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

郵發代碼：82-303

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郵　　箱：xuebaozr@ustb.edu.cn

單　　價：40元/期，全年480元

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2016年第38卷第2期

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不同端壁傾角條件下放出體形態研究及最優崩礦步距的確定

孫浩, 金愛兵, 高永濤, 孟新秋

2016, 38(2): 159-166. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.001

[摘要](295)

[PDF 786KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為分析端部放礦中放出體形態,獲得大結構參數下最優的崩礦步距,基于顆粒元理論和PFC3D程序,構建具有礦石散體細觀力學性質的放礦模型.通過已有研究結論與模擬結果的對比分析,驗證了基于PFC程序的放礦模型的可靠性.在此基礎上,開展18 m×20 m結構參數下不同端壁傾角崩礦步距研究.研究結果表明,不同傾角端壁條件下放出體形態不完整,并不是一個規則的橢球體.當放礦量相同時,放出體高度隨端壁傾角的減小而增大,放出體整體形態也隨之越來越＂瘦長＂.在無限邊界和不同傾角端壁條件下,放出體高度的變化趨勢均可概括為兩個階段：在放礦初始階段,放出體高度呈指數形式快速增加,隨放礦量的增加,其增長率逐漸減小;隨后,放出體高度將隨放礦量的增加而呈線性增長的趨勢.建議在18 m×20m結構參數下采用85°-90°的端壁傾角,4.8 m的崩礦步距.

類砂巖型礦石浸出液質量濃度混沌時序重構與浸礦周期預測

劉超, 吳愛祥, 尹升華, 柯錦福, 陳勛

2016, 38(2): 167-174. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.002

[摘要](331)

[PDF 560KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以河砂、水泥和鹽為原料制作類砂巖型礦石試件,采用水浸的方式對不同品位礦石進行浸礦試驗,對浸出液質量濃度進行監測.考察了浸出液質量濃度和浸出率隨浸礦時間演變規律;將浸出液質量濃度時間序列進行相空間重構,用混沌理論揭示了不同品位礦石浸出液質量濃度在相空間中相點距演化規律;利用灰色理論,建立了浸出液質量濃度相點距演化預測模型,確定合理的浸礦周期.研究發現:浸出液質量濃度表現出混沌特性,對其進行相空間重構處理后,細微變化特征得以放大,內部規律得以充分展現;不同品位礦石表現出不同的非線性動力學行為;利用基于相空間重構的殘差修正灰色模型預測了浸礦周期,為溶浸采礦理論與技術提供了一種新的研究和探討方法.

以煤泥為還原劑海濱鈦磁鐵礦直接還原焙燒反應歷程

于春曉, 孫體昌, 高恩霞, 劉志國, 徐承焱

2016, 38(2): 175-180. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.003

[摘要](316)

[PDF 606KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
研究以煤泥為還原劑,印尼某海濱鈦磁鐵礦在直接還原焙燒過程中,不同焙燒溫度下礦物組成變化規律.X射線衍射和掃描電鏡分析結果表明,隨著焙燒溫度的升高,鈦磁鐵礦逐漸被還原.其中鐵礦物經過浮士體(FeO),最終被還原成金屬鐵;而鈦則經過鈦尖晶石最終生成鈦鐵礦和少部分的鐵板鈦礦.在整個直接還原焙燒過程中,金屬鐵顆粒在1100℃左右生成,然后不斷長大,在1250℃時金屬鐵顆粒明顯增多,在之后的保溫過程中,金屬鐵顆粒不斷長大,并在此過程中將金屬鐵從中分離出來.

海砂礦深度還原-磁選分離實驗研究

劉依然, 張建良, 王振陽, 劉征建, 邢相棟

2016, 38(2): 181-186. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.004

[摘要](308)

[PDF 692KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
應用化學分析、掃描電鏡觀察和X射線衍射分析方法研究海砂礦的基礎物性.采用煤基深度還原-磁選工藝,系統考察礦粉中Fe和Ti的還原分離行為,并明確還原溫度、還原時間、碳氧比、磁感應強度和磨礦粒度對還原磁選效果的影響規律.結果表明:海砂礦主要由鈦磁鐵礦和鈦赤鐵礦組成;較優的還原分離工藝參數為還原溫度1300℃、還原時間30 min、碳氧摩爾比1.1、磁感應強度50 mT和磨礦細度-0.074 mm質量分數86.34%.在此工藝條件下,可以獲得金屬化率94.23%的還原產物,磁選指標分別達到精礦鐵品位97.19%和尾礦鈦品位57.94%,對應的鐵、鈦回收率為90.28%和87.22%,有效地實現海砂礦中鐵鈦元素的分離富集.

一水硬鋁石礦-氫氧化鈉體系微波焙燒相變規律

黎氏瓊春, 巨少華, 彭金輝, 王仕興, 周烈興

2016, 38(2): 187-193. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.005

[摘要](348)

[PDF 632KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
以飽和氫氧化鈉溶液為添加劑,利用微波加熱對一水硬鋁石礦進行焙燒處理.考察微波焙燒溫度和氫氧化鈉添加量對一水硬鋁石礦-氫氧化鈉體系相變規律的影響,并對微波加熱和常規加熱得出的焙燒產物做物相結構的比較.利用X射線衍射分析和掃描電子顯微鏡技術對熟料的物相結構和微觀形貌進行分析.結果表明微波加熱促進氫氧化鈉快速并充分的與一水硬鋁石礦反應.與常規加熱相比,微波加熱在更低的溫度下能生成更多鋁酸鈉物相.微波加熱后的熟料疏松多孔,有利于后續溶出處理.

回轉窯內二元顆粒物料的徑向混合

陳輝, 肖友剛, 趙先瓊, 劉穎, 劉義倫

2016, 38(2): 194-199. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.006

[摘要](324)

[PDF 485KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
研究了顆粒尺寸差異和密度差異對二元物料在回轉窯內混合的影響.采用離散單元法建立顆粒物料的運動模型,模擬滾落運動模式下二元物料在回轉窯內的徑向混合過程;通過顆粒接觸數定義混合程度評價指數,結合Hong的滲流與凝聚競爭理論分析顆粒體積比σ和密度比η對二元物料混合程度的影響.結果表明:增大體積比σ會增強滲流作用,增大密度比η會增強凝聚作用,無論滲流或凝聚占據主導作用,均會導致物料在混合過程中產生徑向分離,使混合程度降低;對σ與η進行配置后,可以使滲流與凝聚兩種機理彼此平衡,達到物料混合均勻的目的;物料的滲流-凝聚平衡曲線中,σ與η呈冪函數關系.

支撐板對燒結過程的影響

劉征建, 王耀祖, 張建良, 張亞鵬, 左海濱

2016, 38(2): 200-206. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.007

[摘要](365)

[PDF 449KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
燒結料層上部荷重是造成燒結過程中燃燒熔融帶透氣性差的重要因素,而燒結料層透氣性是制約我國厚料層燒結技術進一步發展的限制性環節.從減輕燒結料層燃燒熔融帶荷重以及改善燒結過程料層透氣性的角度出發,通過在燒結料層中安裝支架研究不同荷重條件下對鐵礦粉燒結行為的影響.燒結杯實驗研究表明：安裝支撐板后,燒結料層透氣性明顯改善,燒結礦轉鼓強度大于65%;垂直燒結速度顯著提高,最高可達28.4 mm·min^-1;成品率波動幅度不大,利用系數從1.89 t·m^-2·h^-1增加到2.31 t·m^-2·h^-1;燃耗有所降低,最大降幅達1.32%.理論分析和實驗表明,支撐板對減輕燒結熔融帶上部荷重,提高料層透氣性,以及改善燃耗和燒結礦質量具有重要意義.

鋼渣基高堿度微晶玻璃的一步法制備及工藝參數研究

趙貴州, 李宇, 代文彬, 蒼大強

2016, 38(2): 207-212. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.008

[摘要](300)

[PDF 406KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高微晶玻璃原料中高鈣冶金渣的摻量,需要制備出堿度更高的微晶玻璃.本文采用一步法,以鋼渣為主要原料,制備堿度（CaO與SiO₂的質量比）為0.9的鋼渣基高堿度微晶玻璃.通過X射線衍射分析、掃描電鏡和性能測試等手段,研究熱處理條件對微晶玻璃微觀形貌及線收縮率、體積密度和抗折強度等性能的影響規律.研究表明,高堿度微晶玻璃適合采用一步法制備工藝,當在1100℃保溫120 min時,微晶玻璃燒結過程基本完成,此時獲得最大體積密度2.4 g·cm^-3,最高抗折強度56.4 MPa.微晶玻璃的主晶相為鈣鋁黃長石,副晶相為輝石.基礎玻璃顆粒在升溫過程中完成了成核和析晶過程,而在保溫過程中主要進行的是基礎玻璃顆粒的燒結致密化和晶體的進一步發育.升溫至1100℃保溫30 min,微晶玻璃的抗折強度超過45 MPa,微晶玻璃內部晶體呈方柱狀交織排列并構成晶體骨架分布在殘余的玻璃基體中;隨著保溫時間的增加,微晶玻璃的線性燒結收縮率、體積密度和抗折強度均逐漸增大,而晶相的含量基本保持不變,晶體逐漸由球形顆粒狀和短柱狀發育為長柱狀.晶體的形狀以及與殘余玻璃相構成的整體致密結構是導致高堿度微晶玻璃力學性能提高的主要因素.

800MPa級冷軋雙相鋼的動態變形行為及本構模型

蔡恒君, 胡靖帆, 宋仁伯, 代啟鋒

2016, 38(2): 213-222. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.009

[摘要](329)

[PDF 905KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
采用Hopkinson拉桿試驗系統對800 MPa級冷軋雙相鋼（DP800）進行動態拉伸試驗,動態拉伸選擇應變速率為500、1000和2250 s^-1.通過比較試驗結果得出：雙相鋼的塑性延伸強度R_p0.2和抗拉強度R_m與應變速率的關系呈指數形式增加;DP800在高應變速率塑性變形會產生絕熱溫升效應,計算可得DP800在應變速率為2250 s^-1時拉伸變形產生的絕熱溫升為89℃.基于J-C（Johnson-Cook）模型和Z-A（Zerilli-Armstrong）模型,對DP800的本構模型進行了研究,并對J-C模型應變速率效應多項式進行二次化修正,修正后的J-C模型相較于J-C模型對DP800在不同應變速率下的平均可決系數從0.9228提高到0.9886.

預處理組織對低碳鋼IQ&P工藝下組織及性能影響

陳連生, 張健楊, 田亞強, 宋進英, 徐勇, 張士宏

2016, 38(2): 223-229. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.010

[摘要](190)

[PDF 673KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用γ單相區和γ+α雙相區軋制并淬火工藝以及雙相區再加熱-淬火-碳配分(IQ&P)工藝,研究預處理組織對低碳鋼室溫狀態多相組織特征及力學性能的影響規律.實驗用低碳鋼經兩種工藝軋制并淬火處理,獲得馬氏體和馬氏體+鐵素體的預處理組織,再經雙相區IQ&P工藝處理后均獲得多相組織.馬氏體預處理鋼的室溫組織由板條狀亞溫鐵素體、塊狀回火馬氏體以及一定比例的針狀未回火馬氏體和8.2%的針狀殘余奧氏體組成;馬氏體+鐵素體預處理鋼由板條狀亞溫鐵素體、塊狀和針狀未回火馬氏體以及14.3%的短針狀或塊狀殘余奧氏體組成.在相同的雙相區IQ&P工藝參數下,預處理組織為馬氏體的鋼抗拉強度為770 MPa,伸長率為28%,其強塑積為21560 MPa·%;而預處理組織為馬氏體+鐵素體的鋼抗拉強度為834 MPa,伸長率增大到36.2%,強塑積達到30190 MPa·%,獲得強度與塑性的優良結合.

析出粒子對鈦微合金化高強鋼奧氏體晶粒長大的影響

羅許, 楊財水, 康永林, 李俊洪

2016, 38(2): 230-234. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.011

[摘要](167)

[PDF 346KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
通過析出粒子與奧氏體晶粒尺寸的定量關系,建立奧氏體晶粒長大模型,計算TiN和TiC析出粒子共同作用下鈦微合金化鋼奧氏體晶粒尺寸.根據析出相質點理論計算結果表明:隨著加熱溫度的升高,析出粒子體積分數逐漸減少,粒子半徑逐漸增大,TiC粒子強烈阻止奧氏體晶粒長大,TiN粒子對奧氏體晶粒長大釘扎效果一般.采用實驗測試手段測量不同加熱溫度下保溫30 min后實驗鋼的奧氏體晶粒尺寸,與理論計算結果吻合較好.

低溫鹽浴滲氮對Custom 465鋼耐蝕及耐磨性的影響

付航濤, 張津, 吳帥, 黃進峰, 高文, 連勇

2016, 38(2): 235-240. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.012

[摘要](172)

[PDF 479KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高Custom 465馬氏體沉淀硬化不銹鋼的耐磨性,分別在440、480和520℃對580℃時效后的樣品進行了2 h的鹽浴滲氮,使用顯微硬度計、X射線衍射儀、電化學工作站、球盤式摩擦磨損儀、表面輪廓儀、掃描電鏡等設備,研究滲氮溫度對Custom 465鋼表面物相、硬度、滲層顯微形貌、耐蝕性及耐磨性的影響.隨著滲氮溫度升高,耐蝕性逐漸降低,但表面硬度增加,520℃處理后表面硬度增大到1240 HV,較未處理試樣的400 HV明顯上升,滲層厚度達到22μm.440℃滲氮后表面物相為氮在馬氏體基體中過飽和的α'_N,點蝕電位降低約60 m V;480℃時有少量CrN相析出,引起點蝕電位降低約180 mV,同時磨損體積下降約43%;520℃時CrN相的含量明顯升高,自腐蝕電位降低約70 mV,無明顯的穩態鈍化區,磨損體積降低82%,減磨效果明顯.

薄板坯連鑄連軋工藝下Hi-B鋼的組織及織構

肖麗俊, 王海軍, 項利, 付兵, 仇圣桃

2016, 38(2): 241-247. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.013

[摘要](176)

[PDF 805KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
采用金相顯微鏡和掃描電鏡研究實驗室模擬薄板坯連鑄連軋（TSCR）工藝試制的高磁感取向硅鋼（Hi-B鋼）組織、織構的演變特征.研究發現實驗室模擬薄板坯連鑄連軋工藝試制的Hi-B鋼熱軋板顯微組織及織構在厚度方向上存在不均勻性.常化板表面脫碳層鐵素體晶粒明顯粗化,常化板織構基本繼承了熱軋板相應的織構類型,僅織構強度不同.一次大壓下率冷軋后,晶粒及其晶界沿軋向被拉長形成鮮明的纖維組織,織構主要為α纖維織構和γ纖維織構,脫碳退火后試樣發生回復和再結晶現象并形成初次晶粒組織,脫碳退火后織構分布較為集中.溫度升高至1000℃時二次再結晶開始,1010℃時鋼中晶粒發生異常長大,高斯織構強度達到61.779.成品磁感為1.915 T,鐵損為1.067 W·kg^-1.

粉末高溫合金FGH97疲勞裂紋擴展行為

佴啟亮, 董建新, 張麥倉, 鄭磊, 姚志浩

2016, 38(2): 248-256. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.014

[摘要](204)

[PDF 866KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
測定不同晶粒尺寸、γ'相以及不同Hf含量的粉末高溫合金FGH97在650℃高溫條件下的疲勞裂紋擴展速率,并將其與FGH95和FGH96兩代粉末合金的疲勞裂紋擴展速率進行對比.用定量分析的方法對FGH97合金在疲勞斷裂各個階段的行為特征進行分析.較大晶粒尺寸的FGH97合金具有較低的裂紋擴展速率,合理的二次和三次γ'相匹配析出,可以獲得較高的疲勞壽命;Hf元素的添加使合金的整體疲勞壽命增大;FGH97合金與FGH95和FGH96相比,具有較高的疲勞裂紋萌生抗力,更低的高溫疲勞裂紋擴展速率.

間接擠壓鑄造工藝參數對鋁合金中Si偏析的影響

郭莉軍, 邢書明, 鮑培瑋, 邱常明, 劉文鑫

2016, 38(2): 257-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.015

[摘要](183)

[PDF 464KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
研究間接擠壓鑄造工藝條件下,澆注溫度、擠壓壓力、擠壓速度、冷卻速度及參數間的交互作用對6066鋁合金中Si元素的偏析影響規律.以凝固后零件熱節位置硅的質量分數與合金初始硅的質量分數的差值定量表征偏析程度,采用考慮一級交互作用的四因素兩水平正交設計,研究間接擠壓條件下硅的偏析現象.結果發現:澆注溫度、擠壓壓力、擠壓速度和冷卻速度對硅偏析都有影響,其中澆注溫度是影響最顯著的因素.隨著澆注溫度的升高,鋁合金中Si偏析程度減小.擠壓壓力和擠壓速度對硅偏析的影響次之,但兩者的影響趨勢相反;模具冷卻能力的影響程度與擠壓壓力和擠壓速度的交互作用的影響程度相似,銅模套(高冷速)比鋼模套(低冷速)的硅偏析程度要輕.間接擠壓鑄造條件下,工件熱節位置可以出現硅的負偏析.

蛇形通道制備半固態A380鋁合金漿料組織的演變

劉志勇, 毛衛民, 王偉番, 鄭志凱

2016, 38(2): 263-269. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.016

[摘要](161)

[PDF 560KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
采用石墨質蛇形通道制備半固態A380鋁合金漿料,并研究漿料制備過程中漿料組織的演變.結果顯示,合金熔體在蛇形通道內發生一次凝固,在其通道內壁的激冷和異質形核作用下形成大量的初生自由晶,半固態漿料的剩余液相在收集坩堝內發生二次凝固形成二次非枝晶.初生晶粒的游離模型表明一部分初生自由晶直接生長為球晶,其他部分則成長為枝晶,枝晶在‘自攪拌’的作用下發生縮頸和熔斷,通過‘自旋轉’在蛇形通道內得到初步球化和熟化.二次凝固形成的二次非枝晶在收集坩堝內得到初步球化和熟化,同時初生晶粒在收集坩堝內得到進一步球化、熟化和均勻分布.

介孔SBA-15/SiO₂氣凝膠硅-硅復合材料的制備和性能

彭超豪, 楊穆, 欒奕, 金召奎, 譚僖

2016, 38(2): 270-275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.017

[摘要](245)

[PDF 469KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以有序介孔二氧化硅顆粒SBA-15為添加劑,利用酸堿兩步法制備SBA-15/SiO₂氣凝膠硅-硅復合材料.研究SBA-15添加量對氣凝膠復合材料的形成過程和性能的影響,采用掃描電鏡和氮氣吸附-脫附對樣品的結構進行表征,并測試其力學性能和熱導率.結果表明:少量有序介孔二氧化硅材料SBA-15的加入能大大縮短二氧化硅氣凝膠形成時間,提高氣凝膠復合材料的力學性能,并保持較低的熱導率,而材料的比表面積僅略有下降.

高速線材軋制全程溫度曲線有限元模擬

邸全康, 王福明, 王曉晨, 楊子森, 鄧素懷, 鄭福印

2016, 38(2): 276-282. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.018

[摘要](182)

[PDF 592KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用Deform模擬計算加熱爐鑄坯溫度分布,并通過‘黑匣子’試驗驗證,當加熱時間為70 min時,鑄坯心部與表面溫差約66℃,80 min時降到15℃.模擬計算軋制和水冷過程心部和表面溫度曲線,并通過測溫儀驗證,得出準確的摩擦熱、塑性變形熱以及水冷換熱系數模型.采用Fluent模擬計算風機的風場,使用手持測風儀驗證,再建立盤條搭接點溫度模型,計算出風冷線上強迫對流換熱、自然換熱和輻射換熱系數以及相變潛熱,使用熱成像儀測溫驗證.模擬與試驗結果十分吻合.

一種PWM整流器虛擬磁鏈矢量重構方法

陳鐵柱, 張勇軍, 肖雄, 羅凌波

2016, 38(2): 283-290. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.019

[摘要](187)

[PDF 755KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
電壓型脈寬調制(pulse width modulation,PWM)整流器的虛擬磁鏈矢量可以由電網電壓矢量進行積分得到,實際中常用一階低通濾波器代替純積分環節來消除直流偏置誤差和抑制高頻次諧波干擾,但一階低通濾波器的引入也會帶來電網電壓幅值衰減和相移,從而導致虛擬磁鏈觀測不準確.為消除一階低通濾波器對虛擬磁鏈觀測的影響,本文提出一種基于矢量重構技術的觀測方法,通過分析一階低通濾波器的幅頻特性和相頻特性,分別對濾波后的電壓矢量幅值和相位進行重構,可實現虛擬磁鏈幅值和相位的精確估算.該方法應用于虛擬磁鏈定向的電壓型脈寬調制整流器直接功率控制系統.仿真和實驗結果表明,與傳統的一階低通濾波器策略相比,該方法提高了虛擬磁鏈的估計精度,有效抑制了直流母線電壓動態響應波動,更有利于濾除網側電流諧波.

基于復變函數理論和D-P屈服準則的并行隧道合理間距

宋偉超, 高永濤, 吳順川, 嚴瓊, 吳慶良

2016, 38(2): 291-298. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.02.020

[摘要](172)

[PDF 557KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
綜合利用復變函數理論、解析延拓法和Schwarz交替法揭示相鄰水平并行隧道的應力分布特征.在此基礎上,結合考慮了中間主應力效應的D-P屈服準則建立相鄰水平并行隧道力學模型.提出并行隧道塑性區貫穿半徑的概念,建立求解方程,并通過數值模擬證明其正確性.采用隧道間塑性區臨界貫穿狀態下的間距作為隧道合理間距,與數值模擬軟件FLAC3D計算得到的圍巖位移量和沉降量隨間距變化至基本不發生變化時所對應的隧道間距有較高的吻合性,從而表明其作為相鄰水平并行隧道合理間距的可行性.