工程科學學報

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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

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2015年第37卷第5期

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地下煤火燃空區冒落巖體孔隙率隨機分布規律

王少鋒, 李夕兵, 王德明, 曹凱

2015, 37(5): 543-550. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.001

[摘要](285)

[PDF 696KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
本文經隨機實驗統計分析得出孔隙率函數（3lnφ-2ln（1-φ））近似服從正態分布,在實驗的粒徑范圍內（30~180 mm）,其期望值和方差都隨著巖塊粒徑的增大而增大.在推導出巖層二維下沉曲面方程的基礎上,先后推演出燃空區冒落巖體孔隙率的連續非均質分布模型和隨機離散化非均質分布模型.依據模型計算矩形煤火空間得出以下結果：燃空區淺部及邊緣側冒落巖體的孔隙率大,而中間區域孔隙率小;孔隙率等值線在x-y平面上的投影呈側躺的＂U＂形分布;沿x軸,隨著深入燃空區距離的增加,孔隙率呈類負指數形式衰減.此外,孔隙率連續分布和隨機離散化分布,在整體的變化趨勢上是相同的,區別之處在于后者所表示的孔隙率具有一定的隨機波動性.將上述隨機離散化模型應用在某火區溫度場的數值模擬中,并經現場紅外測溫驗證了模擬的準確性和孔隙率模型的適用性.

井下緊急避險設施內人體舒適度預測模型

汪澍, 金龍哲, 歐盛南, 李芳瑋, 栗婧

2015, 37(5): 551-555. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.002

[摘要](326)

[PDF 330KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
長時間處在不舒適的環境中,將對人體健康產生嚴重影響。井下緊急避險設施中,影響避險人員舒適性感覺的因素眾多,本文選取氧氣含量、二氧化碳含量、溫度和相對濕度四個關鍵因素為研究對象,采用分級評分法,進行了系列真人模擬生存試驗,獲得了單一環境變量和多個環境變量條件下總計169組有效人體舒適度投票數據.經統計分析,分別得出了密閉艙室內單一環境變量與人體舒適度感覺之間的函數關系以及避險人員舒適度預測模型,分析了氧氣含量、二氧化碳含量、溫度和相對濕度的允許范圍及調控原則.

四維空間分形插值算法在品位估算中的應用

胡乃聯, 陳建均, 李國清, 楊樺

2015, 37(5): 556-560. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.003

[摘要](352)

[PDF 272KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
克里金法是一種應用廣泛的低通濾波性插值方法,但其無法重建原始信息中的高頻、低頻和局部信息.分形插值算法可利用自相似性,在保留原始信息的基礎上,克服克里金插值中低通濾波的局限性,從而提高插值的準確性.本文在傳統分形插值算法的基礎上,結合地質空間信息,提出了適用于礦床品位估算的四維空間分形插值算法,并將其應用于鉬礦的品位估算.結果表明:在該鉬礦的品位估算中,四維空間分形插值算法明顯優于克里金法.

礦石粒徑對礦堆內溶液毛細滲流的影響特征

尹升華, 陳勛, 姜立春

2015, 37(5): 561-567. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.004

[摘要](374)

[PDF 452KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為探究礦石粒徑對礦堆內溶液毛細滲流的影響特征,利用所構建的溶液毛細上升實驗裝置,針對單一粒徑礦堆和混合粒徑礦堆,分別開展不同礦石粒徑下溶液毛細上升實驗,得到了溶液毛細上升高度與時間的關系曲線及相應的擬合方程,分析了溶液上升速度隨時間變化規律.研究發現:實驗初期礦堆內溶液上升速度較快,隨著實驗時間的增加,溶液上升速度逐漸減小并最終降為零,且溶液最大上升高度及溶液上升速度均與礦石粒徑負相關.礦堆內由毛細作用形成的不可動溶液含量隨礦石平均粒徑的減小而增大,細顆粒礦石含量過多時在礦堆內將形成大范圍的不可動溶液區域,影響礦堆內溶液滲透效果.

新型Al基復合脫氧劑脫氧效果研究

王唐林, 宋波, 宋明明, 陳毛川, 毛璟紅

2015, 37(5): 568-572. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.005

[摘要](357)

[PDF 442KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
Al作為煉鋼脫氧劑單獨脫氧時易燒損,導致利用率較低;同時,其脫氧產物Al₂O₃熔點高,形狀不規則,不易在脫氧過程中上浮排出,造成水口堵塞,惡化鋼材質量.為了提高鋁的脫氧效率,同時使脫氧產物Al₂O₃能快速從鋼液中上浮排出,本文研究了一種以金屬鋁為有效脫氧組分,低熔點氧化物渣系為載體的新型復合脫氧劑.實驗表明,使用該脫氧劑不僅可以保證鋼液中溶解氧的質量分數在10×10^-6以下,而且脫氧后鋼中Al₂O₃夾雜物與純Al脫氧相比尺寸更小、數量更少,較顯著地提高了鋼材的純凈度,具有良好的脫氧效果.

Al₂O₃對連鑄保護渣中氟浸出的影響

高金星, 文光華, 唐萍, 陳力源, 楊昌霖

2015, 37(5): 573-579. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.006

[摘要](333)

[PDF 406KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了消除保護渣在使用過程中氟溶解到水中造成的危害,提出了開發高Al₂O₃含量的保護渣.研究了不同含量的Al₂O₃對保護渣熔渣水浸液中F^-質量濃度和pH值的影響,并利用X射線光電子能譜分析了Al₂O₃含量對保護渣熔渣結構的影響.當Al₂O₃的質量分數為4%時,保護渣遷移到水中的F^-質量濃度為22.8~35.4 mg·L^-1,pH值的變化范圍為4.0~9.5;當Al₂O₃的質量分數由4%增加到34%,F^-質量濃度和pH值的變化范圍均是先急劇減小后略有增加的趨勢.X射線光電子能譜分析顯示：增加保護渣中Al₂O₃的含量時,保護渣中Al₂O₃通過形成Al—F共價鍵,抑制了氟的浸出.控制保護渣中Al₂O₃的質量分數在16%~34%的范圍,則實驗水樣中F^-質量濃度在4.0~10.0 mg·L^-1的范圍,pH值在6.5~7.5的近中性范圍,可減弱氟浸出造成的危害.

銅電解液中硫酸質量濃度和溫度對明膠分解的影響

李堅, 華一新, 施哲, 田國才, 徐存英

2015, 37(5): 580-587. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.007

[摘要](378)

[PDF 523KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
采用透析的方法將銅電解液中相對分子質量大于3500的明膠進行分離,以二喹啉甲酸（BCA）法測定所得明膠質量濃度,研究了硫酸質量濃度和溫度對銅電解液中明膠分解規律的影響.銅電解液中Cu2＋基本不影響明膠的穩定性;電解液溫度升高和硫酸質量濃度增大,都加劇了明膠的分解.在相同溫度下,硫酸質量濃度在150~180 g·L^-1范圍內每增加15 g·L^-1,明膠分解反應速率常數增大約1.2倍;而在相同的硫酸質量濃度下,溫度在55~70℃范圍內每增加5℃,明膠分解反應速率常數增大約1.5倍.對于銅電解生產,電解液中硫酸質量濃度150~180 g·L^-1以及溫度60~65℃,可推算出電解液在電解槽中停留3~4 h,明膠的分解率達50%~80%;電解液經過完整的一周循環約需6 h,明膠的分解率可達到70%~90%.

再生鉛低溫堿性固硫熔煉的實驗研究

胡宇杰, 唐朝波, 唐謨堂, 陳永明

2015, 37(5): 588-594. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.008

[摘要](355)

[PDF 454KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
針對我國傳統再生鉛生產工藝所存在的熔煉溫度高、能耗大、鉛和低濃度SO₂煙氣污染嚴重等弊端,在對NaOH-C-PbSO₄-ZnO低溫堿性煉鉛體系進行理論分析的基礎上,提出了一種再生鉛的低溫堿性固硫熔煉新工藝.以廢鉛酸蓄電池膠泥(以下簡稱膠泥)為實驗原料,采用單因素實驗法分別考察NaOH用量、熔煉溫度、焦粉用量及固硫劑ZnO用量對金屬鉛直收率和ZnO固硫率的影響.獲得優化實驗條件如下:m(NaOH)/m(膠泥)=60%,熔煉溫度為860℃,m(焦粉)/m(膠泥)=10%,m(ZnO)=m(理論量).在此優化條件下進行綜合擴大實驗,鉛的直收率為99.09%,獲得粗鉛品位為98.86%,ZnO固硫率為93.37%.X射線衍射圖譜分析可知,反應后原料中硫主要以ZnS的形式固定在渣中,NaOH絕大部分轉變為Na2CO3,生產過程中無SO₂氣體排放.

鈦微合金化熱軋雙相鋼的工藝研究

衣海龍, 徐薇, 龍雷周, 劉振宇, 王國棟

2015, 37(5): 595-599. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.009

[摘要](366)

[PDF 533KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
通過模擬實驗研究了鈦微合金化熱軋雙相鋼的連續冷卻轉變曲線及終軋溫度對組織的影響規律,獲得了可行的工藝窗口,并進行了驗證性熱軋實驗.在冷卻速率小于5℃·s^-1及溫度在625~725℃時,實驗鋼可以形成先共析鐵素體.隨著終軋溫度升高,組織中鐵素體及馬氏體含量先升高后降低,但幅度不大.同時,當終軋溫度較高時,鐵素體顯微硬度增加,析出強化作用增加.當終軋溫度及緩冷溫度分別為840℃及700℃時,獲得了抗拉強度為672 MPa及屈強比為0.61的性能良好的熱軋雙相鋼.經計算,鐵素體組織中析出強化量為78.5 MPa.

改進310奧氏體不銹鋼長期時效后的組織與性能

孫紅英, 周張健, 王曼, 鄒雷, 李少夫

2015, 37(5): 600-607. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.010

[摘要](199)

[PDF 752KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
借助掃描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡以及高溫、室溫拉伸和硬度測試研究了實驗室研發的改進310奧氏體不銹鋼在700℃長期時效后的組織與性能.700℃時效1000 h后,實驗鋼在晶界和晶內析出了大量(Cr,Fe,Mo)₂₃C₆、(Cr,Fe)₂₃C₆、σ相和少量的χ相.析出相對實驗鋼的室溫力學性能有明顯的強化作用.強度增加,硬度升高20 Hv,同時延伸率仍保持在30%以上.高溫下,析出強化效應減弱,延伸率輕微下降.通過斷口表面和剖面觀察發現,時效1000 h后,實驗鋼的高溫拉伸斷口為韌性斷裂,未觀察到裂紋和孔洞;而室溫拉伸斷口為脆性斷裂,斷口附近則觀察到σ相中出現裂紋和孔洞.從σ相的脆-韌轉變和實驗鋼基體的室溫和高溫強度的不同,討論了在室溫拉伸過程中產生裂紋和孔洞的原因,以及時效對室溫和高溫力學行為的不同影響.

定向凝固合金DZ466在涂NaCl/Na₂SO₄鹽條件下熱腐蝕行為

丁賢飛, 陳學達, 李青, 肖程波, 任維鵬, 馮強

2015, 37(5): 608-614. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.011

[摘要](202)

[PDF 604KB](10) [施引文獻] ()

摘要:

采用涂Na Cl/Na₂SO₄鹽方法研究了DZ466合金在850℃和950℃條件下熱腐蝕行為.結果表明:合金的腐蝕層包括三個區域,最外層為(Ni,Co)O氧化物層,次外層為尖晶石結構氧化層(Ni,Co)Cr₂O₄,內層為內腐蝕層,850℃時該層為Ni₃S₂,而950℃時除Ni₃S₂外,在靠近次外層還形成內氧化Al₂O₃;在850℃和950℃時合金的熱腐蝕機制相同,氧化膜連續性的破壞,是合金遭受熱腐蝕的主要原因;熱腐蝕增重曲線均符合拋物線規律,其速率常數分別為3.1×10^-11g²·cm^-4·s^-1和1.5×10^-9g²·cm^-4·s^-1,熱腐蝕激活能分別為179.2 k J·mol^-1和138.3 k J·mol^-1.

一種[011]取向鎳基單晶合金的蠕變斷裂

水麗, 胡壯麒

2015, 37(5): 615-620. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.012

[摘要](199)

[PDF 541KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研究了[011]取向的鎳基單晶高溫合金在750~980℃溫度范圍和200~680 MPa應力下的蠕變斷裂特征.在掃描電鏡上對各種實驗狀態下的蠕變斷口和縱向剖面進行了詳細觀察.研究發現：在低溫750℃和中溫870℃不同初始蠕變應力條件下,枝晶間區亞晶界處不規則γ＇/γ界面是裂紋主要萌生場所,這些已萌生的裂紋在與外加應力軸垂直的（011）面上沿〈110〉和〈100〉兩個方向擴展;980℃不同初始應力條件下,裂紋主要在合金中顯微疏松孔洞處萌生,沿與外應力軸垂直的方向擴展.觀察750℃和870℃不同應力狀態蠕變試樣的縱向剖面,對亞晶界區不規則γ＇相面積分數的測量和計算表明,用面積分數表征該合金[011]取向在中低溫狀態下的蠕變損傷程度是可行的.

燒結溫度對高速壓制制備彌散強化銅材料導電率的影響

李賀, 尹海清, 易善杰, DilFaraz Khan, 曹慧欽, 張桐, 曲選輝

2015, 37(5): 621-625. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.013

[摘要](314)

[PDF 460KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
彌散強化銅材料具有高強度和高導電性的特性,孔洞是影響導電率的重要因素.本文采用高速壓制成形技術,對Al₂O₃質量分數為0.9%的彌散強化銅粉壓制成形,研究了壓制速度對生坯的影響.當壓制速度為9.4 m·s^-1時得到密度為8.46 g·cm^-3的生坯.研究了燒結溫度對燒結所得Al₂O₃彌散強化銅試樣導電率的影響.當生坯密度相同時,燒結溫度越高,所得試樣的導電率也越高.斷口與金相分析表明:燒結溫度為950℃時,燒結不充分,顆粒邊界以及孔洞多而明顯,孔洞形狀不規則;燒結溫度為1080℃時,顆粒邊界消失,孔洞圓化,韌窩出現,燒結坯的電導率為71.3%IACS.

碳纖維負載零價鐵的制備及其去除水溶液中的六價鉻

袁飛, 馮雅麗, 王維大, 李浩然, 黃玲, 張士元

2015, 37(5): 626-632. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.014

[摘要](168)

[PDF 547KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以碳纖維作為載體,采用電沉積法制備碳纖維負載零價鐵(PCF^-ZVI),利用掃描電鏡、能譜儀及X射線衍射儀對其進行了表征,并考察了其對水溶液中Cr(VI)的去除效果.實驗結果表明:碳纖維負載零價鐵對水溶液中的Cr(VI)具有很好的去除效果.當鐵碳質量比為2∶1,投加量(以Fe⁰計)為2 g·L^-1,Cr(VI)初始質量濃度為20 mg·L^-1,pH值為5,反應時間40min后,Cr(VI)的去除率可達99.96%,碳纖維上負載的零價鐵對Cr(VI)的還原過程為準一級動力學,并且還原速率與反應溫度的關系符合Arrhenius定律,反應活化能為20.683 k J·mol^-1.

由熔融高爐渣制備微晶玻璃

許瑩, 張玉柱, 盧翔

2015, 37(5): 633-637. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.015

[摘要](194)

[PDF 354KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
采用熔融法,由熔融高爐渣制備性能穩定的基礎玻璃.通過對基礎玻璃的差熱分析確定微晶玻璃的熱處理工藝制度.結合X射線衍射分析、掃描式電子顯微鏡觀察等現代研究方法,確定了微晶玻璃熱處理制度的最佳工藝參數,并研究了微晶玻璃的晶體生長方式.微晶玻璃的熱處理最佳工藝參數為:核化溫度850℃,保溫1.5 h;晶化溫度935℃,保溫1 h.玻璃首先從表面開始析晶,然后逐步向內部生長.實驗所得微晶玻璃的力學性能,如抗折強度、耐酸堿性和硬度,均優于天然大理石.

氧氣高爐回旋區內煤粉燃燒行為的數值模擬

張仕洋, 薛慶國, 劉錦周, 佘雪峰, 王靜松

2015, 37(5): 638-647. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.016

[摘要](178)

[PDF 772KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
爐頂煤氣循環-氧氣鼓風高爐煉鐵新技術的工藝特點決定了煤粉在其回旋區內的燃燒條件與傳統高爐相比將發生很大變化.本文建立了氧氣高爐直吹管—風口—回旋區下部煤粉流動和燃燒的數學模型,研究了入口布置方式、氧含量、循環煤氣溫度以及H₂O和CO₂含量對煤粉燃燒的影響.模擬結果表明:三種引入方式中,假想的循環煤氣和氧氣混合進入方式明顯優于循環煤氣和氧氣單獨進入方式.當氧的體積分數由80%增加到90%,相應的煤粉燃盡率由87.525%提高到93.402%.循環煤氣溫度對煤粉燃盡率的影響并不顯著.循環煤氣中H₂O和CO₂的體積分數提高5%,風口軸線上氣體的最高溫度分別降低124 K和113 K.

楔橫軋多楔軋制高鐵空心車軸壁厚均勻性

鄭書華, 束學道, 孫寶壽, 彭文飛

2015, 37(5): 648-654. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.017

[摘要](221)

[PDF 510KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在空心軸楔橫軋多楔軋制中,控制壁厚均勻性是衡量車軸成形質量的重要標準.本文先分析空心軸楔橫軋多楔軋制的穩定軋制條件,得到了確定空心車軸楔橫軋壓扁失穩的準則.在此基礎上,基于DEFORM-3D軟件,建立楔橫軋多楔同步軋制高鐵空心車軸的三維剛塑性有限元模型,分析展寬角、成形角等工藝參數對壁厚均勻性的影響,獲得了工藝參數影響軋制空心車軸壁厚變化的規律.結果表明:成形角越大,壁厚均勻性越好;展寬角越大,壁厚均勻性越好,但在展寬角大于10°時,壁厚均勻性反而下降.基于多楔軋制實驗,軋制1∶5縮比的空心車軸,測量了軋制力矩和軋制空心軸的壁厚,與仿真結果作比較,相對誤差均在10%以內,驗證了所建有限元模型的正確性.

Watt-Ⅰ型六桿剛體導引機構的解域綜合方法

韓建友, 李人武, 楊通, 崔光珍

2015, 37(5): 655-660. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.018

[摘要](401)

[PDF 490KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
給出了Watt-I型六桿機構尺寸綜合的一種新方法.該方法對于剛體有限分離四位置問題通過建立機構解域,最終能夠得到滿足給定設計條件的全部可行解.本文首先給出解曲線公式,并介紹解曲線的映射和構成平面解域的方法.然后給出該類型機構的回路與分支缺陷判定方法.通過缺陷判定得到無缺陷的機構解可行域,從而使設計者能夠得到滿足更多設計要求的更優機構,避免選擇機構的盲目性,提高設計效率.最后,通過綜合示例說明本文所提出方法的綜合過程,證明了方法的實用性和有效性.

面向Ghost光滑粒子動力學模擬的圖形處理器快速鄰居搜索算法

劉旭, 班曉娟, 陳曇昊, 張雅斕

2015, 37(5): 661-667. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.019

[摘要](184)

[PDF 549KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種全新的快速鄰居搜索方法,該方法可提高基于光滑粒子動力學的流體模擬在圖形處理器上的運行效率.此外,這種新的鄰居表建立方法可以對兩種或者兩種以上的粒子進行鄰居搜索,使所有粒子能在同一背景網格下擁有獨立的粒子屬性.在此基礎上,引入了Ghost邊界粒子以加強光滑粒子動力學方法在邊界模擬上的準確性,從而使流體模擬更加真實.實驗證明,與傳統的基于圖形處理器的光滑粒子動力學模擬相比,本文方法效率更高.

一類分數階超混沌系統及其在擴頻通信中的應用

張曉丹, 王啟立

2015, 37(5): 668-675. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2015.05.020

[摘要](189)

[PDF 761KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一類新的四維分數階超混沌系統,對其動力學特性進行了理論分析和數值模擬.通過Lyapunov指數譜和分岔圖分析了系統對階次變化的敏感性.當微分階次連續變化時,系統既存在混沌特性又存在周期特性.然后根據分數階超混沌系統同步及擴頻通信理論,提出了一個擴頻通信方案.該方案使用混沌信號序列作為直接擴頻通信系統的擴頻地址碼,用于替換傳統的碼分多址(CDMA)通信系統中的偽隨機序列(PN序列).最后,基于該分數階超混沌系統設計一個擴頻通信電路,在Multisim平臺上驗證了該方案的有效性和可行性.