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

郵發代碼：82-303

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2018年第40卷第5期

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中國膏體技術發展現狀與趨勢

吳愛祥, 楊瑩, 程海勇, 陳順滿, 韓悅

2018, 40(5): 517-525. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.001

[摘要](2429)

[PDF 2673KB](105) [施引文獻] ()

摘要:
膏體技術能夠有效解決采礦引發的環境和安全問題,是實現綠色開采的關鍵技術,近年來在國內礦山得到了迅速推廣. 科學進步加速了膏體技術智能化控制、精準化制備和個性化采充的步伐,提升了我國膏體技術的研究水平. 介紹了膏體技術基本概念和特點并統計了膏體技術在中國的發展歷程,系統性分析了我國全尾砂濃密脫水技術、結構流管輸技術、采場多場影響機制、新材料開發和膏體工程化實驗室建設最新研究進展,同時對膏體技術在井下充填和地表堆存領域的實踐效果進行了介紹. 指出了膏體技術仍面臨著嚴峻挑戰,并將從數字化和智能化方面突破,實現濃度自適應控制、膏體精密制備、采場個性化充填和系統3D模塊化設計裝配,引領中國礦業綠色發展.

尾礦庫潰壩災害防控現狀及發展

王昆, 楊鵬, Karen Hudson-Edwards, 呂文生, 卜磊

2018, 40(5): 526-539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.002

[摘要](2677)

[PDF 1890KB](111) [施引文獻] ()

摘要:
尾礦庫潰壩災害應急響應時間短、潛在威脅巨大,往往造成慘重人員傷亡與巨額財產損失. 近些年尾礦庫安全事故發生數量的總體下降趨勢充分體現出現代化技術及安全管理方面的進步,然而重大事故發生頻次卻不減反增,2015年巴西Samarco鐵礦與2014年加拿大Mount Polley重大潰壩事故及其慘重后果,再次為尾礦庫安全敲響警鐘. 我國現存尾礦庫8869座,含"頭頂庫"1425座,安全形勢復雜. 本文在收集大量相關領域文獻的基礎上,聚焦尾礦庫潰壩災害防控體系中的安全監測、災害預警與應急準備、安全管理與標準規范這三大方面核心內容,分別綜述對比國內外現狀及前沿進展,探討分析我國當前所面臨的問題并嘗試提出改進建議,為尾礦庫防災減災理論研究與技術革新提供參考. 結果表明:(1)我國尾礦庫安全監測標準更高,但儀器耐久性、可靠度與實用性不足,專用監測器件與新技術的研發應用勢在必行;(2)災害預警方法單一且可信度不高,而信息技術融合應用成為發展趨勢;(3)應急管理與預警決策需以充分的科學論證為基礎,當前研究在試驗手段與計算方法上存在局限;(4)我國擁有完善的安全管理標準規范體系,但在安全等別劃分、全生命周期管理、主體變更、事故總結等方面相對欠缺.

有機抑制劑SDD與BX在銅活化閃鋅礦表面的競爭吸附機制

羅德強, 劉建, 王瑜, 曾勇

2018, 40(5): 540-547. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.003

[摘要](810)

[PDF 4568KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
通過單礦物浮選試驗揭示了有機抑制劑SDD對銅活化閃鋅礦的抑制情況. 在此基礎上,采用Zeta電位測試、Versa STAT電化學工作站的局部交流阻抗(LEIS)測試、前線軌道理論計算對SDD和BX(丁基黃藥)在銅活化閃鋅礦表面的競爭吸附機理進行了研究. 浮選試驗結果表明:SDD是一種銅鋅分離的高效抑制劑,能夠有效的抑制閃鋅礦,而黃銅礦幾乎不受影響;此外,還發現SDD具有用量少且十分敏感的特性,在pH為10,SDD為4.0×10^-5 mol·L^-1的最佳條件下,能夠將銅活化閃鋅礦的回收率降低至16.59%,而黃銅礦的回收率為81.64%. Zeta電位和局部交流阻抗(LEIS)分析表明:SDD不但能夠占據銅活化閃鋅礦表面的活化位點,而且其吸附能力強于BX,這極大的降低了BX在銅活化閃鋅礦表面的吸附量,從而對銅活化閃鋅礦表現出良好的抑制作用. 前線軌道理論計算進一步證實SDD與銅活化閃鋅礦作用能力強于BX.

紅格含鉻釩鈦磁鐵礦球團礦物學和等溫氧化動力學

湯衛東, 薛向欣, 楊松陶, 姜濤

2018, 40(5): 548-556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.004

[摘要](825)

[PDF 3632KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
研究了紅格釩鈦磁鐵礦(HCVTM)球團等溫氧化動力學及其礦物學特征. 在不同的溫度(1073~1373 K)和不同的時間(10~60 min)范圍內,對HCVTM球團礦進行了等溫氧化動力學實驗. 首先分析了球團在不同溫度和時間下的微觀結構和礦物組成規律. 然后根據定義的氧化率,計算和分析了氧化率及其變化規律,以及礦相結構對氧化率的影響. 最后結合縮核模型、修正的氧化率函數和阿倫尼烏斯公式,計算了反應速度常數、修正系數和反應活化能,并判斷了反應限制性環節. 研究表明:隨溫度的提高,低熔點液相增加,赤鐵礦晶粒的生成、長大和再結晶,形成連續的黏結相,空隙數量減少. 隨時間的增加,生成的液相促進了赤鐵礦晶粒間的黏結和長大,但是晶粒間硅酸鹽相和鈣鈦礦類物相惡化了球團結構. 同時,鈣鈦礦和鐵板鈦礦相生成. HCVTM球團礦空隙數量的減少和黏結相的生成,表現在氧化速率隨時間增加而減慢. HCVTM球團氧化反應主要受擴散控制,球團氧化前期的反應活化能為13.74 kJ·mol^-1,氧化后期的活化能為3.58 kJ·mol^-1,氧化率函數的修正參數u₂=0.03.

高爐渣對鋼渣改性的物理化學基礎研究

劉仕業, 王占軍, 彭犇, 岳昌盛, 郭敏, 張梅

2018, 40(5): 557-564. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.005

[摘要](967)

[PDF 4730KB](32) [施引文獻] ()

摘要:
鋼渣用作建筑材料時,由于其中含有大量游離氧化鈣(f-CaO),穩定性較差,通常需要改性鋼渣以提高其穩定性、膠凝性. 在對鋼渣、高爐渣進行化學成分和礦物組成分析的基礎上,對高爐渣改性鋼渣的可能性進行了熱力學計算,結果表明高爐渣中的SiO₂與鋼渣中f-CaO反應,生成膠凝相,同時降低了鋼渣中的f-CaO含量. 本文通過研究熱態高爐渣改性鋼渣,結合X射線衍射、拉曼光譜、掃描電鏡及能譜分析等研究方法,對改性鋼渣的礦物成分、f-CaO含量、黏度變化等進行了分析. 研究發現隨著熱態高爐渣配比量的增加,改性渣黏度緩慢增加,改性鋼渣中f-CaO、RO相含量降低,改性渣的膠凝性能提高. 在1550℃下,鋼渣中添加10%高爐渣時,改性渣中2CaO·SiO₂(C₂S)、3CaO·SiO₂(C₃S)含量顯著提高,f-CaO質量分數降至1.64%,穩定性大大提高,符合建材化使用要求. 此外,進一步使用焦炭還原改性渣中的鐵,輕松實現了渣鐵分離,提高改性渣的易磨性.

拉壓不同應力對磁記憶信號的影響及機理

冷建成, 田洪旭, 郭亞光, 徐明秀

2018, 40(5): 565-570. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.006

[摘要](865)

[PDF 1900KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
通過對Q235鋼退磁試件的拉伸、壓縮試驗,利用磁記憶在線監測系統實時跟蹤記錄了不同拉壓應力作用下試件表面的磁信號變化特征. 結果表明:拉伸載荷對合成磁場的影響是先減小后增加的,在接近材料屈服強度的0.3倍左右后趨于穩定不變;而壓應力引起的合成磁場初期快速下降,之后處于上下波動變化. 通過引入拉壓應力所產生的不同應力退磁項,對J-A磁機械效應模型進行了改進,模擬結果與試驗數據具有較好的的一致性,可用于拉壓不同應力致磁機理的理論解釋.

熱處理對四代核電用鎳基合金薄壁管組織與性能的影響

李鄭周, 佴啟亮, 莫少華, 王寶順, 王曼, 董建新

2018, 40(5): 571-578. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.007

[摘要](909)

[PDF 13426KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
利用熱力學計算軟件JMatPro分析了釷基熔鹽堆用Ni-Cr-Mo系高溫合金GH3535相析出的熱力學及動力學特征,研究了不同熱處理制度對冷軋態GH3535合金無縫管的晶粒尺寸及其均勻性、碳化物析出特征、硬度、拉伸性能等的影響規律,觀察了不同熱處理制度下合金拉伸斷口的微觀形貌,分析了GH3535合金的拉伸斷裂機制. 結果表明:在900~1500℃之間,GH3535合金的平衡析出相為富Mo的M₆C型碳化物,M₆C相在固液兩相區時便已經開始形成,M₆C相析出所對應的鼻尖溫度為1200℃;固溶溫度低于1200℃時,合金晶粒尺寸緩慢長大,當固溶溫度提高到1230℃,晶粒出現快速長大,平均晶粒尺寸達到160 μm;1180℃保溫10 min,合金晶粒尺寸的均勻性較好. 隨著固溶溫度升高,合金強度降低、延伸率增加,GH3535合金的拉伸斷裂機制為微孔聚集型.

模鍛變形對曲軸用非調質鋼1538MV顯微組織的影響

楊勇, 周樂育, 蔣鵬, 任學平, 賀小毛

2018, 40(5): 579-586. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.008

[摘要](980)

[PDF 14871KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
影響曲軸鍛后組織的主要因素有變形量、終鍛溫度、金屬流動及鍛后冷卻. 本文采用數值模擬的方法研究了曲軸用非調質鋼1538MV的鍛造過程,并對軋材原料和曲軸成品的顯微組織進行了分析,探討了模鍛變形對曲軸顯微組織的影響. 研究結果表明,曲軸較高的鍛造溫度和較小的變形量使得曲軸的鍛后組織較軋材有所粗化. 曲軸變形過程中的溫度和應變分布不均導致了曲軸組織的不均勻. 曲軸的鐵素體含量和珠光體片層間距都低于軋材,且部分位置出現了貝氏體組織,這說明曲軸鍛后的相變區冷速過快,應當進一步優化曲軸鍛后冷卻制度. 另外,曲軸鍛造過程中的偏析區金屬流動對曲軸的鍛后組織產生了明顯的影響,也是造成貝氏體組織產生的原因,應嚴格控制軋材的質量. 研究結果為軋材質量的提升和曲軸鍛造工藝及鍛后冷卻制度的優化指明了方向.

2507雙相不銹鋼在SO₂污染模擬海水中的腐蝕行為

朱敏, 朱濤, 陳明, 郭紹義, 袁永鋒, 俞高紅, 聶輪

2018, 40(5): 587-593. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.009

[摘要](949)

[PDF 3926KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
采用開路電位、電化學阻抗譜(EIS)、Mott-Schottky曲線和浸泡腐蝕實驗研究了2507雙相不銹鋼在含不同濃度(0,0.001和0.01 mol·L^-1)NaHSO₃模擬海水中的腐蝕行為. 研究表明:開路電位隨NaHSO₃濃度的增加而負移,腐蝕傾向增大;電荷轉移電阻R_t隨濃度的增加而減小,耐蝕性降低;2507不銹鋼的腐蝕形態為局部腐蝕,點蝕程度隨濃度升高有所加劇,腐蝕速率隨濃度的增加而增大;Mott-Schottky曲線和成膜后電化學阻抗譜測試表明,NaHSO₃的加入增加了2507不銹鋼表面鈍化膜的點缺陷濃度,降低了鈍化膜的穩定性,電荷轉移阻力減小,腐蝕更容易發生. 這可能歸因于NaHSO₃的加入增加了模擬海水的酸度,并隨NaHSO₃濃度的增加促進了不銹鋼表面鈍化膜的破壞.

集輸管道CO₂/油/水環境中X65鋼的腐蝕特征

程遠鵬, 白羽, 李自力, 劉建國

2018, 40(5): 594-604. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.010

[摘要](696)

[PDF 15978KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
通過高溫高壓動態反應釜實驗模擬油田集輸管道腐蝕環境,采用腐蝕失重、X射線衍射、掃描電鏡和電化學分析等方法,研究了CO₂/油/水環境中X65鋼的腐蝕行為. 結果表明:不同原油含水率條件下,X65鋼CO₂腐蝕形態發生改變. 含水率較低(40%~50%)時,原油的浸潤作用使X65鋼表面發生均勻腐蝕,局部由于原油吸附不均勻出現點蝕特征;含水率在70%~80%之間時,原油對鋼表面屏障作用減弱,生成的產物膜厚而疏松、局部脫落引發臺地腐蝕;含水率為90%時,臺地腐蝕破壞區域擴大,腐蝕加重. 原油可以明顯改變腐蝕產物晶體顆粒大小、堆垛方式、產物膜結構以及化學成分. 在原油的緩蝕作用下,X65鋼CO₂腐蝕過程的溫度敏感點向低溫段移動,出現在50℃左右,腐蝕速率降低區間變寬,X65鋼耐蝕性增強.

鎂鋰合金表面含碳陶瓷層的摩擦性能

張玉林, 朱鑫彬, 于佩航, 左佑, 張優, 陳飛

2018, 40(5): 605-611. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.011

[摘要](737)

[PDF 6305KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
通過在Na₂SiO₃-KOH基礎電解液中加入石墨烯添加劑,在鎂鋰合金表面制備出一層自潤滑的含碳陶瓷層. 利用掃描電鏡、原子力顯微鏡以及X射線衍射儀分析了陶瓷層的表面形貌、粗糙度以及物相組成,利用摩擦磨損試驗儀對陶瓷層在室溫下的摩擦學性能進行研究. 其結果表明,加入石墨烯后制備出的含碳陶瓷層表面放電微孔分布均勻,且其微孔尺寸和表面粗糙度均明顯降低. 相比于鎂鋰合金,陶瓷層的表面硬度也得到明顯的提高. 此外,含碳陶瓷層主要由SiO₂、Mg₂SiO₄以及MgO物相組成,而石墨烯則以機械形式彌散分布于陶瓷層中并起到減摩作用. 當石墨烯體積分數為1%時,陶瓷層表面顯微硬度為1317.6 HV_{0.1 kg},其摩擦系數僅為0.09,其耐磨性明顯提高. 同時,陶瓷層磨痕的深度和寬度均明顯小于鎂鋰合金,而且較為光滑,表明陶瓷層表面沒有發生嚴重的黏著磨損.

正交磁場對電火花單脈沖放電中電蝕凹坑的影響規律

賈建宇, 王燕青, 楊勝強, 李文輝

2018, 40(5): 612-621. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.012

[摘要](746)

[PDF 4074KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
電火花放電通道在正交磁場的作用下向洛倫茲力方向偏轉、延伸,進而導致電蝕凹坑形貌發生變化,研究磁場輔助電火花加工(MF-EDM)過程中電蝕凹坑的形貌變化規律及特點,對進一步明晰電火花加工機理具有重要意義. 基于MF-EDM氣中單脈沖放電試驗,使用表面輪廓儀觀測電蝕凹坑延伸長度、深度、寬度及放電起始點偏移量,并得出磁場及放電參數對電蝕凹坑的影響規律. 結果表明:電蝕凹坑長度隨著磁感應強度、開路電壓的增大而增大;電極外伸長度的影響結果相反;電蝕凹坑深度隨著磁感應強度、開路電壓、電極外伸長度的增加沒有明顯的變化規律;電容與磁感應強度存在最優參數組合以使凹坑長度最大;隨著磁感應強度及放電能量的增加放電起始點的偏移量增加.

集總干擾下六旋翼飛行器的軌跡跟蹤控制

丁力, 吳洪濤, 李興成

2018, 40(5): 622-628. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.013

[摘要](727)

[PDF 5200KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
針對復雜集總干擾下六旋翼飛行器軌跡跟蹤控制問題,給出了混合積分反步法控制與線性自抗擾控制的控制算法. 首先,通過牛頓-歐拉方程建立六旋翼飛行器的非線性動力學模型,并剖析系統輸入輸出的數學關系. 其次,根據六旋翼飛行器動力學模型的特點,將其分為位置與姿態兩個控制環. 位置環采用積分反步法控制理論設計控制器,通過引入積分項來提高系統的抗干擾能力,消除軌跡跟蹤的靜態誤差;姿態環采用線性自抗擾控制技術設計控制器,通過線性擴張觀測器估計和補償集總干擾影響,提高系統的魯棒性. 最后,通過2組仿真算例和1組飛行試驗驗證了本文所提飛行控制算法的有效性. 研究結果表明:該控制算法對集總干擾有較好的抑制作用,能夠使六旋翼飛行器既快又穩地跟蹤上參考軌跡,具有一定的工程應用價值.

C-RAN回傳網絡中下行資源調度策略

王汝言, 周靜, 吳大鵬

2018, 40(5): 629-638. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.014

[摘要](774)

[PDF 3457KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
隨著移動互聯網技術的快速發展、無線終端設備與移動應用流量需求與日俱增,移動用戶對無線通信網絡的服務質量(quality of service, QoS)要求越來越高、回傳網絡的壓力也越來越大. 新出現的云無線接入網(cloud radio access network, C-RAN)能夠有效提升網絡容量、提高用戶服務質量,同時采用無源光網絡(passive optical network, PON)作為其回傳網絡(backhaul),能夠為其提供大帶寬、高可靠、低時延的回傳支撐. 在移動應用需求不斷變化和回傳網絡資源有限的條件下,高效的資源調度策略至關重要,其能夠有效的提升回傳網絡資源利用率、降低傳輸等待時延. 為節約回傳網絡波長資源、提高波長負載均衡性和資源利用率,提出一種下行資源調度策略. 根據高熱點區域無線用戶實時網絡需求,綜合考慮回傳網絡波長使用數量、負載均衡性和實時業務分配均勻度等優化目標,采用自適應權重并行遺傳算法完成其優化過程,從而實現波長資源動態分配,提升網絡資源利用率. 仿真結果表明,提出的下行資源調度策略能有效提高網絡負載均衡性和網絡資源利用率,并降低實時業務等待傳輸時間.

滲透剪切作用下黃土的力學特征

諶文武, 劉偉, 王娟, 孫冠平, 侯小強

2018, 40(5): 639-648. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.05.015

[摘要](739)

[PDF 3331KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
黃土高原地區黃土在灌溉作用下,逐漸達到飽和狀態,飽和中,陡坡類黃土坡體自重增加引起下滑力增加. 該過程持續進行后,坡體內部同時發生滲流和剪切過程,導致坡體的變形不斷增大,直至破壞后形成滑坡. 本文選取黑方臺4.29滑坡為研究對象,在現場調查的基礎上,利用滑坡后壁原狀黃土試樣,基于三軸試驗設置10組共60個原狀樣對飽和黃土的滲透剪切行為進行模擬. 試驗中設置了0.5、0.1和0.05 mm·min^-1三個不同的加載速率對黃土試樣進行剪切,為比較分析,對0.1 mm·min^-1剪切速率試樣設置了0、1、2和5 m幾個不同水頭進行了試驗. 試驗結果表明:飽和黃土在滲流與剪切耦合作用下,表現出應變硬化特征,滲透作用明顯降低了黃土的強度,尤其是黃土黏聚力降低,其降幅達5.24%~63.35%. 對已有強度指標擬合后獲得黃土在滲透剪切工況下的強度修正公式.