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7期

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鋼鐵行業燒結煙氣多污染物協同凈化技術研究進展

閆伯駿, 邢奕, 路培, 蘇偉, 姜博, 崔曉旭

2018, 40(7): 767-775. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.001

[摘要](2039)

[PDF 1992KB](90) [施引文獻] ()

摘要:
基于我國鋼鐵行業燒結煙氣排放標準、排放特征和現行污染物控制技術,分析了國內外先進的多污染物協同控制技術——活性炭(焦)吸附工藝、濕法脫硫除塵+選擇性催化還原協同凈化技術、循環流化床多組分污染物協同凈化工藝、高性能燒結廢氣凈化工藝、新型密相半干法煙氣集成治理技術等工藝的技術思路、特點和存在問題等,并針對鋼鐵行業的實際需求對多污染物協同控制技術的發展提出了建議.

充填物對含孔洞大理巖力學特性影響規律試驗研究

左江江, 李臣林, 騰俊洋, 張闖

2018, 40(7): 776-782. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.002

[摘要](801)

[PDF 6403KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為研究充填物對含孔洞巖石的力學特性及變形破壞特征的影響規律,室內預制加工了含孔洞及石膏充填物大理巖,分別對其進行單軸壓縮和聲發射試驗,并對破壞前后試件進行CT掃描,分析其裂紋擴展規律.試驗結果表明:(1)相比于含孔洞大理巖,石膏充填使試件的抗壓強度提高了10.62%.二者峰前特征相似,均表現為孔周裂紋起裂引起第一次應力跌落現象,峰后特征則有所不同,石膏充填使大理巖變形的局部化特征更為明顯.(2)峰后階段,含孔洞試件聲發射特征顯著,裂紋擴展迅速,石膏充填試件稍慢,表明石膏充填遏制了試件的裂紋擴展.(3)含孔洞和石膏充填大理巖的破壞模型有所區別,含孔洞試件破壞裂紋較為單一,主裂紋以張拉破壞為主,翼裂紋在試件端部較多,部分從側面貫通,形成塊體掉落.充填條件下孔洞周邊的裂紋更細更分散,小裂紋相互貫通,形成"X"狀剪切破壞.

半透水邊界砂井真空聯合堆載預壓Hansbo固結解

胡亞元

2018, 40(7): 783-792. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.003

[摘要](808)

[PDF 3427KB](11) [施引文獻] ()

摘要:
把砂井地基上下邊界視為半透水邊界,以研究頂部墊層和底部下臥層透水特性對砂井地基固結過程的影響.根據軸對稱固結方程和等應變假定,利用Hansbo法獲得了真空聯合堆載預壓下半透水邊界砂井地基的固結解答,分析了上下邊界透水系數對真空和堆載預壓固結度和沉降的影響,比較了真空單獨預壓下本文解與Indraratna等解答和周琦等解答的聯系和差別.研究表明,(1)不管真空預壓還是堆載預壓,固結時間因子相同時地基固結度隨邊界透水系數增大而增大.(2)對于真空預壓,下邊界透水系數越大,地基的最終沉降越小,固結期間時間因子相同時的沉降也越小;上邊界透水系數越大,固結期間時間因子相同時的沉降越大.(3)對于堆載預壓,不管上邊界還是下邊界,邊界透水系數越大,最終沉降不變,而固結期間時間因子相同時的沉降越大.(4)當真空預壓上邊界透水時,周琦等解答的固結度大于本文解答的固結度大于Indraratna等解答的固結度.為了提高真空預壓的最終沉降,需減少地基下邊界的透水性.

表面活性劑吐溫20對膠硫鉬礦生物浸出的促進機理

張瑞洋, 盧濤, 孫春寶, 寇玨, 魏德洲

2018, 40(7): 793-799. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.004

[摘要](789)

[PDF 2421KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
為提高膠硫鉬礦中鉬的生物浸出效率,研究了非離子表面活性劑吐溫20對氧化亞鐵硫桿菌(A.ferrooxidans)的代謝活性以及膠硫鉬礦生物浸出的影響,并采用X射線衍射、掃描電鏡對浸出產物進行表征.研究結果表明,吐溫20對A.ferrooxidans氧化Fe²⁺有明顯的抑制作用,但對S⁰的氧化則表現出一定的促進作用.吐溫20對膠硫鉬礦生物浸出的作用表現為:低質量濃度促進,高質量濃度抑制,當其質量濃度為30 mg·L^-1時,浸出40 d,Mo的浸出率由未添加時的42.21%提高至54.10%.吐溫20的加入強化了浸出過程中間產物S⁰的生物氧化作用,提高了體系中細菌濃度,同時削弱了礦物表面生成的黃鉀鐵礬和單質硫的鈍化作用,從而促進了膠硫鉬礦的氧化與溶解.

鋅電積過程中錳元素對鋁陰極的電化學行為影響

張小軍, 黃惠, 董勁, 郭忠誠

2018, 40(7): 800-807. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.005

[摘要](945)

[PDF 6327KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
傳統濕法煉鋅工藝采用純鋁板作為陰極,但隨著鋅精礦品位的降低,電解液中雜質離子含量增大,造成陰極腐蝕消耗增加.本文以鋁錳合金為研究對象,研究錳作為添加元素,與鋁形成良好鋁錳合金陰極材料的電化學行為,進一步提高鋁陰極的耐蝕性和電催化活性.采用交流阻抗、陰極極化曲線、恒電流極化曲線、塔菲爾曲線等分析方法,探討不同Mn元素含量對鋁錳合金在40℃恒溫條件,Zn²⁺ 65 g·L^-1和H₂SO₄ 150 g·L^-1溶液中電化學行為的影響.研究結果表明:相比純鋁電極,添加Mn元素的鋁錳合金電極的耐蝕性普遍提高,腐蝕電流均減小;隨著Mn含量的增加,腐蝕電流逐步降低,腐蝕電位與Mn含量增加無明顯變化規律;當Mn質量分數為1.5%時腐蝕電流達最低(1.11 mA·cm^-2),腐蝕電位最小(-1.0954 V);零電勢下,表觀電流密度i₀受Mn元素的添加影響顯著,i₀隨Mn含量增加呈現出先增大后減小的趨勢,在Mn質量分數1.5%時達到最大值3.7462×10^-16 mA·cm^-2,遠大于純鋁電極4.8027×10^-33 mA·cm^-2,整體變化幅度明顯,電極的電催化活性得到提高;不同電流密度下的析氫過電位和純鋁電極的整體接近,電化學過程均為電化學傳質步驟控制.綜合考慮電極材料的耐蝕性和電催化活性,含Mn質量分數1.5%的鋁錳合金可作為理想的電積鋅陰極使用.

白云母伴生銣礦氯化焙燒-水浸法提銣的動力學研究

陳麗杰, 黃林青, 袁露成, 田磊

2018, 40(7): 808-814. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.006

[摘要](927)

[PDF 5432KB](26) [施引文獻] ()

摘要:
采用了氯化鈣氯化焙燒-水浸法提取白云母中銣的方法.通過氯化焙燒熱重-差熱分析曲線可知,用氯化鈣混合白云母進行氯化反應的溫度要比用氯化鈉低100℃左右,且用CaCl₂氯化比NaCl更有效率.接著考察了氯化焙燒溫度對銣提取率的影響,結果表明,只有當氯化焙燒溫度提高至800℃后,才可能取得明顯的銣的氯化效果,銣的提取率即達96.71%,隨氯化焙燒溫度升高,銣的氯化速率不斷增大,特別是800℃后,銣的氯化速率明顯增大,這說明高溫有利于銣的氯化焙燒.最終對白云母與氯化鈣氯化焙燒過程進行了動力學研究.結果表明,三維界面反應方程能較好地描述該氯化焙燒反應體系,根據阿侖尼烏斯公式計算出來的活化能為42.22 kJ·mol^-1,說明白云母和CaCl₂的氯化過程的確受界面化學反應控制.

基于極限學習機(ELM)的連鑄坯質量預測

陳恒志, 楊建平, 盧新春, 余相灼, 劉青

2018, 40(7): 815-821. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.007

[摘要](1214)

[PDF 3298KB](64) [施引文獻] ()

摘要:
針對傳統基于BP神經網絡建立的連鑄坯質量預測模型訓練速度慢、適應能力弱、預測精度低等問題,本文提出一種基于極限學習機的連鑄坯質量預測方法,對方大特鋼60Si2Mn連鑄坯中心疏松和中心偏析缺陷進行預測,并與BP和遺傳算法優化BP神經網絡預測模型的預測結果進行分析對比.結果表明:BP及GA-BP神經網絡預測模型對連鑄坯中心疏松和中心偏析缺陷的預測準確率分別為50%、57.5%、70%和72.5%;而基于極限學習機的連鑄坯預測模型預測準確率更高,對連鑄坯中心疏松和中心偏析缺陷的預測準確率分別為85%和82.5%,且該模型具有極快的運算時間,僅需0.1 s.該模型可對連鑄坯質量進行迅速準確地分析,為連鑄坯質量預測的在線應用提供了一種新的方法.

GH4169合金高溫疲勞裂紋擴展的微觀損傷機制

侯杰, 董建新, 姚志浩

2018, 40(7): 822-832. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.008

[摘要](919)

[PDF 18056KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
空氣環境對高溫合金在高溫下的損傷行為有顯著影響.為了研究標準熱處理態GH4169合金在高溫疲勞裂紋擴展過程中的微觀損傷機制,在空氣環境中進行650℃、初始應力強度因子幅ΔK=30 MPa·m^1/2和應力比R=0.05的低周疲勞裂紋擴展試驗.使用掃描電鏡(SEM)及能譜(EDS)對試樣的斷口、外表面和剖面進行觀察和分析.實驗結果表明:疲勞主裂紋以沿晶方式萌生并擴展,隨后沿晶二次裂紋出現,并且其數量和長度沿主裂紋方向逐漸增加,進入快速擴展階段后,斷口呈現韌窩組織形貌;在裂紋擴展過程中,δ相與基體的界面發生氧化,使得沿晶二次裂紋沿界面擴展并產生偏折,從而起到阻礙二次裂紋擴展的作用;試樣外表面的主裂紋周圍出現晶界氧化損傷區,其尺寸和晶界開裂程度沿主裂紋擴展方向逐漸增大.

工業海洋大氣環境下陽極氧化6061鋁合金的電偶腐蝕行為

王沙沙, 楊浪, 肖葵, 黃運華, 李曉剛

2018, 40(7): 833-841. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.009

[摘要](1118)

[PDF 14168KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
在青島典型的工業海洋大氣環境下,進行硼硫酸陽極氧化6061鋁合金與不同表面狀態的30CrMnSiNi2A結構鋼偶接件的戶外大氣暴露試驗,通過電化學測試、腐蝕產物分析、力學性能檢測、斷口分析等,研究了偶接件中陽極氧化6061鋁合金的腐蝕規律與機理.結果表明:經1 a戶外大氣暴露試驗后,與鍍鎘鈦結構鋼偶接的6061陽極氧化鋁合金力學性能最優,其強度σ_b和延伸率δ分別比原始試樣下降6.45%和4.39%,遠優于與結構鋼裸材偶接的陽極氧化6061鋁合金試樣(分別下降10%和62.28%),略優于未偶接試樣(分別下降6.77%和10.74%).沿晶腐蝕和表面點蝕是導致陽極氧化6061鋁合金力學性能下降的主要原因,最嚴重的沿晶腐蝕裂紋深度達150 μm.青島大氣中的硫化物不僅會侵蝕試樣表面形成硫酸鋁,還會浸入到晶界促進沿晶腐蝕.

A356熔煉過程中Ca和Sr質量分數的變化規律及預報模型

敖曉輝, 邢書明, 郭美肖, 韓青友, 王如芬

2018, 40(7): 842-848. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.010

[摘要](864)

[PDF 3256KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
Ca和Sr是鑄造鋁硅合金中最有效的變質元素,一般在澆鑄前以中間合金的形式加入.然而在廢雜鋁熔鑄再生工業中,原料中常含有微量的Ca和Sr,預控它們在熔煉過程中的含量變化是它們再利用的前提.本文以工業A356鑄錠為原料,實驗研究了熔煉溫度和保溫時間對Ca和Sr質量分數變化規律的影響.結果表明:Ca和Sr質量分數隨著保溫時間延長均呈Exp3P2規律下降,且隨熔煉溫度升高質量分數下降速率均逐漸提高.根據熱力學和動力學分析可知,在廢雜鋁熔煉再生過程前期主要發生[Ca]和[Sr]與熔體中的氧發生氧化反應生成CaO和SrO,這些氧化物又會與Al₂O₃反應生成Al₂O₃·6CaO和Al₂O₃·SrO,經扒渣操作后Ca和Sr質量分數下降.在熔煉中后期,[Ca]和[Sr]以擴散至熔體表層還原Al₂O₃的方式使它們的質量分數降低.計算得出在660~740℃熔煉A356合金時Ca和Sr氧化反應的表觀活化能分別為182.6 kJ·mol^-1和117.8 kJ·mol^-1,兩者均受化學反應過程控制.根據Ca和Sr質量分數的變化規律建立了它們的質量分數預報模型,經生產驗證表明預報誤差均小于10%,可用于預報廢雜鋁熔煉再生過程Ca和Sr的質量分數.

Co摻雜對RGO/Fe₃O₄復合材料組織結構和吸波性能的影響

黃玉煒, 王玉江, 魏世丞, 梁義, 王博, 黃威, 徐濱士

2018, 40(7): 849-856. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.011

[摘要](863)

[PDF 5084KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
研究了Co摻雜對還原氧化石墨烯(RGO)/Fe₃O₄復合材料結構、形貌和吸波性能的影響規律.采用一步水熱法分別制備RGO/Fe₃O₄和Co摻雜的RGO/Fe₃O₄復合材料,通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射儀和X射線光電子能譜分析Co摻雜對復合材料的微觀形貌、相組成及表面元素價態的影響;利用矢量網絡分析儀測定兩種復合材料在2~18 GHz頻率范圍內的相對復介電常數和復磁導率,模擬計算了Co摻雜對RGO/Fe₃O₄復合吸波性能的影響規律.結果表明:部分Co參與了水熱反應生成了CoCO₃、Co₃O₄和Co₂O₃,還有部分Co以單質形式存在,其通過正負電荷吸引機制,影響Fe³⁺在氧化石墨烯(GO)表面的配位,使得負載在還原氧化石墨烯(RGO)表面的Fe₃O₄納米顆粒部分遷移至RGO片層間;Co摻雜改善了復合材料的導電能力和磁損耗能力,使復合材料的吸波能力顯著增強.反射率模擬結果表明:摻雜后與摻雜前相比,當匹配厚度d=2.00 mm時,最大反射損耗提高3.44 dB,有效吸收頻帶拓寬2.88 GHz;當匹配厚度d=2.50 mm時,最大反射損耗提高8.45 dB,有效吸收頻帶拓寬2.73 GHz.Co摻雜對RGO/Fe₃O₄復合材料的結構和形貌有顯著影響,并有效改善復合材料的吸波性能.

薄鋪層復合材料薄壁管軸壓屈曲行為研究

黃春芳, 肖加余, 黃展鴻, 張鑒煒, 鞠蘇, 江大志

2018, 40(7): 857-863. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.012

[摘要](852)

[PDF 4177KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
在薄壁結構的應用中,屈曲穩定性是影響其承載性能的關鍵因素,為研究減薄鋪層厚度對復合材料薄壁結構局部屈曲行為的影響,本文采用不同厚度(0.125、0.055和0.020 mm)的預浸料制備復合材料薄壁管,實驗測試了其在軸壓下的局部屈曲行為.實驗結果表明,隨著鋪層厚度減薄,實驗采用的正交和均衡兩種鋪層方式的復合材料薄壁管局部屈曲載荷均隨之提高,而屈曲失效模式沒有發生改變.力學分析表明,鋪層厚度減薄后,管壁彎曲剛度的改變和層間剪切應力分布對薄壁管局部屈曲載荷提高有重要影響.采用薄鋪層制備復合材料薄壁結構件能夠有效提高其局部屈曲能力.

氟化改性硅樹脂制備的超疏水涂層防覆冰性能

翟廣坤, 李曙林, 陳素素, 尚柏林

2018, 40(7): 864-870. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.013

[摘要](694)

[PDF 5027KB](23) [施引文獻] ()

摘要:
研究具有超疏水表面特性的疏水涂層實際防覆冰效果.首先理論分析了水滴在固體表面浸潤性影響因素,利用不同硅烷水解縮合反應制備出低表面能的含氟硅樹脂,之后引入分形理論在含氟硅樹脂中添加二氧化硅微粒制備疏水涂層.觀察摻雜微粒的涂層表面微觀結構,并測試水滴在不同涂層表面的接觸角;為直觀分析涂層防覆冰效果,將不同涂層涂覆試驗件后在結冰風洞中進行覆冰測試.結果顯示摻混不同量級微粒的疏水涂層表面形成復合粗糙結構,有著更好的粗糙度;含氟硅樹脂表面水滴接觸角較普通硅樹脂提升10°,含有不同量級粒徑微粒的涂層表面水滴接觸角較單一粒徑微粒摻混的涂層提升近20°,達到超疏水表面效果;具有復合微觀結構的疏水涂層涂覆的試驗件在5 m·s^-1和15 m·s^-1的風速下較無涂層表面覆冰減少率分別達到35.6%和25.9%,較只有一級粗糙結構的表面有效防覆冰時間長,具有較好的防覆冰能力.結果表明本文設計的超疏水涂層達到超疏水表面效果,且具有較好的防覆冰性能.

一種改進的人工蜂群算法——粒子蜂群算法

王繼超, 李擎, 崔家瑞, 左文香, 趙越飛

2018, 40(7): 871-881. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.014

[摘要](934)

[PDF 2463KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
針對經典人工蜂群算法收斂速率較慢,后期易陷入局部最優解的不足,本文將粒子群算法中"全局最優"的思想引入到人工蜂群算法的改進過程,從而形成了一種新的人工蜂群改進算法——粒子蜂群算法.首先,提出了趨優度的概念,用來衡量引領蜂在有限次迭代過程中向全局最優解靠近或遠離的程度,趨優度值可以評價個體的"發展潛力",趨優度值越低的個體,越需要增大變異的程度,以便找到質量更優的解.其次,專門設計了一種新的蜜蜂群體——粒子蜂,在引領蜂變異階段根據趨優度的大小將引領蜂變異為偵查蜂和粒子蜂,粒子蜂的出現在很大程度上增加了種群的多樣性,拓展了算法的搜索范圍.然后,通過粒子蜂群算法種群序列是一個有限齊次馬爾科夫鏈和種群進化單調性的分析,驗證了本文所提算法的種群序列依概率1收斂于全局最優解集.最后,將本文所提算法應用于多個常見測試函數,并與經典蜂群算法、近年其他文獻改進蜂群算法進行了仿真對比研究,仿真結果表明本文所提算法確實加大了種群的分散度、擴寬了搜索范圍,從而具有更快的收斂速度和更高的尋優精度.

領域QoS與資源感知的物流服務動態優化組合方法

徐園園, 劉志中, 賈宗璞

2018, 40(7): 882-891. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.07.015

[摘要](612)

[PDF 2990KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了提高物流服務優化組合的動態性、可靠性與用戶滿意度,本文提出了一種基于全局服務質量(quality of service,QoS)約束分解的能夠感知領域質量與資源需求的物流服務優化組合方法.該研究工作首先把學習機制引入人工蜂群算法(artificial bee colony algorithm,ABC),形成了具有自主學習能力的改進型人工蜂群算法(LABC);之后,應用學習人工蜂群算法(LABC)將全局QoS約束分解成每個物流子任務需要滿足的局部QoS約束,從而將QoS感知的物流服務優化組合這一全局優化問題轉化成以領域質量為依據的局部最優服務選擇問題;其次,在物流服務流程執行的過程中,在感知物流任務節點對資源需求的前提下,為每一個物流任務節點選擇一個具有最優領域QoS的物流服務;與已有的研究工作相比,該方法能夠實現物流服務動態可靠的優化組合.最后,通過模擬實驗驗證了本文所提出的方法是可行有效的.