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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單　　價：40元/期，全年480元

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2016年第38卷第9期

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期望體理論的實驗研究及端部放礦崩礦步距優化

孫浩, 金愛兵, 高永濤, 孟新秋

2016, 38(9): 1197-1203. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.001

[摘要](296)

[PDF 12554KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
放出體形態研究是研究崩落礦巖流動規律和確定最優采場結構參數的基礎.基于標志顆粒法,通過底部與端部放礦物理實驗,研究無限邊界條件和半無限邊界條件下放出體形態及其變化規律,驗證期望體理論的可靠性和適用性.在此基礎上,開展了18 m×20 m結構參數下端部放礦崩礦步距的優化實驗研究.研究結果表明:實際放出體形態并不是標準的橢球體,而是與期望體更為相近;在無限邊界條件和半無限邊界條件下,放礦量與放出體高度滿足冪函數關系,與放出體半徑滿足指數函數關系;建議在18 m×20 m結構參數下,優先選用無貧化放礦方式和4.6 m的崩礦步距.

持續暴雨作用下排土場層狀碎石土邊坡穩定性

鄭開歡, 羅周全, 羅成彥, 文磊

2016, 38(9): 1204-1211. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.002

[摘要](353)

[PDF 5277KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究排土場層狀碎石土邊坡在持續暴雨條件下的入滲過程及穩定性,推導了土體天然含水率、天然重度與天然體積含水量的換算公式,作為快速確定邊坡土體初始基質吸力分布的依據.建立算例排土場有限元分析模型,進行降雨條件下飽和-非飽和滲流、孔壓-應力耦合以及邊坡穩定分析.結果表明:持續暴雨作用下排土場會在透水性最強的邊坡淺層形成集中滲流通道,當坡底存在弱透水性土層時會切斷滲流通道,導致雨水從坡腳涌出;排土場邊坡位移在降雨期間不斷增長,但增長速度越來越慢,雨后邊坡位移立即開始減小;降雨初期邊坡穩定性系數下降較快,邊坡淺層滲流穩定后基本保持不變,雨后緩慢增大.排土場層狀碎石土邊坡在持續暴雨作用下容易在降雨中后期失穩.

酸性環境中富水充填材料腐蝕及劣化機理

劉娟紅, 高萌, 吳愛祥

2016, 38(9): 1212-1220. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.003

[摘要](373)

[PDF 7656KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究酸性環境對富水充填材料的影響,通過強度檢測、掃描電鏡、能譜分析及X射線衍射(XRD)等實驗手段,分析富水充填材料在酸性環境中浸泡后的宏觀性能及微觀結構變化,并探討其腐蝕及劣化機理.結果表明:富水充填材料在pH值為1和3的鹽酸溶液中浸泡180 d后抗壓強度比標養28 d的強度分別降低88.8%和58%,在pH值為3的硫酸溶液中浸泡后降低68%,pH值為1的硫酸溶液中浸泡后強度降為零;微觀實驗結果顯示隨著富水充填材料在硫酸溶液中浸泡時間的延長,試件內部有二水石膏生成,鹽酸溶液中試件僅在pH值為1的溶液中浸泡180 d后產生二水石膏;鹽酸溶液對富水充填材料的腐蝕主要為H⁺中和作用下硬化體結構的溶解腐蝕,硫酸溶液對材料的腐蝕為硬化體結構的溶解腐蝕和石膏的膨脹腐蝕;硫酸溶液對富水充填材料的腐蝕作用強于鹽酸溶液.

磨礦介質對典型硅酸鹽礦物浮選的影響及機理

呼振峰, 孫傳堯

2016, 38(9): 1221-1226. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.004

[摘要](329)

[PDF 281KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
研究在濕式磨礦條件下,十二胺和油酸鈉作為捕收劑時,鋯球和鐵球作為磨礦介質對典型硅酸鹽礦物浮選的影響。通過對礦物表面動電位和X射線光電子能譜檢測,分析磨礦介質對硅酸鹽礦物浮選影響的機理。研究表明：十二胺作為捕收劑,低于最佳浮選pH值時,鋯球濕磨鋯英石、綠柱石、鋰輝石和石英的浮選回收率均高于鐵球濕磨,pH值繼續升高,鋯球濕磨和鐵球濕磨這四種硅酸鹽礦物的浮選回收率相近；在pH值2~12范圍內,鋯球濕磨和鐵球濕磨長石的浮選回收率相近；油酸鈉作為捕收劑,相同pH值條件下,鋯球濕磨鋯英石、綠柱石、鋰輝石、長石和石英的浮選回收率大多低于鐵球濕磨。檢測結果表明：鋯球濕磨時,低于最佳浮選pH值條件下,鋯英石、綠柱石、鋰輝石和石英表面電位低于鐵球濕磨,因而十二胺作為捕收劑時這四種礦物的浮選回收率高于鐵球濕磨；鐵球濕磨時,油酸鈉作為捕收劑,鋯英石、綠柱石、鋰輝石、長石和石英表面Fe含量明顯增加,對這五種礦物起到活化作用,因而浮選回收率高于鋯球濕磨。

FeTiO₃-Fe₂O₃固溶體等溫碳熱還原

邢相棟, 張建良, 劉依然, 劉征建, 劉興樂, 李乃堯

2016, 38(9): 1227-1232. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.005

[摘要](394)

[PDF 10655KB](11) [施引文獻] ()

摘要:

基于粉末煅燒技術合成FeTiO₃和FeTiO₃-Fe₂O₃固溶體體系,在熱力學分析的基礎上,選取1150℃,以固溶體合成物為原料研究FeTiO₃-Fe₂O₃固溶體體系等溫碳熱還原過程,并采用X射線衍射儀和掃描電鏡-能譜儀對還原產物進行系統分析.研究結果表明:合成產物內部成分均勻.鈦鐵礦的摩爾分數x越小,xFeTiO₃-(1-x) Fe₂O₃固溶體碳熱還原反應越易進行,并且反應速率最大值越大.在反應初期,假板鈦礦相(FeTi₂O₅-Fe₂TiO₅(Fe₃Ti₃O₁₀))作為過渡相一直存在,至金屬Fe和鈦鐵晶石Fe₂TiO₄生成后逐漸消失.

基于稀疏化魯棒LS-SVR與多目標優化的鐵水硅含量軟測量建模

郭東偉, 周平

2016, 38(9): 1233-1241. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.006

[摘要](328)

[PDF 6297KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
針對高爐煉鐵過程的關鍵工藝指標——鐵水硅含量[Si]難以直接在線檢測且化驗過程滯后的問題,提出一種基于稀疏化魯棒最小二乘支持向量機(R-S-LS-SVR)與多目標遺傳參數優化的鐵水[Si]動態軟測量建模方法.首先,針對標準最小二乘支持向量機(LS-SVR)的拉格朗日乘子與誤差項成正比導致最終解缺少稀疏性的問題,提取樣本數據在特征空間映射集的極大無關組來實現訓練樣本集的稀疏化,降低建模的計算復雜度;其次,標準最小二乘支持向量機的目標函數魯棒性不足的問題將IGGⅢ加權函數引入稀疏化后的最小二乘支持向量機模型進行魯棒性改進,得到魯棒性較強的稀疏化魯棒最小二乘支持向量機模型;最后,針對常規均方根誤差評價模型性能的不足,提出從建模誤差與估計趨勢評價建模性能的多目標評價指標.在此基礎上,利用非支配排序的帶有精英策略的多目標遺傳算法優化模型參數,從而獲得具有最優參數的鐵水[Si]在線軟測量模型.工業實驗及比較分析驗證了所提方法的有效性和先進性.

空氣外掠鋼渣顆粒準則關系式及其影響因素

米沙, 謝鍇, 孫岱, 李啟

2016, 38(9): 1242-1249. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.007

[摘要](325)

[PDF 6216KB](7) [施引文獻] ()

摘要:
通過空冷固態高溫鋼渣顆粒實驗,由實驗數據擬合平均努塞爾數實驗關聯式.對空冷高溫鋼渣顆粒進行三維數值模擬,研究不同繞流雷諾數下的準則關系式,分析空氣外掠固態鋼渣顆粒影響因素.研究得出空氣冷卻固態鋼渣顆粒的實驗關聯式與數值計算關聯式,實驗與數值計算之間誤差較小,驗證了采用SST k-ω模型計算的可靠性.實驗結果表明:鋼渣顆粒的平均努塞爾數隨著繞流雷諾數、粒徑和氣體流速的增大而增大.在同等條件下,鋼渣粒徑對平均努塞爾數的影響作用大于氣體流速;模擬空冷高溫鋼渣顆粒時,直徑對鋼渣顆粒凝固時間的影響作用最大,導熱系數的影響作用次之,來流空氣溫度影響作用最小.

富氧燃燒氣氛中鋼坯的氧化過程

蘇福永, 溫治

2016, 38(9): 1250-1256. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.008

[摘要](305)

[PDF 15991KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究在冶金軋鋼加熱爐富氧燃燒條件下爐內鋼坯的氧化狀況,自行設計搭建了可控氣氛鋼坯傳熱傳質過程實驗平臺,研究富氧燃燒氣氛對鋼坯氧化傳質的影響規律及不同溫度下氧化層的形貌特征.結果表明:鋼坯的氧化過程可以分為快速氧化階段和慢速氧化階段.在高溫環境中,隨著氧化溫度的提高,CO₂和H₂O的濃度變化對鋼坯氧化的影響逐漸加強,隨著CO₂和H₂O濃度的提高,鋼坯的氧化燒損程度也變得越來越嚴重.鋼坯氧化層主要是由Fe₃O₄和FeO組成.

原位觀察MnS對非調質鋼拉伸性能各向異性的影響

李夢龍, 王福明, 李長榮, 陶素芬, 孟慶勇

2016, 38(9): 1257-1263. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.009

[摘要](280)

[PDF 9508KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
利用激光共聚焦掃描顯微鏡原位觀察S質量分數為0.065%的非調質鋼縱向與橫向拉伸過程中MnS的行為,研究MnS形貌與分布對非調質鋼各向異性的影響.原位觀察表明鍛后鋼中存在大量長條形MnS,橫向與縱向拉伸過程中MnS長度方向與拉力方向取向不同.橫向拉伸過程中MnS更易與基體分離產生裂紋,裂紋隨MnS長度方向擴展長大,最終導致基體的斷裂.MnS在縱向拉伸時不易與基體分離,因此對縱向拉伸性能影響較小.鋼中群聚分布的MnS有利于裂紋的聚合長大,會促進基體的斷裂.

高碳馬氏體不銹鋼8Cr13MoV鋼鑄態組織及碳化物

于文濤, 李晶, 史成斌, 朱勤天, 宋惠東, 石昌民

2016, 38(9): 1264-1269. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.010

[摘要](303)

[PDF 9493KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
利用Thermo-Calc軟件對8Cr13MoV馬氏體不銹鋼的凝固過程進行計算,利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射分析儀對鑄態組織和碳化物形貌以及類型進行觀察與分析,利用Gleeble熱模擬試驗機測定材料的靜態連續冷卻轉變曲線.結果表明,8Cr13MoV在平衡凝固條件下組織為鐵素體和M₂₃C₆型碳化物,而在實際的凝固條件下,組織為鐵素體、馬氏體、殘余奧氏體、M₇C₃型和M₂₃C₆型碳化物,由于偏析導致最終組織中碳化物以M₇C₃型為主,少量M₂₃C₆以薄片或樹枝狀分布在晶界上.由于較高的C和Cr含量,以0.1℃·s^-1的冷卻速率冷卻時,奧氏體也會發生馬氏體轉變.

鋁合金大鑄錠超聲半連鑄多場耦合的數值模擬與實驗研究

徐婷, 張立華, 李瑞卿, 唐佳, 黃誠

2016, 38(9): 1270-1277. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.011

[摘要](276)

[PDF 10966KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
建立了超聲場下直徑630 mm的鋁合金大鑄錠熱頂半連鑄過程中多場耦合的數學模型,采用有限體積法及自定義函數獲得超聲作用下結晶器內聲場、流場和溫度場的分布,并進行工業化實驗研究.綜合工業實驗和仿真結果分析超聲對熱頂半連鑄鋁合金大鑄錠細晶的機理.模擬結果表明,超聲波對宏觀物理場的影響非常明顯,施加超聲后,輻射桿端面下方形成向上的回流區,強烈的紊流促進鋁熔體的傳質傳熱,減小液穴深度,使液穴更加平緩,同時初始凝殼點下移,過渡帶變窄,鑄錠中心處過渡帶寬度從342 mm減小到120 mm左右.分析實驗結果發現,經超聲處理,鑄錠組織普遍變得細小、均勻,平均晶粒尺寸減小103μm,最大最小晶粒尺寸差從135μm減小到64μm,且凝固組織晶界變細.

高鈮高磷GH4169C和GH4169合金的組織穩定性

倪童偉, 董建新, 張麥倉, 姚志浩

2016, 38(9): 1278-1287. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.012

[摘要](178)

[PDF 42505KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為研究高鈮高磷GH4169C高溫合金在高溫長期時效過程中的組織穩定性,通過場發射掃描電鏡和數顯布氏硬度計對GH4169和GH4169C兩合金分別經600、650、704及720℃時效30~10000 h的顯微組織和硬度變化進行對比分析。結果表明：在服役溫度（650℃）范圍內長期時效,GH4169合金和GH4169C合金均表現優異的穩定性；在服役溫度以上長期時效,GH4169合金和GH4169C合金穩定性較差,短時間內,合金組織就出現失穩。對比而言,704℃時GH4169C合金組織穩定性較GH4169合金高,而720℃時GH4169C合金組織穩定性劣于GH4169合金。分析認為,GH4169C合金由于提高Nb含量和P含量使的γ＇相穩定性增加,得以在服役溫度以上（704℃）表現比GH4169合金更為優異的組織穩定性,但Nb含量的提高也引起啄相含量的增加,導致組織穩定性下降。在超高溫（720℃）下,GH4169C合金穩定性劣于GH4169合金。由此推知,相比GH4169合金,改型GH4169C合金在使用溫度上有所提高,但提高有限,在超高溫下,其穩定性反而降低。

高溫合金GH4169與GH4202在富氧氣氛中的燃燒行為

王宏亮, 黃進峰, 連勇, 張程, 周啟明, 李書開, 宣統

2016, 38(9): 1288-1295. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.013

[摘要](236)

[PDF 20896KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
采用富氧燃燒實驗方法,通過光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀等手段對GH4169和GH4202高溫合金燃燒試樣進行分析,建立合金燃燒質量、熱量和氧傳輸模型,探究兩種合金的富氧燃燒機理并提出提高新型高溫合金抗燃燒性能的措施.結果表明:GH4202與GH4169合金在富氧條件下均發生燃燒,GH4202抗燃燒性能優于GH4169;兩種合金以液相進行燃燒,在合金燃燒前沿存在由未完全燃燒的金屬顆粒和氧化物組成"燃燒層",燃燒層中合金元素的燃燒行為是決定合金整體燃燒的關鍵性因素;合金元素在燃燒前沿呈現"選擇性燃燒"規律,Nb、Ti、Al、Cr等元素易于與氧發生燃燒,Ni滯后燃燒且燃燒熱低,起到良好的抗燃燒作用.

低發射率SiO₂/Al₂O₃納米復合粉體的制備和紅外隱身性能

陳珂, 紀箴, 張一帆, 賈成廠, 楊善武

2016, 38(9): 1296-1299. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.014

[摘要](224)

[PDF 4438KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
采用溶膠-凝膠法制備非晶態和結晶態兩種相結構的SiO₂/Al₂O₃納米復合粉體,通過X射線衍射、透射電子顯微鏡等手段對納米復合粉體結構和形貌進行表征,并利用傅里葉變換紅外光譜儀研究納米復合粉體的紅外隱身性能.結果表明：兩種相結構的SiO₂/Al₂O₃納米復合粉體均呈不規則顆粒狀,其中結晶態SiO₂/Al₂O₃納米復合粉體的平均晶粒尺寸約為18 nm；結晶態SiO₂/Al₂O₃納米復合粉體在2.5~25μm波長范圍內的紅外發射率均低于非晶態復合粉體,3~5μm內發射率平均值為45.65%,8~14μm內發射率平均值為46.19%,是一種低發射率的紅外隱身復合納米材料.

石墨烯/二氧化錳復合材料的制備及其電化學性能

周龍斐, 邱紅梅, 徐美, 路彥珍, 胡建玲, 王子婭, 王鳳平

2016, 38(9): 1300-1305. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.015

[摘要](185)

[PDF 9654KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
通過水熱法在160℃條件下成功制備了手風琴狀石墨烯/MnO₂復合材料.通過場發射掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、X射線能量色散譜、BET法以及拉曼光譜對材料進行表征.結果表明,手風琴狀二氧化錳與層狀石墨烯之間具有十分高效的貼合,這種創新性設計有效地利用了石墨烯的高電導率、大比表面積以及二氧化錳的優秀贗電容行為.電化學測試結果給出在0.2 A·g^-1時,樣品的比電容高達138 F·g^-1,數倍增強于單獨的二氧化錳或石墨烯樣品.

氧化鋅納米線陣列/泡沫石墨烯電化學檢測左旋多巴

林軒宇, 張虹, 黃碩, 常靖, 高鑫, 姚龍輝, 岳紅彥

2016, 38(9): 1306-1311. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.016

[摘要](172)

[PDF 5216KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用化學氣相沉積法以泡沫鎳為模板制備三維多孔網狀泡沫石墨烯（GF）,利用水熱法在其表面垂直生長氧化鋅納米線陣列（ZnO NWAs）,得到三維形貌的ZnO NWAs/GF復合材料.采用掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、拉曼光譜等測試方法對該復合材料進行了表征.結果表明：制備的石墨烯層數較少且純凈無缺陷.ZnO NWAs垂直于三維GF表面且尺寸分布均勻.利用電化學方法用ZnO NWAs/GF檢測左旋多巴（LD）.電化學測試結果表明,ZnO NWAs/GF在線性范圍為0~80μmol·L^-1內檢測LD時,檢測靈敏度為0.41μA·（μmol·L^-1）^-1,且具有良好的重復性和穩定性.在尿酸（UA）干擾下,ZnO NWAs/GF對檢測LD有很好的選擇性.

樹脂黏度變化對RTM成型工藝的影響

陳幸開

2016, 38(9): 1312-1316. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.017

[摘要](257)

[PDF 5447KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
采用黏度計測定不同初始溫度下環氧樹脂的黏度,通過擬合法建立環氧樹脂的工程黏度模型.將黏度模型引入樹脂傳遞模塑(resin transfer molding,RTM)成型樹脂流動模擬中,結合PAM-RTM軟件模擬不同初始溫度下樹脂的填充過程,討論樹脂黏度變化對RTM成型過程樹脂流動行為的影響.結果表明,隨著樹脂初始溫度的上升,填充時間先降后升,在初始溫度為40℃時填充時間最短.樹脂黏度變化對大型結構件RTM成型影響顯著.

雙金屬復合板矯直過程的彎曲及彈復解析

張超, 臧勇, 管奔, 秦勤

2016, 38(9): 1317-1326. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.018

[摘要](191)

[PDF 1173KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
基于工程彈塑性力學建立了不同組坯方式下雙金屬復合板彎曲矯直過程截面彈塑性狀態演變路徑的解析模型.基于該模型分析不銹鋼復合板矯直過程中的彎曲回彈特性,解釋復合板彎曲回彈過程中截面的反向屈服現象,并將不銹鋼復合板與單一材料板材彎曲過程進行對比.研究結果表明:雙金屬復合板在彎曲過程中截面會經歷五種彈塑性狀態,并伴隨著不同的中性層偏移規律,彎曲回彈后的殘余應力分布與單一材料板相比更加不均勻且可能進入反向屈服狀態;復合板與單一材料板材的彎矩相對差值隨著屈服強度比的增大而增大,其絕對值隨著彎曲曲率先增大后減小.

基于變分模式分解和微積分增強能量算子的滾動軸承故障診斷

張東, 馮志鵬

2016, 38(9): 1327-1334. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.019

[摘要](182)

[PDF 11043KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
針對滾動軸承故障振動信號的特點,考慮變分模式分解在復雜信號分解及微積分增強能量算子在瞬態成分檢測方面的優勢,提出基于變分模式分解和微積分增強能量算子的滾動軸承故障診斷方法.首先利用變分模式分解將復雜信號分解為多個本質模式函數,以削弱背景噪聲的影響和滿足能量算子對信號單分量的要求;然后根據提出的敏感分量選取原則,從本質模式函數中選出包含主要故障信息的本質模式函數為敏感分量;最后利用微積分增強能量算子強化敏感分量中的瞬態沖擊,并根據敏感分量瞬時能量的時域波形及Fourier頻譜診斷滾動軸承故障.分析結果表明該方法能夠有效診斷滾動軸承故障.

考慮受力蒙皮作用的除塵器殼體墻板的承載性能

潘立程, 邢凱麗, 錢海峰, 王元清, 鄒昀, 王登峰

2016, 38(9): 1335-1342. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2016.09.020

[摘要](136)

[PDF 8759KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用非線性有限元方法研究除塵器殼體承受板頂豎向均布荷載作用的墻板發揮受力蒙皮作用時的破壞形式和承載能力,分析墻板厚度、墻板寬度、加勁肋間距、立柱橫向支撐間距、立柱截面尺寸等因素對墻板承載能力的影響.結果表明:立柱受載水平較低時,墻板發生受剪屈服破壞;立柱受載水平中等時,墻板同時發生受壓和受剪屈服破壞;立柱受載水平較高時,墻板發生受壓屈服破壞.在同等立柱受載水平情況時,墻板承載能力隨著墻板厚度增加、墻板寬度減小、加勁肋間距減小或者立柱支撐間距減小而增大.立柱截面尺寸增大使得立柱剛度增大時,立柱穩定性提高,墻板承載力增大.