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5期

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泵送劑對膏體抗壓強度的影響試驗研究及機理分析

李公成, 王洪江, 吳愛祥, 楊鵬

2016, 38(5): 595-601. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.001

[摘要](412)

[PDF 4345KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
泵送劑能有效改善膏體料漿流動性能,然而其對膏體料漿凝結性能的影響機理尚未明確.針對這一問題,本文進行泵送劑的抗壓強度試驗和環境掃描電鏡觀察.強度試驗結果表明:泵送劑可有效改善膏體料漿凝結性能,泵送劑摻量越高不同齡期的膏體凝結性越好.環境掃描電鏡觀察結果表明:泵送劑添加后,大尺寸絮團減少,料漿內孔隙減少,改變了膏體微觀結構.基于應用計算機圖像處理技術和分形理論,計算膏體微觀結構計盒維數,量化分析膏體微觀結構.最終對泵送劑改善膏體凝結性能的機理進行分析,認為泵送劑通過改變絮團大小和數量、孔隙率、水化反應等方面影響膏體凝結性能.

富水充填材料蠕變及其硬化體內水分損失特征

劉娟紅, 周茜, 趙向輝

2016, 38(5): 602-608. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.002

[摘要](281)

[PDF 3514KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
為探討富水充填材料在時效作用下的變形及其硬化體內水分損失特征,本文研究一定水固質量比的富水充填材料在不同應力水平下的蠕變性能,并通過掃描電鏡觀察、差熱-熱重分析等實驗探討充填體在蠕變過程前后的形變特征、水分損失及其與外界荷載的關系.結果表明:水固質量比為2.0的富水充填材料失穩破壞的臨界應力為1.96 MPa,為其單軸抗壓強度的90%;蠕變不會對富水充填材料中結合水含量造成影響;富水充填材料失穩破壞時內部結構發生非結合水的流失,非結合水含量損失相對值與所受荷載水平呈線性正相關關系;非結合水的流失導致結構內部出現更多的空隙,這些空隙在外界荷載作用下會迅速被壓密,產生較大變形,導致充填體局部失穩,進而影響采空區的整體穩定.

高爐灰為還原劑對海濱鈦磁鐵礦直接還原焙燒磁選—鈦鐵分離的影響

胡天洋, 孫體昌, 寇玨, 耿超, 高恩霞

2016, 38(5): 609-616. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.003

[摘要](400)

[PDF 4216KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
對高爐灰在直接還原焙燒-弱磁選工藝中用作印尼某海濱鈦磁鐵礦還原劑的可行性及其機理進行研究.結果表明,以螢石為添加劑的條件下,高爐灰可代替煤做還原劑,通過高爐灰與螢石的共同作用,可以在直接還原過程中提高還原鐵粉中鐵的回收率及品位并降低TiO₂質量分數,同時回收高爐灰中鐵.三種不同產地高爐灰還原效果的比較表明,高爐灰性質對還原效果有影響.在相同用量條件下,津鑫高爐灰(JX)還原效果最好;在JX高爐灰用量30%、螢石用量10%、焙燒溫度1250℃以及焙燒時間為60 min時,焙燒產物通過兩段磨礦和兩段磁選,最終得到最佳的還原鐵粉中鐵品位為91.28%,TiO₂質量分數降至0.93%,包括海濱砂礦和高爐灰中鐵的鐵總回收率達到89.19%.

HCl氣體在燒結礦表面的吸附機理及特性

張淑會, 蘭臣臣, 呂慶, 孫艷芹, 武兵強

2016, 38(5): 617-622. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.004

[摘要](370)

[PDF 2411KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
基于密度泛函理論,對HCl氣體在燒結礦表面的吸附機理進行模擬計算,并且通過實驗研究了不同反應溫度、燒結礦粒度和HCl氣體流量條件下燒結礦表面吸附HCl氣體的特性規律.結果表明:HCl在α-Fe₂O₃(001)表面的最大吸附能為-175.91 k J·mol^-1,為化學吸附.Cl原子與基底表面的Fe原子發生反應結合成Cl-Fe鍵.吸附后Fe-O鍵長變短,Fe-O鍵能增加,結構更緊密.Cl原子與Fe原子結合成鍵后,削弱Cl原子與H原子的結合.溫度對燒結礦吸附氯元素量的影響較大,隨著溫度升高,氯元素吸附量逐漸增多;隨著燒結礦粒度增大,氯元素吸附量逐漸減少;隨著HCl氣體流量的增加,氯元素吸附量迅速增加.

硼鐵精礦的碳熱還原動力學

王廣, 薛慶國, 沈穎峰, 王靜松

2016, 38(5): 623-629. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.005

[摘要](316)

[PDF 2483KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為了揭示硼鐵精礦的碳熱還原機理,以高純石墨為還原劑,進行硼鐵精礦含碳球團等溫還原實驗,并采用積分法進行動力學分析.還原溫度分別設定為1000、1050、1100、1150、1200、1250和1300℃,配碳量即C/O摩爾比=1.0.當還原度為0.1<α<0.8時,溫度對活化能和速率控制環節有重要影響:還原溫度≤1100℃時,平均活化能為202.6 k J·mol^-1,還原反應的速率控制環節為碳的氣化反應;還原溫度>1100℃時,平均活化能為116.7 k J·mol^-1,為碳氣化反應和Fe O還原反應共同控制.當還原度α≥0.8時(還原溫度>1100℃),可能的速率控制環節為碳原子在金屬鐵中的擴散.碳氣化反應是含碳球團還原過程中主要速率控制環節,原因在于硼鐵精礦中硼元素對碳氣化反應具有較強烈的化學抑制作用.

鋼液/（N₂、H₂）過飽和體系中氣泡生長的數值分析

劉建華, 李康偉, 沈少波, 劉洪波, 季益龍, 劉建

2016, 38(5): 630-636. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.006

[摘要](345)

[PDF 2373KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
采用水/CO₂體系模擬研究鋼液/(N₂、H₂)過飽和體系中氣泡生長動力學行為,分別建立水溶液和鋼液中氣泡形核長大機理模型.基于三種不同的氣泡生長數學模型,分別研究水/CO₂和鋼液/(N₂、H₂)體系數學模型中氣泡生長動力學,并采用水模型實驗數據對數學模型進行驗證.分析鋼液/(N₂、H₂)體系前期和后期處理壓力以及鋼液深度等因素對氣泡生長的影響.研究表明:采用氣泡浮選去除夾雜物技術時,前期處理壓力對氣泡生長有顯著促進作用;后期處理壓力對氣泡生長有阻礙作用,隨著后期處理壓力的升高影響逐漸加強;鋼液深度對氣泡生長有阻礙作用,隨著鋼液深度的增加影響逐漸減弱;相比氮氣,鋼液中氫氣氣泡析出長大更快.

基于PIV技術的鋼包臨界卷渣行為水模型研究

吳華杰, 張漓, 徐陽, 岳峰, 馮美蘭, 魏崇一, 郭浩

2016, 38(5): 637-643. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.007

[摘要](332)

[PDF 4829KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
基于粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術,通過水模型研究臨界卷渣條件下卷渣過程和鋼包流場特征,解析臨界卷渣從發生到結束的整個過程卷渣處流場速度的變化情況,并定量分析爐渣運動黏度對臨界卷渣速度的影響.將臨界卷渣速度的實驗檢測值與傳統理論計算值進行比較和討論.研究結果表明:臨界卷渣過程從開始到結束可細分為八個不同階段,卷渣處流場速度變化在這八個階段中先增大后減小再增大;爐渣運動黏度對卷渣具有重要影響,爐渣運動黏度越大,臨界氣量和臨界卷渣速度越大,并且臨界卷渣速度與爐渣運動黏度的關系更具線性相關性.實驗擬合得到爐渣運動黏度與臨界卷渣速度的關系式.最后根據傳統理論計算模型和實測結果提出實驗條件下修正的臨界卷渣速度表達式.

應用格子Boltzmann方法直接數值模擬研究鋼中夾雜物上浮及碰撞行為

王耀, 于小南, 郭洛方, 李宏, 朱少楠

2016, 38(5): 644-649. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.008

[摘要](304)

[PDF 3275KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用格子Boltzmann方法對鋼液中夾雜物上浮及上浮過程中的碰撞行為進行直接數值模擬研究.結果表明,不同尺寸夾雜物顆粒上浮速度的模擬結果和理論值基本一致,表明本文所采用的數值算法能夠精確有效地對鋼液中固相夾雜物顆粒運動行為進行研究.當鋼液中直徑為80μm的夾雜物顆粒位于直徑為40μm的下方并一起上浮時,直徑為80μm的夾雜物顆粒會逐漸追趕上直徑為40μm的夾雜物顆粒并發生碰撞形成大尺寸凝聚體,凝聚體的上浮速度顯著大于二者單獨上浮時的上浮速度.對于直徑為40μm的夾雜物來說,形成凝聚體后的上浮速度比單獨上浮時的上浮速度增加300%.實際煉鋼過程中,采取必要的措施增加夾雜物顆粒之間上浮過程中的碰撞凝聚,對于提高夾雜物顆粒的上浮速度,尤其是小尺寸夾雜上浮去除速度,提高鋼液的潔凈度具有重要的意義.

低碳鋼和中碳鋼連鑄方坯初始凝固的對比研究

左曉靜, 林仁敢, 汪寧, 孟祥寧, 朱苗勇

2016, 38(5): 650-657. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.009

[摘要](371)

[PDF 7149KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
以低碳鋼和中碳鋼為研究對象,圍繞不同連鑄工藝參數對方坯初始凝固行為的影響,利用CA-FE耦合模型模擬實際連鑄過程結晶器內方坯的初始凝固行為,考察拉速和過熱度對方坯出結晶器坯殼厚度的影響,對比二者出結晶器橫截面枝晶微觀形貌.研究表明:過熱度和拉速增加均能使出結晶器坯殼厚度下降,而拉速的影響更為顯著.不同鋼種在相同條件下出結晶器坯殼厚度下降梯度不同.過熱度越低柱狀晶越致密細小,利于提高連鑄坯質量,拉速對柱狀晶的影響相對較小.由于出結晶器坯殼安全厚度限制,過熱度取15℃,低碳鋼拉速不能超過2.2 m·min^-1,中碳鋼拉速不能超過2.5 m·min^-1,據此針對不同鋼種設計不同拉速可提高連鑄效率.同時,模型結果顯示低碳鋼出結晶器時刻柱狀晶更為發達.

冷卻方式對低鈦高爐渣礦物組成和礦相結構的影響

張明博, 仇圣桃, 李建新, 朱榮, 劉宏強, 黃世平

2016, 38(5): 658-667. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.010

[摘要](200)

[PDF 11190KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
應用X射線衍射儀、偏光顯微鏡和掃描電鏡對水淬和空冷低鈦高爐渣的礦相組成、顯微結構、TiO₂分布規律及其差異性進行研究.結果表明:水淬渣和空冷渣中主要礦物組成均為玻璃質、鈣鈦礦、鈣鋁黃長石和鎂硅鈣石,但是兩種爐渣中各礦物組分含量相差較大,空冷渣中鈣鋁黃長石和鈣鈦礦的平均體積分數分別為62.5%和12.5%,是水淬渣中鈣鋁黃長石和鈣鈦礦的2.27倍和1.92倍,而玻璃質的平均體積分數不足水淬渣的1/3.水淬渣和空冷渣中礦相顯微結構差異較大,空冷渣中鈣鋁黃長石為釘齒狀,而水淬渣中鈣鋁黃長石為呈羽毛狀和針狀,且結晶粒度較小,鈣鈦礦在水淬渣和空冷渣中分別呈星點狀和樹枝狀分布,兩種爐渣中鎂硅鈣石都為紡錘體形;水淬渣中TiO₂主要分布在鈣鈦礦、玻璃質和鈣鋁黃長石中,而空冷渣中TiO₂主要分布在鈣鈦礦和鈣鋁黃長石中,并且空冷渣中鈣鈦礦TiO₂的分布率比水淬渣高8.41%,空冷方式更有利于將TiO₂聚集在鈣鈦礦中.

Al₂O₃和二元堿度對煉鋼爐渣中磷酸鹽富集機理的綜合影響

李晉巖, 張梅, 郭敏, 楊學民

2016, 38(5): 668-676. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.011

[摘要](177)

[PDF 4248KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
以六元CaO-SiO₂-FeO-P₂O₅-Fe₂O₃-Al₂O₃煉鋼渣系為研究對象,結合熱力學計算和實驗檢測,分析(Al₂O₃)和二元堿度B綜合變化對該六元渣系中磷酸鹽富集行為的影響.結果表明:煉鋼爐渣中生成游離C₂S含量對磷酸鹽富集相nC₂SC₃P內的(P₂O₅)至關重要.該渣系中增加SiO₂會降低總的C₂S生成量,增加Al₂O₃可促進鈣鋁黃長石C₂AS相生成,降低游離C₂S (f-C₂S)的量,進而影響磷酸鹽的富集.六元CaO-SiO₂-FeO-P₂O₅-Fe₂O₃-Al₂O₃煉鋼爐渣獲得較好磷酸鹽富集程度,渣中二元堿度B和Al₂O₃含量需滿足的耦合關系為:(%Al₂O₃)=-27.70+21.62B,(Al₂O₃)<20.0%,B>1.3.

高速壓制制備高密度純鐵軟磁材料

董國強, 秦明禮, 章林, 張紅州, 孫海身, 曲選輝

2016, 38(5): 677-681. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.012

[摘要](166)

[PDF 4798KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以退火純鐵粉末為原料,采用粉末退火結合高速壓制技術的方法制得高密度壓坯(7.70 g·cm^-3),經燒結后獲得高密度高性能的純鐵軟磁材料.研究退火粉末的高速壓制行為,以及燒結時間和燒結溫度對材料磁性能和晶粒大小的影響.結果顯示:退火粉末的壓坯密度隨壓制速度的增加而增加,壓坯密度最高可達到7.70 g·cm^-3,相對密度可達到98.10%.燒結溫度為1450℃,燒結時間為4 h時,材料密度達到7.85 g·cm^-3,相對密度為99.96%,最大磁導率達到13.60 m H·m^-1,飽和磁感應強度為1.87 T,矯頑力為56.50 A·^m-1.

基于Thermo—Calc的中錳中鋁Fe—Mn—Al—C低密度鋼類Schaeffler相圖繪制與評估

張明達, 胡春東, 曹文全, 董瀚

2016, 38(5): 682-690. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.013

[摘要](226)

[PDF 8532KB](19) [施引文獻] ()

摘要:
含鋁低密度鋼由于其較好的綜合力學性能和低密度特征引起結構鋼領域研究人員的廣泛關注.本文利用ThermoCalc熱力學計算軟件結合TCFE 7數據庫,計算中錳中鋁含量Fe-Mn-Al-C鋼在不同溫度的熱力學平衡狀態,總結其兩相區相比例的變化規律,通過平移和修正等處理方法,繪制針對中錳中鋁鋼合金成分和相設計的類Schaeffler相圖.結合馬氏體轉變溫度的計算討論對應不同合金成分條件下相種類存在可能,并通過已有材料的相比例和相形貌實驗結果分析繪制的類Schaeffler相圖的準確性和適用性.繪制的Fe-Mn-Al-C類Schaeffler相圖可以直觀地提供不同合金成分所對應的相比例、相種類等信息,可用于新型含鋁低密度鋼的合金設計.

納米貝氏體的熱力學分析及強韌化研究

智超, 趙愛民, 何建國, 趙復慶, 車英建

2016, 38(5): 691-698. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.014

[摘要](277)

[PDF 6865KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
針對目前高碳高硅低溫貝氏體(納米結構貝氏體)相變速度緩慢的現狀,采用貝氏體相變熱力學理論分析主要合金元素對低溫貝氏體相變驅動力的影響,設計了新型納米結構貝氏體鋼成分0.83C-2.44Si-0.43Mn-0.73Al.利用膨脹儀研究該成分貝氏體鋼在不同溫度下的相變整體動力學,綜合使用掃描電子顯微鏡、X射線衍射、電子背散射衍射等方法研究熱處理工藝對實驗鋼組織和力學性能的影響.結果表明,350℃等溫轉變貝氏體的抗拉強度為1401 MPa,延伸率為42.21%,強塑積可達59136 MPa·%,在室溫拉伸過程中發生明顯的相變誘導塑性效應;230℃等溫轉變組織中貝氏體鐵素體片層厚度小于100 nm,抗拉強度達2169 MPa.

不同氧化條件下Cr35Ni45Nb合金組織特征及其與持久壽命的關系

肖將楚, 張麥倉, 吳云勝

2016, 38(5): 699-705. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.015

[摘要](193)

[PDF 9693KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
以Cr35Ni45Nb合金為研究對象,進行不同氣氛條件下高溫時效及高溫持久試驗,并結合掃描電鏡及定量電子探針對樣品表面及橫截面的觀察分析,系統研究不同氧化條件下Cr35Ni45Nb合金組織演變與持久壽命的關系.結果表明:隨著處理時間的延長,管材邊緣及內部組織均逐漸發生變化.氧化序列體現為先是在樣品邊界不同地點形成不連續的氧化膜,隨后氧化膜連成一體形成連續氧化膜,同時貧化區也逐漸形成;由于溫度波動,氧化膜破裂脫落,而在氧分壓較高的時效環境中,氧化膜得不到及時修復,使得貧化區晶界中出現內氧化.此外,在空氣中氧化與在真空充氬氣石英管中持久試驗結果表明,較薄的連續氧化膜有助于提高合金的蠕變性能,而隨著高溫時效時間的延長,邊界貧化區逐漸形成,氧化膜破裂及內氧化的發生,使得合金的蠕變性能逐漸弱化.

鎳基合金C276在超臨界水中的腐蝕行為

沈朝, 汪家梅, 張樂福

2016, 38(5): 706-713. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.016

[摘要](190)

[PDF 5801KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
研究鎳基合金C276在550~650℃/25 MPa超臨界水中的腐蝕特性.采用腐蝕增重、掃描電鏡、能譜和X射線衍射方法分析材料的氧化動力學、氧化膜形貌、合金元素分布和組織結構.結果表明,C276合金在超臨界水中以均勻腐蝕為主,其腐蝕增重服從拋物線生長規律.當溫度由550℃升高到600℃時,材料的腐蝕增重大約升高到3倍;當溫度進一步升高到650℃時,材料的腐蝕增重反而下降.C276合金表面氧化膜分層不明顯,氧化膜的主要成分為（Ni,Fe）Cr₂O₄,同時其表層離散分布著大量的NiO氧化物顆粒.C276合金表面氧化膜的保護性能主要取決于氧化膜內Cr含量,Cr含量越高其結構越致密,從而保護性能也越好.

Ag@Pt核殼結構納米粒子催化劑在電催化過程中的失效分析

陳珂, 紀箴, 張一帆, 賈成廠, 楊善武

2016, 38(5): 714-720. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.017

[摘要](229)

[PDF 7623KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
通過種子生長法和自組裝技術合成Ag@Pt核殼結構納米粒子(以下簡稱Ag@Pt粒子),測量和比較在電催化循環伏安掃描(以下簡稱CV掃描)過程中失效前后的Ag@Pt粒子對甲醇的電催化性能的變化,采用透射電鏡、高分辨電鏡、X射線光電子能譜等方法研究其失效機理.結果表明:Ag@Pt粒子在循環伏安掃描的過程中會發生空化現象,其臨界電壓為0.5 V,空化現象隨時間的增長而變得明顯;Ag@Pt粒子空化后形成由Ag包覆空心Pt殼的納米粒子,這是導致其在對甲醇進行電催化氧化過程中催化性能明顯下降的原因.

反應燒結碳化硅陶瓷內筒的損毀機制

陳俊紅, 閆明偉, 肖品, 米文俊, 宿金棟, 封吉圣, 孫加林

2016, 38(5): 721-725. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.018

[摘要](465)

[PDF 4249KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
以X射線衍射儀、掃描隧道電子顯微鏡、能量散射光譜儀等手段對在懸浮預熱器內筒上使用前后的反應燒結碳化硅陶瓷進行分析,研究該陶瓷應用于懸浮預熱器上的損毀機制.碳化硅陶瓷中殘存金屬硅和表面的碳化硅在高溫使用工況下首先氧化成SiO₂,SiO₂在K₂O (g)、Na₂O (g)、KCl (g)、Na Cl (g)等蒸氣以及氯化物作用下黏度降低,形成覆蓋于陶瓷表面的氧化層,繼而被高速的氣固流體沖蝕和磨損掉,并導致新的界面出現.如此循環,使碳化硅陶瓷的外側逐漸變薄和斷裂,直至損毀.提高陶瓷的致密性和降低殘余硅含量是改進反應燒結碳化硅陶瓷在懸浮預熱器中使用性能的有效途徑.

帶鋼熱連軋非對稱因素對板形的影響

柴簫君, 張杰, 李洪波, 周一中, 馬珩皞, 張鵬武

2016, 38(5): 726-733. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.019

[摘要](226)

[PDF 3478KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為研究某2250 mm熱連軋生產中非對稱因素對軋件非對稱板形(如楔形和單邊浪)的影響,利用基于影響函數法的輥系變形模型、張應力模型和簡化的軋制壓力橫向分布模型相結合的方法,建立了集軋機和軋件為一體的非對稱板形計算模型.研究結果表明:來料楔形對軋件楔形的影響明顯超過其對軋件平坦度的影響;上游機架和下游機架剛度非對稱分別主要影響軋件楔形和平坦度;40℃以內的軋件溫度不對稱分布對軋件平坦度影響較小,對出口楔形的影響可以忽略;軋件跑偏對楔形和平坦度均有顯著影響.根據板形良好條件確定了各非對稱參數的允許范圍.

陡脈沖發生器電路中雜散參數的分析和補償

呂東澔, 張建勛, 代煜

2016, 38(5): 734-744. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.05.020

[摘要](170)

[PDF 6069KB](6) [施引文獻] ()

摘要:
在陡脈沖發生器電路中,雜散參數不僅影響輸出波形,還影響著系統的穩定和電路元器件的安全.為了提高輸出波形的質量,抑制輸出脈沖的振蕩,保證元器件長期可靠的運行,需要對電路中雜散參數進行有效的分析和補償.本文通過對脈沖的實際輸出波形進行分析,建立了陡脈沖發生器電路的雜散參數模型,總結出一種分析和補償陡脈沖發生器電路中雜散參數的方法.模型的仿真結果精確地反映了實際波形,加入補償環節后的電路實現了輸出波形的無過沖.