覆轉角進一步加強.