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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2018年第40卷第6期

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微區電化學技術在薄液膜大氣腐蝕中的應用

于陽, 盧琳, 李曉剛

2018, 40(6): 649-657. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.001

[摘要](1050)

[PDF 684KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
薄液膜大氣腐蝕的本質是吸附于金屬基體表面的水汽形成薄電解質液膜引起的金屬腐蝕現象.由于液膜很薄,無法滿足常規的三電極溶液測試體系要求,使得微區電化學技術在該領域得到廣泛的應用.本文對比分析了用于薄液膜大氣腐蝕的電化學測試技術,著重介紹了掃描Kelvin探針、絲束電極、微液滴電極等測試方法在薄液膜大氣腐蝕研究中的應用,并通過總結測試中涉及的關鍵參數揭示了薄液膜/液滴尺寸與腐蝕動力學過程的關系.最后提出了微區電化學方法在該領域應用目前存在的問題以及今后可進一步提升的可能.

透輝石粉的火山灰反應特性

崔孝煒, 倪文, 耿碧瑤, 王佳佳, 仇夏杰

2018, 40(6): 658-664. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.002

[摘要](687)

[PDF 570KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
透輝石作為矽卡巖型尾礦中的重要組成部分,研究其火山灰反應活性對于該類型尾礦的綜合利用具有重要意義,但是目前還未見到相關報道.以透輝石、天然石膏和氫氧化鈣為原料制備凈漿試塊,研究了磨細透輝石的火山灰反應活性,并利用X射線衍射、掃描電鏡、傅里葉紅外光譜、差示掃描量熱法和核磁共振對凈漿試塊的水化產物進行分析,為初步判斷矽卡巖型尾礦是否具有火山灰反應活性提供重要依據.結果表明,磨細的透輝石凈漿試塊抗壓強度在3、7和28 d齡期時分別為9.83、12.79和18.87 MPa,顯示出磨細的透輝石具有火山灰反應活性.磨細透輝石的水化產物以C-S-H凝膠為主.核磁共振結果顯示,隨著水化反應的不斷加深,處于Q²結構狀態的硅原子比例有所減少,生成的C-S-H凝膠的鋁/硅比低于原始結構的透輝石.隨著養護齡期的增加,僅有少量石膏參與反應,Ca(OH)₂會被大量消耗,水化產物逐漸增多.未參與反應的石膏顆粒起到填充作用,也有助于促進體系強度的持續增長.

含水率對放礦松動體形態的細觀影響

李濤, 吳愛祥, 王洪江, 尹升華, 馮云田

2018, 40(6): 665-672. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.003

[摘要](753)

[PDF 681KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
為從細觀尺度研究礦巖含水率對自然崩落法放礦松動體形態的影響,對非飽和礦巖顆粒間的受力進行了分析,并分別將放礦場內細顆粒流與大塊離散礦巖利用格子波爾茲曼法與離散元法處理,基于格子波爾茲曼法-離散元法耦合算法建立自然崩落法放礦模型,得出含水率與放礦松動體形態間的關系,并通過將模擬結果與已有研究結論進行對比分析,驗證了基于格子波爾茲曼法-離散元法耦合算法的放礦模型準確性及可靠性.研究表明:礦巖含水率對放礦松動體形態影響顯著,在同等礦巖放出質量分數情況下,隨著含水率的增大,放礦松動體高度呈先增大后減小的趨勢,放礦松動體形態先逐漸變為細長型再逐漸恢復,放礦松動體形態變化的含水率臨界值在10%左右.

膏體濃密機扭矩計算模型及其影響因素

王洪江, 周旭, 吳愛祥, 王貽明, 楊柳華

2018, 40(6): 673-678. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.004

[摘要](1269)

[PDF 481KB](69) [施引文獻] ()

摘要:
基于泥床料漿的非牛頓體特征,以及料漿初始剪切應力與濃度的變化規律,本文提出了耙架扭矩計算模型.模型預測結果顯示,耙架扭矩隨底流濃度升高而增大,底流濃度對濃密機運行時的扭矩百分比的影響幅度可達4.67%,兩者呈現為多項式函數關系.與此同時,泥床高度對耙架扭矩影響較小,影響幅度僅為0.27%.通過某鉛鋅礦膏體濃密機64 h運行過程實時監測數據對比,驗證了模型關于底流濃度和泥床高度對扭矩的影響規律.

某低品位鐵礦回轉窯還原結圈物特性及其形成機制

黃柱成, 沈雪華, 易凌云, 朱順偉, 鐘榮海

2018, 40(6): 679-689. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.005

[摘要](851)

[PDF 1585KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
回轉窯結圈一直以來是制約煤基回轉窯直接還原工藝發展的重要因素,以某低品位鐵礦回轉窯還原結圈物為研究對象,深入研究回轉窯結圈物的特性及其形成機制.從結圈物的宏觀形貌、物化性能、軟熔特性和微觀結構入手對某低品位鐵礦球團回轉窯結圈物的特性進行分析,并結合熱力學相圖、化學物相及能譜分析研究了結圈物的形成機制.結果表明:結圈物由熔融物包裹球團形成,接近窯壁,其熔融包裹物增多,結圈物中MFe、CaO含量明顯增大,軟熔溫度越低;由球團粉末中FeO與SiO₂形成的鐵橄欖石及煤灰帶入的CaO而形成的鈣鐵輝石低熔點相是造成結圈的主要原因;低熔點相的存在同時也促進了金屬化球團間鐵晶粒的相互擴散與遷移,從而加劇了結圈現象.

高爐焦炭石墨化過程中的微觀組織和冶金性能演變

湛文龍, 孫崇, 余盈昌, 龐清海, 張軍紅, 何志軍

2018, 40(6): 690-696. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.006

[摘要](767)

[PDF 805KB](13) [施引文獻] ()

摘要:
當前低碳高爐冶煉條件下使得爐內焦炭層變薄,惡化了料柱的透氣透液性,焦炭在爐缸高溫區石墨化過程中產生的焦粉是導致該現象出現的主要原因之一.為了研究焦炭在高爐下部的石墨化過程對其在爐缸內的冶金性能影響,研究了1100~1500℃不同溫度下焦炭的石墨化度改變;同種焦炭石墨化程度與焦炭反應性及反應后強度之間的關系;不同石墨化度焦炭與堿金屬侵蝕之間的關系;觀察并分析了試驗后不同焦炭試樣的微觀形貌.結果表明,隨著溫度的升高,焦炭石墨化程度加深,且溫度每升高100℃,焦炭石墨化度約提高1.8倍,層間距d₀₀₂值約降低2%,微晶結構層片直徑L_a值約提高3%,層片堆積高度L_c值約提高15%;焦炭的表面氣孔減少,特別是大氣孔減少,焦炭表面鑲嵌組織減少,各向同性組織增多,焦炭的結構有序化程度增強.隨著焦炭石墨化程度的加深,焦炭的反應性逐漸減小、反應后強度逐漸提高,焦炭表面的劣化情況減弱,生成的大氣孔減少,氣孔壁破壞趨勢減弱.堿金屬對焦炭的反應性有促進作用,使焦炭的反應性提高,反應后強度降低.而焦炭的石墨化對焦炭的堿侵害具有一定的抵抗作用,降低了焦炭表面的劣化程度.

浸入式水口對結晶器鋼水流動與液面波動的影響

張開天, 劉建華, 崔衡, 錢學海, 鄧深

2018, 40(6): 697-702. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.007

[摘要](873)

[PDF 944KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
以國內某鋼廠220 mm×1800 mm板坯連鑄結晶器為原型,根據相似性原理建立相似比為0.6的水模型,利用粒子圖像測速技術(PIV)對比不同浸入式水口(SEN)的出口角度、浸入深度及水口底部結構條件下的結晶器內流場流速特征,同時使用波高儀對液面波動振幅進行實時監測,并結合F數分析各SEN條件對結晶器內鋼液流動特征.研究發現,在各浸入式水口條件下,位于結晶器液面1/4寬面處附近出現矢量流速向下的剪切流,同時在水口附近發現不規則漩渦.試驗結果表明:浸入式水口的出口角度、浸入深度的增加能夠強化上回旋區緩沖作用,降低結晶器液面表面流速;盡管凹底結構SEN能減弱鋼液湍動能,但其對1/4寬面處剪切流速度的影響不大.另外,液面波動幅度和F數變化規律一致,且當浸入式水口出口角度15°、20°,浸入深度135 mm、145 mm條件下波幅與F數最為合理,從而減小或避免液面卷渣,提高連鑄坯質量.

高錳鋼高速沖擊時剪切區TRIP行為的準原位分析

林穎, 王強, 楊平

2018, 40(6): 703-713. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.008

[摘要](698)

[PDF 1608KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
利用背散射電子衍射技術對高速沖擊前后高錳鋼樣品強制剪切區域的晶粒進行準原位觀察,分析了剪切區域不同位置晶粒的相變情況,并借助有限元模擬及受力計算對不同晶粒相變程度差異的原因做了進一步分析.結果表明,在高速變形下,應力應變水平、奧氏體取向及晶粒間的相互作用共同影響TRIP行為:應力應變水平越高,相變程度越大;由于帽型樣中剪切應力的存在,相比于近〈111〉取向奧氏體,近〈100〉和近〈110〉取向奧氏體相變程度更大,近〈110〉取向相變程度最大.具有有利取向的奧氏體,晶粒尺寸越大,其相變行為受周圍晶粒影響越小,越容易充分相變;具有有利取向的長條狀奧氏體晶粒,若其兩側晶粒難相變,則該晶粒相變將受到束縛;帶有尖角的晶粒,變形時應力集中難以釋放,易發生相變;當晶粒的孿生分力大于滑移,但其最大和次大的孿生分力相差不大,可能導致在這兩個方向孿生互相競爭,反而不易相變.高速變形時體心馬氏體多在晶界應力集中處產生,很少在晶粒內部大量產生,形態多為細片狀,變體選擇強.

碳納米紙復合材料的拉伸應變協同性

霍慶生, 金嘉琦, 王曉強, 盧少微, 馬克明, 張璐, 徐濤

2018, 40(6): 714-720. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.009

[摘要](973)

[PDF 433KB](18) [施引文獻] ()

摘要:
由于碳納米紙與復合材料具有良好的界面結合性能,以及良好的導電導熱性能,因此可以被用于復合材料的全壽命健康監測.本文制備了碳納米紙及其傳感器,以及在不同位置嵌入碳納米紙傳感器的復合材料,并進行拉伸加載卸載測試.獲得了碳納米紙傳感器電阻變化率隨傳統應變片測得的復合材料層合板應變的變化趨勢,擬合得到了碳納米紙傳感器的應變傳感系數,闡明了復合材料在變形時的協同性,證明了碳納米紙傳感器可以用于復合材料的拉伸疲勞損傷監測.

鈦合金擠壓用含NaCl新型玻璃潤滑劑的黏-溫特性、熱腐蝕及熱障性能

金峰, 倪嘉, 張志豪, 謝建新

2018, 40(6): 721-728. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.010

[摘要](949)

[PDF 925KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
以提高鈦合金熱擠壓潤滑效果為目的,研究了一種以磷酸鹽玻璃、SiO₂和NaCl為主要組成的新型玻璃潤滑劑,通過模擬擠壓實驗、掃描電子顯微鏡以及換熱系數測量裝置,重點分析了不同組成比潤滑劑的黏度-溫度曲線、高溫下潤滑劑對鈦合金的腐蝕作用、潤滑條件下鈦合金與模具鋼之間的換熱特征.結果表明,磷酸鹽玻璃、SiO₂和NaCl的質量比為70:20:10的潤滑劑,在600~900℃之間的黏度變化幅度較小,為1.3×10⁵~9.4×10⁵ Pa·s,有利于提高鈦合金擠壓潤滑效果.950℃下潤滑劑與鈦合金的接觸時間不超過3 min時,潤滑劑對鈦合金坯料表面的高溫腐蝕作用很小,且具有消除坯料表面原有氧化層的作用;但隨高溫接觸時間的延長,鈦合金表面的高溫腐蝕程度逐漸增大.當TA15鈦合金和H13模具鋼的初始溫度分別為900和400℃、新型潤滑劑最終厚度約0.1 mm時,鈦合金和模具鋼之間的界面換熱系數隨實驗時間的延長由185增加到1714W·m^-2·s^-1,而傳統鈦合金熱擠壓用硅酸鹽玻璃潤滑劑為286~2025 W·m^-2·s^-1,表明新型玻璃潤滑劑具有較好的高溫熱障性能.

鋰離子電芯用電極對溫度與SOC的敏感性

安富強, 周偉男, 李平

2018, 40(6): 729-734. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.011

[摘要](810)

[PDF 620KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
采用阻抗譜技術,對2.8 A·h 18650電芯進行拆解解析,單獨分析正負極電極在不同溫度下(25、10和-5℃),不同荷電狀態下的阻抗變化.結果表明:在不同溫度下,在20%~100%荷電狀態下,負極作為控制電極,其反應電化學阻抗是正極的數倍,尤其是在-5℃,達到了4倍,負極是電芯一致性問題中動力學因素的控制主因;在0~20%荷電狀態下,在10和25℃下,正極的反應電化學阻抗要遠遠大于負極,正極成為控制端.結合目前電動車上動力電池的實用荷電狀態一般在20%~95%,針對該2.8 A·h 18650電芯,提高負極電極的一致性是核心所在.同理,對其他類型電芯而言,在電芯設計過程中,在綜合考慮成本的前提下,需要更有針對性地提高正負極的一致性標準,從而更為有效地改善整個電芯產品的一致性.

移動床固體顆粒繞流順排圓管的過程

鄧升安, 樓國鋒, 徐科珺, 溫治, 劉訓良, 豆瑞鋒, 蘇福永

2018, 40(6): 735-742. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.012

[摘要](639)

[PDF 924KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
工業中常用帶埋管的移動床來加熱或冷卻固體顆粒物料,其過程涉及顆粒流與管壁間的復雜傳熱,而顆粒繞流圓管的流動過程對其傳熱效果起著決定性作用.為簡化描述顆粒的流動過程,通過分析顆粒繞流圓管的特性,建立了擬漏斗流模型,并給出了模型所需顆粒繞流圓管描述參數的取值范圍,模型可用以求取顆粒繞流圓管的速度場和時長等參數.建立了埋管移動床實驗系統,考察了顆粒繞流順排管束的過程;同時利用離散單元法(DEM)對該過程進行數值模擬,獲得了顆粒繞流圓管的流動過程,并利用移動床實驗結果對比驗證了離散單元法數值模擬結果;最后,對比了基于擬漏斗流模型的計算結果和離散單元法數值模擬結果,并根據此結果對擬漏斗流模型的描述參數進行了確定.

基于UWB的地下定位算法和拓撲優化

孟宇, 肖小鳳, 趙坤

2018, 40(6): 743-753. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.013

[摘要](795)

[PDF 1123KB](24) [施引文獻] ()

摘要:
地下定位面對環境惡劣、干擾、多徑等影響,常規算法難以獲得高精度的定位結果,同時井下環境多為狹長的巷道,不利于布置定位所需的錨節點,而井下錨節點的布置通常對定位結果有較大影響,因而使用普通的定位方法不足以滿足智能采礦所需的高精度定位需求.本文對傳統的三邊定位算法進行分析,總結了傳統三邊定位結果產生誤差的原因,并提出了改進的算法,通過仿真實驗驗證了改進算法的有效性.同時通過理論分析誤差帶,使用最大絕對定位誤差用于仿真分析拓撲結構對定位結果精度的影響,提出了對拓撲結構的優化原則,能夠根據環境特點以實現定位區域內平均最大絕對定位誤差最小為原則得出最優拓撲結構.文中設置了仿真實驗和實地實驗對改進的算法和拓撲結構優化方法進行了驗證,實驗結果中,改進的算法能夠在相同拓撲結構下減小15%~43%的誤差,而在相同算法下優化的拓撲結構能夠減小17%~65%,二者結合能夠減小誤差達74%.結果表明,在相同的定位條件下,改進的定位算法能夠明顯提高定位結果的精度,同時定位結果與拓撲結構之間也有著密切的聯系,根據實際環境靈活布置拓撲結構能夠使定位結果的精度進一步提高,將改進的算法與拓撲結構優化方法結合可以實現更高的定位精度.

熱冷循環下外墻外保溫系統耐候性能數值模擬

程杰, 許鑫華, 張曉穎, 竇鵬, 石蕓慧, 張茜, 黃振利

2018, 40(6): 754-759. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.014

[摘要](796)

[PDF 495KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了從墻體溫度穩定性角度探討外墻外保溫系統的耐候性能,利用ABAQUS有限元軟件,對采用膠粉聚苯顆粒保溫漿料涂料飾面的外墻外保溫墻體,建立三維瞬態熱結構耦合模型并進行數值模擬分析,計算其在熱冷循環下不同功能層的實時溫度場、熱應力及位移分布.計算結果表明:在熱冷循環過程中,涂料飾面層溫差最大,墻體內飾面層溫差最小,日變化量在2℃以內;沿墻厚方向保溫漿料層溫度變化率均大于其他材料.涂料飾面層經歷拉壓循環,低溫時受拉,高溫時受壓;在整個循環過程中基層墻體內表面始終受壓,基層墻體內應力變化幅度較小.與保溫漿料層相比,界面砂漿層所受應力較大,保溫漿料層應力幾乎為零.沿墻厚方向最大位移出現在保溫漿料層.

基于心率監測的建筑工人生理疲勞分析

徐明偉, 金龍哲, 張驎, 于露, 劉建國, 田興華

2018, 40(6): 760-765. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.06.015

[摘要](876)

[PDF 417KB](33) [施引文獻] ()

摘要:
人體在進入疲勞狀態時生理參數會發生相應的變化.為了探討砌磚工人在持續體力勞動作業時心率和心率變異(HRV)對人體生理疲勞的影響,針對疲勞與心率的關系提出評價生理疲勞的數學模型.選取15名健康受試者(男性)在搭建的86 cm平臺模擬砌磚工人作業.持續作業30 min進行一次心率變異數據的收集.同時,使用心率傳感器對心率進行實時監測.本文采用方差分析、t檢驗和非線性擬合的方法對疲勞對心率和心率變異的影響進行分析.結果表明,生理疲勞使心率波動程度有顯著變化(檢驗水準α=0.05水平,概率P<0.05),隨著生理疲勞程度的加重,人體心率需要更長的時間才能恢復至正常值.受試者HRV并無顯著性差異(α=0.05,P>0.05).非線性擬合結果(R²=0.8892)顯示,生理疲勞的發展趨勢呈現出"S型"的趨勢.據此提出,生理疲勞分為3個階段:疲勞調整期、疲勞穩定期和疲勞失穩期.在疲勞失穩期前(試驗中約為90min)受試者休息,可以減緩或延遲生理疲勞的發生.