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

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2016年第38卷第3期

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煤泥選擇性絮凝浮選中聚丙烯酰胺的作用機制

鄒文杰, 曹亦俊, 孫春寶, 張志軍

2016, 38(3): 299-305. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.001

[摘要](341)

[PDF 528KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
測試了陰離子型低相對分子質量聚丙烯酰胺PAM A401作用對煤及高嶺石絮體表觀粒徑分布、樣品紅外光譜以及表面潤濕性的影響,并通過浮選速度實驗驗證PAM A401的作用效果.研究表明,12 mg·L^-1PAM A401且循環攪拌11 min時,煤絮體累積粒度分布達到10%、50%和90%時對應的粒徑分別是高嶺石絮體的6.86、2.22和2.45倍,呈較好的絮凝選擇性.吸附PAM A401后,煤的親水性官能團特征峰增強,疏水性降低;高嶺石的親、疏水性官能團均有增加,疏水性略高.與常規浮選相比,選擇性絮凝浮選實驗的浮選速率較大,捕收劑用量降低30%.浮選3 min時,選擇性絮凝浮選實驗的可燃體回收率為81.57%,較常規浮選實驗高3.64%,精煤灰分相當.PAM A401雖使煤顆粒的表面潤濕性降低,但微細粒煤顆粒表觀粒徑增大的效應促進微細粒煤泥的分選.

含微裂縫頁巖儲層滲流模型及壓裂井產能

亓倩, 朱維耀, 鄧佳, 馬千

2016, 38(3): 306-313. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.002

[摘要](330)

[PDF 656KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
根據頁巖氣儲層納微米孔隙和微裂縫結構特征,建立含微裂縫表面層基質-裂縫雙重介質球形模型.綜合考慮擴散和滑移對頁巖氣產能的影響,利用Langmuir等溫吸附方程描述頁巖氣的解吸吸附,通過Laplace變換和Stehfest數值反演,得到頁巖氣藏壓裂井定產和定壓條件下的井底流壓和產量的解析解,并進行頁巖氣藏壓裂井產能預測及影響因素分析.結果表明:微裂縫是頁巖氣基質微觀孔隙和宏觀裂縫運移的主要滲流通道;微裂縫的滲透率越大和長度越長,頁巖氣井產量越大.

基于主要目標法的塹溝底部結構位置優化

劉洋, 任鳳玉, 丁航行, 宋德林, 闞景文

2016, 38(3): 314-319. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.003

[摘要](309)

[PDF 432KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
以西石門鐵礦塹溝底部結構誘導冒落法開采邊角殘留礦體為背景,對塹溝回采礦石量、金屬量、品位等指標進行計算,建立了以采出金屬量和采出品位為目標的多目標最優化數學模型.結合殘礦開采實際情況,選擇采出金屬量作為最優化問題的主要目標.利用TCL腳本語言對SURPAC軟件進行二次開發,并應用其對最優化問題約束條件下塹溝底部結構空間位置的可行方案進行全因子實驗.最后得出采切工程布置的最優方案為:塹溝底部結構位于103.1 m水平,與礦體間距為18.65 m.較原設計方案,最優方案采出金屬量提高27.79%.

浮選三相流中氣泡運動特性的數值模擬

江倩, 彭小奇, 宋彥坡, 伍雁鵬

2016, 38(3): 320-327. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.004

[摘要](456)

[PDF 589KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為獲取浮選氣泡在礦漿中的運動規律及三相流中浮選氣泡的最佳尺寸,運用歐拉模型模擬不同初始直徑的氣泡在不同密度礦漿中的運動過程.結果表明：在給定的初始條件下,同一濃度的礦漿中,單個浮選氣泡所能捕獲的礦物量以直徑4mm的氣泡最多,氣泡尺寸增大或減小后,其礦物捕獲量都有所減少.當礦漿中固相質量分數在20%~40%之間變化時,礦物捕獲量最多的氣泡尺寸變化不大,并且隨著礦漿中固相質量分數的增大,單個氣泡的捕獲量增大,礦物粒子回收率增加.在實際生產中,直徑為3.5~4 mm的中等大小氣泡在運動過程中變形程度小,氣泡水平偏移及浮升速度適中,對礦物粒子的捕獲率及運載能力和浮升能力較強,有利于提高浮選產量和質量.

基于圖像處理的礦石顆粒三維微觀孔隙結構演化

楊保華, 吳愛祥, 繆秀秀

2016, 38(3): 328-334. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.005

[摘要](343)

[PDF 725KB](11) [施引文獻] ()

摘要:

采用高精度顯微CT技術及三維圖像分析方法研究氧化銅礦石顆粒在酸浸前后內部微觀孔隙結構特征及其演變,考察孔隙率、孔隙尺寸分布、孔隙連通度、孔隙分維等參數的變化規律.結果表明：酸浸后礦石顆粒的孔隙率明顯增加,孔隙尺寸分布范圍更廣,出現一定比例的大孔隙,平均孔隙直徑增加2~3倍;孔隙連通度在酸浸前基本為零,酸浸后明顯增加,并在各方向上呈現空間變異性;孔隙分維數在浸出結束后也有所增大,且在一定范圍內與孔隙率及平均孔隙直徑呈指數增長關系.借助三維圖像分析可實現礦石浸出過程中內部微觀孔隙結構的定量描述,從而揭示礦石顆粒孔隙結構的演化規律.

基于多功能轉爐煉鋼法的連續循環冶煉過程

呂延春, 王新華, 朱國森, 李海波

2016, 38(3): 335-341. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.006

[摘要](406)

[PDF 723KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究脫碳渣在脫磷期的重新利用,基于多功能轉爐煉鋼法進行連續循環冶煉實驗.實驗發現：脫磷階段渣中較低的Fe O含量、吹煉5 min左右,[C]≥2.8%的條件下,可實現轉爐熔池內鐵液[P]≤0.025%的脫磷效果,并對低（Fe O）含量爐渣的脫磷可行性進行熱力學計算;隨著循環的進行,石灰加入量逐漸降低,由65 kg·t^-1降低至31 kg·t^-1,轉爐冶煉終點鋼水[P]量由0.018%降低至0.005%,2~4爐后達到平衡狀態;在循環過程中,脫磷階段結束倒出爐渣60~80 kg·t^-1,整個循環結束一次性倒出剩余全部爐渣120~130 kg·t^-1,平均渣量為83 kg·t^-1左右,較普通工藝的120 kg·t^-1渣量有大幅度減少.

高拉速連鑄低碳鋁鎮靜鋼鑄坯中夾雜物

苑鵬, 王新華, 姜敏, 冀云卿, 王萬軍

2016, 38(3): 342-350. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.007

[摘要](310)

[PDF 1016KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對高拉速板坯連鑄生產的低碳鋁鎮靜鋼鑄坯,采用Aspex自動掃描電鏡對鑄坯表層夾雜物進行大面積的掃描分析,得到不同拉速下夾雜物的變化規律,并探究流場和S含量對夾雜物分布的影響.結果表明：隨著拉速增大,鉤狀坯殼的深度和長度逐漸減小.對拉速大于2 m·min^-1的鑄坯,由于鉤狀坯殼不是很發達,鑄坯表層沒有發現大于200μm的夾雜物.鑄坯表層尺寸介于50~200μm的夾雜物主要是由凝固坯殼所捕獲,而夾雜物在凝固前沿的受力決定了夾雜物的捕獲行為.隨著拉速提高,凝固前沿的鋼液流速增加,隨著沖刷力的增加、捕獲力的減少,夾雜物被捕獲的數量減少.在高拉速連鑄下,如果鋼液中S含量較大,夾雜物受到明顯的溫度Marangoni力,會更容易被凝固坯殼捕獲.

連鑄板坯輕壓下過程中間裂紋產生機理

王博, 張炯明, 肖超, 王順璽, 宋煒

2016, 38(3): 351-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.008

[摘要](399)

[PDF 568KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
針對板坯連鑄過程中間裂紋嚴重的問題,對中間裂紋的形貌、元素偏析等情況進行分析.通過建立有限元模型,對不同壓下位置和不同壓下量凝固前沿的受力情況進行計算并與臨界應力值進行對比.結果表明:C、P、S等元素在晶界處富集只是促使中間裂紋開裂的內因,真正造成鑄坯開裂的原因是凝固前沿所承受的拉應力.鑄坯通過矯直段時,多處位置的凝固前沿所承受的拉應力超過鋼的臨界值,導致凝固前沿容易開裂延伸,形成中間裂紋;而弧形段和水平段處凝固前沿所承受的拉應力不超過鋼的臨界值,無裂紋產生.統計現場大量輕壓下的實驗結果顯示:輕壓下避開矯直區進行時,中間裂紋的發生率降低約41.3%.

熱軋態與回火態AH80DB低碳貝氏體鋼組織與沖擊韌性

趙雷超, 孫斌堂, 黃運華, 張施琦, 丁一, 閆小琴, 張躍

2016, 38(3): 357-363. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.009

[摘要](384)

[PDF 1241KB](16) [施引文獻] ()

摘要:

采用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微鏡對熱軋態和回火態AH80DB低碳貝氏體鋼的顯微組織、馬氏體/奧氏體（M/A）島、第二相的析出行為以及晶界取向差、有效晶粒尺寸進行研究,揭示回火后低碳貝氏體鋼沖擊韌性得到改善的原因.結果表明：兩種試樣的組織均由板條狀貝氏體、粒狀貝氏體和針狀鐵素體組成,其中回火態試樣中針狀鐵素體組織較多.熱軋態鋼中存在較大尺寸M/A島且呈方向性分布,大角度晶界比例占17.33%,有效晶粒尺寸為3.57μm;而回火態鋼中M/A島的尺寸較小,大角度晶界比例增加3.43%,有效晶粒尺寸減小0.56μm.熱軋態鋼中析出相主要是（Nb,Ti）C,尺寸在50~150 nm之間,回火態試樣中析出較多細小的球狀（Nb,Ti）C析出相,尺寸在10 nm左右.

σ相對S32760超級雙相不銹鋼組織和性能的影響

李國平, 裴海祥, 李建春, 張壽祿

2016, 38(3): 364-370. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.010

[摘要](193)

[PDF 885KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
通過對含W的S32760超級雙相不銹鋼不同溫度時效熱處理研究σ相的析出行為.用掃描電鏡和透射電鏡分析σ相的形貌和化學組成,并研究σ相對力學性能和耐腐蝕性能的影響.在850~1000℃之間,實驗鋼析出大量由Fe-Cr-Mo-W組成的具有正方結構的σ相,鋼板強度和硬度高,塑性差,延伸率低于4%;1050℃時仍存在少量析出,雖然延伸率大幅度提高至31.1%,但沖擊韌性離散度高,沖擊功偏低;直至1080℃,σ相才能完全溶解至基體中,抗拉強度為640MPa,延伸率為35.5%,縱、橫向沖擊功平均值分別達到217J和110J.隨時效熱處理溫度升高,點蝕電位提高,點蝕失重率不斷下降,1080℃熱處理的試樣點蝕電位高達1246mV.該試樣在50℃的3.5% NaCl溶液中腐蝕失重率也僅為0.005~0.007g·m^-2·h^-1.

原位觀察TiN粒子對低合金高強度鋼模擬焊接熱影響區粗晶區晶粒細化作用

萬響亮, 李光強, 吳開明

2016, 38(3): 371-378. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.011

[摘要](229)

[PDF 1419KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
采用高溫激光共聚焦顯微鏡原位觀察和電子背散射衍射技術研究TiN粒子在低合金高強度鋼模擬大線能量焊接熱循環過程中晶粒細化效果.研究發現合理的Ti和N含量能形成大量細小彌散分布的納米級TiN粒子,在焊接熱循環過程中有效釘扎熱影響區粗晶區奧氏體晶界,抑制晶粒粗化.同時,TiN附著在Al₂O₃表面析出,在冷卻過程中有效促進針狀鐵素體形核,得到有效晶粒尺寸非常細小的由少量針狀鐵素體和大量貝氏體構成的復合組織.

高鈮TiAl合金的高溫斷裂韌性

余龍, 宋西平, 張敏, 焦澤輝, 于慧臣

2016, 38(3): 379-384. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.012

[摘要](221)

[PDF 635KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
利用緊湊拉伸試樣通過預制疲勞裂紋研究近片層組織Ti-45Al-8Nb-0.2W-0.2B-0.1Y合金和全片層組織Ti-45Al-7Nb-0.2W-0.2Hf-0.3B-0.15C合金在750℃下的斷裂韌性,并分析兩種組織合金的斷口形貌.結果表明,近片層組織和全片層組織高鈮TiAl合金750℃時的斷裂韌性分別為19.54和31.58 MPa·m^1/2,且近片層組織疲勞裂紋開始萌生時的最大疲勞載荷明顯低于全片層組織.斷口分析表明近片層組織中裂紋主要在等軸γ晶中萌生,裂紋擴展方式包括沿γ晶、穿γ晶及沿片層、穿片層;全片層組織中裂紋主要在垂直于加載方向的片層間萌生,裂紋以沿片層與穿片層的混合方式進行擴展且伴有二次裂紋的萌生.

高溫注氫對釩合金微觀結構的影響

張高偉, 萬發榮, 姜少寧, 孫錦秀, 李順興, 龍毅, 詹倩, 楊善武

2016, 38(3): 385-390. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.013

[摘要](174)

[PDF 854KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
研究了500℃高溫條件下注氫對V-4Cr、V-4Ti和V-4Cr-4Ti三種合金微觀結構的影響.在注氫實驗之前,V-4Cr合金的基體清晰干凈,而V-4Ti和V-4Cr-4Ti兩種合金的基體中則出現很多相互平行和垂直的針狀析出相,且大部分析出相周圍都存在著位錯.在500℃注氫實驗之后,V-4Cr合金基體中出現大量的分布不均的黑色點狀缺陷和缺陷簇,而V-4Ti和V-4Cr-4Ti兩種合金的基體中除產生點狀缺陷外,還出現高密度的氣泡,且V-4Cr-4Ti合金中氣泡的平均尺寸要稍小一些.另外,V-4Ti和V-4Cr-4Ti合金基體中原有的析出相在注氫實驗之后都發生不同程度的溶解.在觀察V-4Cr-4Ti合金基體中氣泡分布規律時發現,在距離晶界25 nm的范圍內幾乎看不到氣泡的存在,由此推斷晶界的存在可以抑制氫氣泡等輻照缺陷的產生.

硫酸鉀的轉化法制備及其晶體生長過程原位觀察

裴濱, 詹光, 陳攀澤, 郭占成, 高金濤

2016, 38(3): 391-400. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.014

[摘要](186)

[PDF 685KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高硫酸鉀產品純度和回收率,研究硫酸銨加入比以及氯化鈉雜質對硫酸鉀產品的純度和回收率的影響,并用蔡司體式顯微鏡原位在線觀察硫酸鉀晶體的生長過程,以找到有利于硫酸鉀晶體快速生長的條件.結果表明:氯化鉀與硫酸銨化學計量比2KCl∶(NH₄)₂SO₄為1∶1時,硫酸鉀產品回收率達到80%左右;氯化鈉雜質嚴重影響硫酸鉀產品的純度和回收率,降低產品質量;提高溶液中硫酸鉀的過飽和度和溶液流速可以加快硫酸鉀晶體的結晶生長.

基于剪切修正GTN損傷模型的輥沖工藝數值模擬

劉倩, 劉靖, 楊德望, 韓靜濤

2016, 38(3): 401-409. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.015

[摘要](179)

[PDF 984KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
在GTN模型基礎上,考慮到微孔洞剪切變形對材料劣化的影響,建立適用于壓應力狀態的剪切修正模型.通過用戶子程序接口VUMAT將與損傷耦合的彈塑性本構模型嵌入具有ALE法的有限元軟件Abaqus/Explicit中.利用模擬拉伸與純剪切試驗擬合載荷-位移曲線以確定模型參數.將修正模型應用到輥沖工藝有限元模擬中預測斷面質量,并進行試驗驗證.結果表明:前刃口為小間隙沖裁,塌角較小,光亮帶較大但帶有一定的傾角;后刃口為大間隙沖裁,塌角與斷裂帶較大,光亮帶較小;裂紋會同時在前刃口凸模與凹模側面萌發,而對于后刃口,會首先在凹模側面產生.

基于平面彈性復變方法的冷軋帶鋼分布位錯-殘余應力模型

李秾, 李洪波, 張杰, 賈生暉, 褚玉剛, 劉海軍

2016, 38(3): 410-416. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.016

[摘要](203)

[PDF 436KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為揭示冷軋帶鋼可見浪形的形成機理,通過實測殘余應力值計算分布位錯,提出分布位錯-殘余應力模型.利用平面彈性復變方法計算彈性平板中一條帶有典型分布位錯的直線粘接邊界所產生的應力場,分析該應力場的特點及多條互相平行的帶有分布位錯的直線粘接邊界所產生應力場間的相互影響.同時結合實測數據,給出實際分布位錯的計算結果,其對應的殘余應力近似值與殘余應力實測值誤差較小,且這一方法具有一般性.進一步分析分布位錯,給出帶鋼屈曲撓度函數的形式,與現場實際起浪形式相吻合.

質子交換膜燃料電池啟動策略

彭躍進, 彭赟, 李倫, 劉志祥

2016, 38(3): 417-424. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.017

[摘要](277)

[PDF 487KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
為了縮短質子交換膜燃料電池啟動過程中氫氣/空氣界面存在的時間并限制電堆啟動電壓,通過實驗研究直接啟動、啟動前氫氣吹掃時間以及啟動輔助負載對質子交換膜燃料電池性能影響的差異性,在此基礎上提出一種電堆啟動時氫氣吹掃陽極和啟動輔助負載相結合的燃料系統啟動控制策略.實驗驗證了該啟動控制策略不僅能限制燃料電池啟動時的高電壓以及縮短燃料電池啟動過程中電堆陽極側氫氣/空氣界面的存在時間,還有利于提高單電池的電壓均衡性,是一種有效的質子交換膜燃料電池啟動控制策略.

一種基于粗糙集屬性度量的集成分類器

王永生, 鄭雪峰

2016, 38(3): 425-431. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.018

[摘要](186)

[PDF 385KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了準確度量屬性的重要性,從基于粗糙集的屬性度量視角,提出一種基于混合度量機制的屬性評價方法,該方法從不同的信息粒度分析屬性的重要性.在混合度量機制中,根據數據分布特點引入參數權重因子.在此基礎上,構造一種基于粗糙集屬性度量機制的集成分類器.通過實驗結果和比較分析表明,所提出的方法能有效地降低數據的屬性維度,相比較于單一屬性度量準則,分類器具有更好的分類性能.

酒糟對模擬礦山酸性廢水中Pb²⁺和Zn²⁺的吸附特征

董穎博, 林海, 賀銀海, 劉泉利

2016, 38(3): 432-437. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.019

[摘要](185)

[PDF 350KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了探索生物質材料酒糟對重金屬離子的吸附效果,采用靜態吸附實驗研究廢水pH值、Pb²⁺和Zn²⁺初始質量濃度以及吸附時間對酒糟吸附模擬礦山酸性廢水中Pb²⁺和Zn²⁺的影響.p H值為4時酒糟對Pb²⁺和Zn²⁺的吸附量分別達到最高值,酒糟對Pb²⁺的吸附等溫線特征符合Langmuir方程,對Zn²⁺的吸附等溫線特征符合Freundlich方程,對Pb²⁺和Zn²⁺的最大吸附量分別為8.29 mg·g^-1和15.31 mg·g^-1.酒糟對Pb²⁺和Zn²⁺的吸附反應在4 h后達到平衡,吸附動力學特征均符合擬二級動力學模型.酒糟中纖維素、半纖維素和木質素的質量分數分別為23.3%、65.5%和0.5%,吸附Pb²⁺和Zn²⁺后3種物質的含量發生變化,分別為19.6%、42.3%和2.6%.酒糟電負性隨p H值升高呈正比增加,吸附Pb²⁺和Zn²⁺后電負性減弱.紅外光譜分析結果顯示酒糟中參與吸附反應的基團主要有酰胺基和酯基.

石墨烯改性有機膨潤土吸附性能及其動力學

邢奕, 劉敏, 洪晨, 張瑩瑩, 王康, 趙曉明, 田星強

2016, 38(3): 438-445. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.03.020

[摘要](206)

[PDF 942KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
為提高有機膨潤土的吸附性能,采用微波合成法,以石墨烯對有機膨潤土進行改性,制備一種吸附效果好且回收效率高的新型石墨烯改性有機膨潤土復合材料,研究其結構和吸附性能,探討新吸附材料的作用機理。通過掃描電鏡、紅外光譜和X射線衍射對有機膨潤土及石墨烯改性有機膨潤土進行表征,并將其用于水中腐殖酸的吸附。結果表明:石墨烯與有機膨潤土均勻復合,有機膨潤土的層間距由1.37 nm增大至2.68 nm;當溫度為25℃、p H值為6、吸附劑的用量為5 g·L^-1及吸附時間為1 h時,溶液中腐殖酸的去除率達到95.52%;石墨烯改性有機膨潤土對腐殖酸的吸附等溫線符合Langmuir模型和準二級動力學模型,最大理論吸附量為52.08 mg·g^-1,且為放熱反應。利用0.1 mol·L^-1Na OH溶液對石墨烯改性有機膨潤土進行解吸再生,5次再生后其對腐殖酸的去除率為86.3%。