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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2016年第38卷第12期

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壓裂用支撐劑的現狀與展望

牟紹艷, 姜勇

2016, 38(12): 1659-1666. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.001

[摘要](399)

[PDF 1132KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
水平井和水力壓裂的技術突破,決定了美國頁巖氣革命的成功,在當時極大緩解了美國的能源危機.隨著全球非常規頁巖氣和致密油的開發日漸風靡,作為壓裂技術中不可忽略的支撐劑的相關選擇、攜帶和運移等問題,也得到越來越多的關注.本文回顧支撐劑的發展歷史,綜述常用支撐劑的種類、優缺點和研發趨勢,結合實例對包覆類、超高強、超輕、自懸浮、新型棒狀等新型支撐劑進行介紹,并展望其發展和應用趨勢.我國非常規油氣資源豐富,但低滲、低壓且低豐度的儲層特點對壓裂開采技術提出新挑戰.未來支撐劑材料的研發將面向高性能、多功能、小尺寸和智能化四個大方向.

含陡傾角軟弱結構面的花崗巖力學特性及聲發射特征

魏翔, 楊春和

2016, 38(12): 1667-1673. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.002

[摘要](314)

[PDF 5970KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
利用MTS 815.03巖石試驗機對試件進行三軸壓縮試驗,采用DISP聲發射測試系統進行聲發射數據收集,并對含陡傾角軟弱結構面的巖體試件和巖石試件進行試驗對比.兩種試件隨圍壓的增加強度逐漸增加,破壞由脆性向延性轉變;巖體試件總是沿結構面滑移破壞,巖石試件為剪切破壞.隨著圍壓的增加,兩種試件的彈性模量、變形模量、峰值應變和峰值強度增加;巖體試件彈性模量、變形模量值和峰值強度低于巖石試件,而峰值應變高于巖石試件.巖體試件內摩擦角小于巖石試件,而黏聚力大于巖石試件.隨圍壓的增加,兩種試件在峰值應力階段聲發射事件遠高于其他階段,而巖體試件聲發射事件集聚量遠遠高于巖石試件.研究結果表明軟弱結構面的存在降低了巖體的力學性質,因此在高放廢物地質處置庫選址時結構面發育特征是需要考慮的關鍵因素.

加卸載下原煤力學特性及滲透演化規律

趙宏剛, 張東明, 劉超, 鄧博知, 邊光, 李文璞

2016, 38(12): 1674-1680. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.003

[摘要](307)

[PDF 4438KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于自主研發的煤巖熱流固耦合試驗系統,在考慮實際開采方式的條件下,進行軸壓升高和圍壓降低的加卸載試驗,分析研究不同加卸載速率下原煤的力學特性和滲透演化規律.結果表明:加卸載過程中,軸向應力的加載速率越大,峰值應力附近的曲線平臺越長,峰值應力、軸向應變和環向應變也越大,體應變則越小.不同加卸載速率比下含瓦斯煤變形模量均先迅速減小后緩慢減小,到破壞時再迅速降低,而后逐漸保持穩定趨勢;在相同軸向應變時,加卸載速率比越小,煤樣的變形模量越大.加卸載過程中,煤樣的偏應力、滲透率與應變的關系可分為三個階段:初始壓密與彈性階段、屈服破壞階段和破壞后階段.加卸載速率比越小,煤樣達到峰值應力時,含瓦斯煤的滲透率和體積變形越大.

煤層深孔聚能爆破動力效應分析與應用

郭德勇, 趙杰超, 呂鵬飛, 翟民

2016, 38(12): 1681-1687. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.004

[摘要](281)

[PDF 7827KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為研究煤層深孔聚能爆破致裂增透機理,構建聚能爆破分析模型,運用理論分析與數值模擬相結合的方法探討聚能爆破時聚能射流的成型機理、爆炸應力波的傳播特點、煤體力學特征和裂隙擴展機理.結果表明：聚能槽集聚爆轟能量形成聚能射流并產生聚能效應,聚能效應顯著改變了爆炸應力波的傳播特性和煤體的力學性質,在聚能方向煤體所受壓應力峰值是非聚能方向的1.10~1.29倍,有效地促進了裂隙的擴展;且主聚能方向煤體所受壓應力峰值由次聚能方向的0.85倍增大到1.06倍,放緩了煤體所受應力的衰減速度.此外,煤層深孔聚能爆破工程應用實驗表明,聚能爆破后抽采孔平均瓦斯含量是聚能爆破前的1.58倍,有效地提高了煤層透氣性和瓦斯抽采率.

燒結用生石灰所含雜質對其消化性能的影響

張麗, 吳勝利, 張永忠, 蘇博, 寇明銀

2016, 38(12): 1688-1694. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.005

[摘要](300)

[PDF 7812KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
采用恒溫量熱法,針對實驗室煅燒的各種生石灰試樣,研究其所含SiO₂、Al₂O₃、MgO等雜質對消化性能的影響規律,并選用燒結現場使用的五種生石灰對研究結果進行驗證.研究發現:生石灰的消化放熱量與其CaO含量呈正相關關系,并隨SiO₂、Al₂O₃和MgO含量的增加而下降;SiO₂、Al₂O₃和MgO雜質對生石灰消化速率有重要影響,當SiO₂質量分數增加至1%水平時,生石灰消化速率的降幅較大,之后則緩慢降低;少量的Al₂O₃對生石灰消化速率影響較小,但當Al₂O₃質量分數超過2%時生石灰消化速率急劇下降;隨著MgO含量的增加,生石灰消化速率顯著降低.

動態氧化條件下含鈦高爐熔渣中金屬鐵的聚集、長大與沉降行為

張力, 張武, 李光強

2016, 38(12): 1695-1701. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.006

[摘要](248)

[PDF 2650KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為了探明動態氧化條件下含鈦高爐熔渣中金屬鐵的聚集、長大及沉降行為,通過高溫氧化實驗研究氧化時間、空氣攪拌強度和純氧氧化對金屬鐵沉降的影響.此外,還研究動態氧化過程中熔渣的溫度與黏度變化情況,計算金屬鐵在熔渣中的沉降速度.實驗室與1200 kg中試實驗結果表明,向熔渣鼓入氧化性氣體,低價鈦化合物減少,熔渣溫度升高,黏度減低,促進金屬鐵聚集、長大和沉降分離.氧化時間過長,熔渣中(FeO)與低價鈦化合物基本消失,金屬鐵回收率下降.氧化終點的判斷應以保留一定含量(FeO)與低價鈦為依據.

超低碳鋼頂渣氧化性對鋼液潔凈度的影響

苑鵬, 李海波, 羅衍昭, 劉道正, 陳建光, 王強強, 宋麗娜

2016, 38(12): 1702-1710. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.007

[摘要](294)

[PDF 17629KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
為探究降低頂渣氧化性對改善超低碳鋼鋼液潔凈度的影響,在轉爐終點至中間包過程中,在多位置取爐渣和鋼水試樣,分別進行爐渣氧化性、鋼液成分和夾雜物分析.實驗結果表明:轉爐出鋼后通過對頂渣改質,渣中T.Fe由轉爐終點的19.18%降至RH進站時的4.68%,頂渣氧化性降低明顯.渣中T.Fe降低導致鋼中[O]的降低,T.Fe較低的爐次平均吹氧量較大,使得鋁脫氧前鋼中[O]較高.RH結束渣T.Fe與夾雜物數量呈線性關系,T.Fe越低夾雜物數量越少,同時RH結束后夾雜物數量與鋁脫氧前鋼中[O]無必然關系.頂渣(CaO)/(Al₂O₃)會影響其吸收Al₂O₃夾雜物的能力,(CaO)/(Al₂O₃)控制不合理的爐次,其夾雜物數量也較多.通過降低頂渣氧化性,熱軋板卷缺陷率得到明顯降低.

錳球制備條件對氮化反應的影響

朱翔鷹, 翟玉春

2016, 38(12): 1711-1719. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.008

[摘要](277)

[PDF 3205KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
利用自制的密閉氮化系統研究不同制備條件的錳球的氮化反應.考察錳粉粒度、成球壓力和黏結劑添加量對氮化反應的影響,并測量錳球氮化過程中實時增重和溫度曲線.實驗結果表明：錳粉粒度由16~40目變成60~80目時,球心溫度到達峰值的時間由164 s縮短為101 s,球心最大溫升由147℃增至233℃,氮化1 h的轉化率由90.81%增至93.64%;成球壓力由266 MPa增至443 MPa,球心峰值溫度將提前89 s到達,球心最大溫升將提高22℃,氮化1 h的轉化率由91.59%增至94.92%;黏結劑添加量由1 g增至3 g,氮化1 h的轉化率由92.90%降至89.80%;正態對數分布的概率密度函數可用來近似擬合轉化速率與時間的關系.

電渣重熔過程冷卻強度對含鎂H13鋼中碳化物的影響

賀寶, 李晶, 史成斌, 王昊

2016, 38(12): 1720-1727. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.009

[摘要](262)

[PDF 9915KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研究電渣重熔過程冷卻強度對含鎂H13鋼凝固組織和碳化物偏析的影響.采用光學顯微鏡、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射儀等分析凝固組織及碳化物的特征.研究發現,鋼錠的凝固組織均為馬氏體組織、殘余奧氏體及一次碳化物.H13鋼電渣錠中主要析出的一次碳化物為V₈C₇、MC、M₂₃C₆及M₆C.隨著冷卻強度增加,電渣錠邊部碳化物的尺寸減小且分布更加均勻,但是碳化物的類型不發生變化.電渣重熔過程中冷卻強度增加促進鋼中鎂對夾雜物的變性能力,經過鎂變性后生成的MgO·Al₂O₃為TiN的析出提供形核質點,MgO·Al₂O₃和TiN的復合夾雜物能夠促進一次碳化物異質形核,從而細化一次碳化物.

局部二值模式在連鑄坯表面缺陷識別中的應用

田思洋, 徐科, 郭會昭

2016, 38(12): 1728-1733. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.010

[摘要](224)

[PDF 4442KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了解決傳統的圖像識別算法無法準確識別鑄坯表面缺陷的問題,提出一種考慮圖像相鄰像素影響的改進的多塊局部二進制算法(MB-LBP).該算法將原始圖像分成多個小區域,每個小區域再做等分,并計算平均灰度值,再運用局部二進制模式算法進行計算.對現場采集到的連鑄坯表面裂紋、劃傷、壓痕、凹坑和無缺陷共五類1697個樣本進行實驗,整體識別率達到94.9%,而傳統局部二進制模式算法的識別率為89.1%,說明本文算法具有更好的魯棒性和抗噪能力.

熱軋帶鋼的冷卻參數與翹曲關系

余偉, 王乙法

2016, 38(12): 1734-1740. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.011

[摘要](250)

[PDF 6896KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
針對卷取溫度為500℃的12 mm厚X70管線鋼熱軋帶鋼,利用MARC有限元軟件建立層流冷卻過程中的熱-力-相變耦合的數學模型,計算兩種下上冷卻水比時層流冷卻過程中溫度場、應力、應變、相變體積分數和翹曲度隨時間的變化.結果表明:1.25水比的冷卻過程中,厚度方向上各面的冷卻速度不一致,導致水冷前期帶鋼上下表面應變不同,帶鋼會產生向上的翹曲,冷卻過程中邊部最大的翹曲量達到21.84 mm;水冷后期帶鋼板形會逐漸恢復平直,但由于水冷過程中發生塑性變形,終冷時厚度方向上貝氏體含量的差異,卷取時帶鋼邊部依然有-9 mm的翹曲量.上下表面的不均勻冷卻是引起翹曲的根本原因.在保證X70管線鋼性能條件下,采用1.58的下上水比工藝,卷取時邊部翹曲量僅為-0.58 mm,合適的下上水比能大幅度減小層流冷卻過程中帶鋼的橫向翹曲.

等溫溫度對超細貝氏體鋼組織演變規律的影響

武會賓, 巨彪, 車英建

2016, 38(12): 1741-1746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.012

[摘要](193)

[PDF 8204KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
通過熱膨脹試驗研究實驗鋼的等溫轉變動力學,采用鹽浴等溫淬火工藝制備超細貝氏體組織,利用掃描電鏡、透射電鏡和X射線衍射儀定量分析工藝參數對微觀組織結構的影響.結果顯示:實驗鋼室溫組織由大量超細板條狀貝氏體鐵素體和板條間分布的薄膜狀奧氏體的復相組織構成,210℃等溫淬火得到的貝氏體板條間距細化到約60 nm,硬度約為HBW610;實驗鋼的最終組織特征取決于發生貝氏體轉變的等溫溫度和等溫時間,等溫溫度越低時貝氏體轉變完成需要的等溫時間越長.

1Cr9Mo鋼高速氣-固兩相流沖蝕磨損

偶國富, 葉浩杰, 鄭智劍, 金浩哲, 王超

2016, 38(12): 1747-1754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.013

[摘要](170)

[PDF 6358KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
采用自制的激波驅動氣-固兩相流沖蝕磨損試驗裝置,選取SiO₂、Al₂O₃和SiC顆粒,對煤化工常用材料1Cr9Mo鋼進行高速氣-固兩相流沖蝕磨損試驗研究.結合試件表面沖蝕磨損形貌,分析沖擊速度、沖擊角度、顆粒硬度、顆粒粒徑、試件溫度等因素對材料的沖蝕磨損率的影響.結果表明：在20℃和400℃下,1Cr9Mo鋼的最大沖蝕磨損率均出現在15°-25°的沖蝕角之間,體現出典型塑性材料的沖蝕磨損特征;低角度沖蝕時磨損機理以顆粒的切削作用為主,高角度沖蝕時顆粒垂直撞擊材料表面產生凹坑并致使凹坑周圍的片狀物碎屑從材料表面剝離;試件沖擊速度指數在2.3-3.2范圍內,磨損率受顆粒硬度影響較大;在相同沖蝕條件下,硬度較高的Al₂O₃和SiC顆粒對試件的磨損率比SiO₂顆粒高一個數量級;磨損率隨顆粒粒徑的增大呈現先遞增后下降的趨勢;在400℃時SiO₂顆粒對試件的沖蝕磨損率明顯提高,磨損率最大值約為20℃時的3倍.

經濟型雙相不銹鋼2101中氮化物在基體中的平衡固溶度計算

馮志慧, 李靜媛, 王一德

2016, 38(12): 1755-1761. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.014

[摘要](282)

[PDF 5782KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了解析出物對經濟型雙相不銹鋼2101熱塑性的影響機制,對比了相同工藝下2101和2205雙相不銹鋼在熱變形過程中相界析出物產生的規律.結果表明:2101鋼比2205鋼的相界處更傾向于產生析出物,促使后續熱變形過程中相界產生裂紋,進而影響材料的熱塑性.根據熱力學相關數據,通過Thermo-Calc和實驗測試數據,推導出2101和2205雙相不銹鋼析出物Cr₂N的平衡固溶度公式,計算實驗鋼中析出物Cr₂N的全固溶溫度,同時引入Wagner相互作用系數,考慮了Ni、Mn、Mo和Si對固溶度積公式的影響.發現2101雙相不銹鋼中Cr₂N的全固溶溫度比2205鋼高100℃左右,計算結果和實驗結果吻合較好.實際生產過程中必須控制雙相不銹鋼熱軋的終軋溫度到全固溶溫度以上,否則相界容易產生氮化物析出,影響材料熱塑性.

光照對Q450NQR1耐候鋼在干濕交替下腐蝕行為的影響

黃濤, 陳小平, 王向東, 劉芮, 李向陽

2016, 38(12): 1762-1769. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.015

[摘要](132)

[PDF 11211KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用腐蝕質量損失、掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀、線性極化等測試手段,研究無光照、半光照及全光照三種實驗條件對Q450NQR1耐候鋼在干濕交替條件下腐蝕行為的影響規律.結果表明：光照對實驗鋼干濕交替腐蝕過程影響顯著.實驗鋼在腐蝕前期（48 h）腐蝕速率大小依次為半光照、無光照和全光照,腐蝕中后期（72~96 h）腐蝕速率由大到小依次為半光照、全光照和無光照.腐蝕宏觀形貌有明顯差別,無光照時試樣腐蝕產物呈淤泥狀分布整個表面,有光照條件時腐蝕產物則呈顆粒狀分布,但全光照條件時腐蝕產物顆粒更細且孔隙更小.另外,三種條件下腐蝕產物物相組成一致,但含量有所不同.線性極化測試得出96 h極化電阻由大到小依次為無光照、全光照和半光照,這一結果與通過腐蝕失重得出的腐蝕速率結果一致.

鐵基載氧體化學鏈燃燒還原過程的數學模型

李欽曄, 代堯, 張四宗, 溫治, 劉訓良

2016, 38(12): 1770-1777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.016

[摘要](179)

[PDF 6037KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究鐵基載氧體的反應特性,基于未反應縮核模型建立了移動床內鐵基載氧體顆粒還原過程的一維數學模型.模型中考慮了鐵基載氧體與H2、CO的多級還原反應,氣體組分體積分數模擬值與實驗值的平均誤差為6.9%,總還原度的平均誤差為11.2%.研究表明：鐵基載氧體在移動床反應器內最終還原度約為23%,主要進行的反應是第一級和第二級還原反應,第一級和第二級還原度分別為95%和40%;提高反應器內溫度、選擇合適的載氧體粒徑及氣固比有助于增加反應的深度,提高合成氣及鐵基載氧體的利用率,載氧體粒徑建議取1~2 mm.

沉沒輥裝置液固耦合數值模擬及振動實驗

王興東, 黃毫軍, 李友榮, 喬軍

2016, 38(12): 1778-1783. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.017

[摘要](200)

[PDF 7491KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對熱鍍鋅線沉沒輥裝置出現劇烈振動的問題,基于濕模態的結構非完全液固耦合方法,數值模擬了裝置在鋅液中的振動模態,分析各階振型及固有頻率,并進行現場振動實驗.鋅液中沉沒輥的局部振型改變軸承的裝配關系,而在實測信號的時域波形中出現削波現象,表明鋅液中滑動軸承存在碰摩;幅值譜中波峰對應的頻率為45.05 Hz,與濕模態的第4階固有頻率接近且振型相似,表明實驗中的裝置主要以第4階固有振動為主;液固耦合的非線性振動引起倍頻振動;鋅液流場的持續作用是導致幅值譜中波峰兩側出現邊頻帶的主要原因.理論及數值分析與實驗研究有顯著的關聯性,結構非完全液固耦合方法能有效應用于工程實踐.

無人軟翼飛行器直線航跡跟蹤魯棒反步控制

張昊, 陳自力, 蔚建斌, 蘇立軍

2016, 38(12): 1784-1790. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.018

[摘要](242)

[PDF 477KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
為實現無人軟翼飛行器的直線航跡跟蹤控制,提出一種基于模擬對象的可變增益魯棒反步控制方法.基于模擬對象方法建立軟翼飛行器的航跡跟蹤誤差模型,并設計了可變增益反步跟蹤控制器,通過合理設計增益參數,消除了部分復雜非線性項,避免了傳統反步法中虛擬量高階導數問題,簡化了控制器形式,更有利于工程實現.根據Lyapunov理論設計的魯棒反饋補償項,在保證穩定性的同時提高了系統的魯棒性.將控制器應用于無人軟翼飛行器平面直線航跡跟蹤控制中,仿真實驗表明,所設計的控制器可以實現直線航跡的精確跟蹤,且具有很好的魯棒性.

基于支持向量數據描述方法的生產過程監控、診斷與優化

趙啟東, 徐鋼, 黎敏

2016, 38(12): 1791-1797. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.019

[摘要](144)

[PDF 3206KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
提出一種基于支持向量數據描述(support vector data description,SVDD)的生產過程監控、診斷與優化方法.首先,利用正常樣本建立SVDD監控模型,獲得控制限;然后,利用貢獻圖對超過控制限的異常點進行診斷,分析引起異常的主要原因;最后,利用鄰近點替換法對異常的生產樣本進行工藝參數優化.將新方法應用于熱軋薄板的生產過程中,結果表明:新方法比傳統的監控方法T^{2 PCA}具有更高的檢出率,且可以實現對異常點的工藝參數優化,使之回到受控狀態.

基于雷達信號特征點提取的結構物埋深估算方法

高永濤, 徐俊, 王艷輝, 張院生, 謝健陽

2016, 38(12): 1798-1805. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.12.020

[摘要](150)

[PDF 7496KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了克服經驗法推算結構物埋深的缺陷,基于檢測對象的雷達反射波形特征,通過提取反射波形上的少量特征點,提出一種估算結構物埋深的新方法,并考慮實際檢測中結構物反射波形的畸變,對估算精度進行分析評價.結果表明:對于理想的無畸變檢測數據,該方法對結構物埋深、水平位置及電磁波速的估算結果較為精確;當反射波形存在畸變時,該方法對埋深的直接估算結果誤差較大,平均誤差達到55.202%,但對于電磁波速的估算結果較為精確;對于實測的有畸變檢測數據,可通過電磁波速估算結果及測得的目標體雙程旅時對埋深進行間接估算,估算精度滿足雷達法檢測對埋深估算的要求.相比經驗法,該方法在估算精度、誤差控制方面具有顯著優勢.