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9期

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煉鋼過程中合金減量化研究現狀及展望

包燕平, 張超杰, 王敏

2018, 40(9): 1017-1026. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.001

[摘要](842)

[PDF 993KB](28) [施引文獻] ()

摘要:
綜述了煉鋼過程中合金減量化的研究現狀,分別從合金的基本物理化學特征、合金的加入工藝和煉鋼工藝三大方面討論了合金收得率的研究進展情況.重點介紹了合金粉化控制技術、合金在真空條件下的損失控制技術、合金的熔化控制技術和合金替代技術的應用,為煉鋼過程中的合金減量化研究提供借鑒.合金減量化技術的應用前景非常可觀,合金的損失途徑和損失機理研究、合金的結構設計、合金的替代技術和合金的管理管控技術可以作為煉鋼過程中合金減量化研究的重點方向.

膠結充填用冶金渣協同垃圾焚燒飛灰固鎘機理

楊恒, 倪文, 張思奇, 馬旭明

2018, 40(9): 1027-1035. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.002

[摘要](845)

[PDF 610KB](17) [施引文獻] ()

摘要:
膠結充填采礦協同利用垃圾焚燒飛灰是解決飛灰日益激增的新思路,可大量資源化利用飛灰并固化其中的重金屬離子.本文以礦渣-鋼渣基膠凝材料(簡稱冶金渣膠凝材料)分別結合4種城市垃圾焚燒(MSWI)飛灰制備膠凝材料,并以全尾砂作為骨料制成膠結充填料,測定充填料試樣的流動度、抗壓強度以及Cd²⁺浸出質量濃度:冶金渣-垃圾焚燒飛灰基充填料試樣的流動度為240~265 mm,滿足礦山充填的泵送要求;28 d抗壓強度均大于8.88 MPa,滿足一般礦山充填1~6.5 MPa的強度要求;Cd²⁺浸出液質量濃度低于飲用水標準5 μg·L^-1的限值.通過X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)和熱重-差示掃描量熱法(TG-DSC)分析表明膠凝材料的主要水化產物組成為鈣礬石、Friedel鹽和C-S-H凝膠;通過X射線光電子能譜(XPS)發現Cd²⁺對Al²⁺的結合能有較大影響,鈣礬石、Friedel鹽可能對鎘離子有固化作用.

響應曲面法優化Na₂S-NaOH體系浸出硫酸燒渣中的砷

王永良, 肖力, 付國燕, 劉婭, 韓培偉, 錢鵬, 葉樹峰, 陳運法

2018, 40(9): 1036-1042. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.003

[摘要](919)

[PDF 646KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
硫酸燒渣作為重要的二次資源,除砷有利于提高燒渣的價值.針對某含砷硫酸燒渣預處理脫砷的問題,采用Na₂S-NaOH體系浸出燒渣中的砷.首先采用單因素試驗確定Na₂S和NaOH的藥劑用量范圍,進而采用響應曲面法優化浸出工藝參數.結果顯示,響應曲面法優化Na₂S-NaOH體系中浸出砷的模型顯著,Na₂S、NaOH和溫度均對砷的浸出有著重要影響,且溫度越高越有利于砷的浸出,Na₂S和NaOH之間存在明顯的交互作用,在80℃、NaOH濃度為0.34 mol·L^-1、Na₂S濃度為0.12mol·L^-1時,浸出后燒渣中的砷質量分數可以降低到0.08%.

基于隨機數結構面分維數估算的改進投影覆蓋法

陳世江, 朱萬成, 王創業, 郭國瀟, 楊志東

2018, 40(9): 1043-1049. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.004

[摘要](735)

[PDF 470KB](10) [施引文獻] ()

摘要:
巖石結構面的定量化描述對于理解結構面的力學性質至關重要,投影覆蓋分形描述法是結構面定量化表征的主要方法之一.然而,投影覆蓋法計算結構面分形維數時存在三角形單元劃分的缺陷.從概率分析角度考慮,將隨機數應用于三角形單元的劃分中,提出了基于隨機數估算結構面分維數的投影覆蓋法.應用改進投影覆蓋法計算了紅砂巖結構面的分維數,獲得了120個分維值,并將其作為一個分維數樣本;然后分析了此樣本的分布特征,并將樣本均值作為結構面分維數的精準值.實例分析證明,采用改進投影覆蓋法所獲分維數樣本是來自正太分布總體;投影覆蓋法計算的分維數幾乎是改進投影覆蓋法所獲結果的極限值;基于隨機數進行三角形單元劃分更符合實際結構面形貌特征,從而計算的分維數更精準.

地下礦山生產接續與設備調度集成優化模型

李國清, 侯杰, 胡乃聯

2018, 40(9): 1050-1057. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.005

[摘要](817)

[PDF 536KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
為了實現地下金屬礦山生產接續的緊湊性、科學高效地調度生產設備,針對礦山開采工序復雜、設備資源有限、生產任務量大等特點,以最短工序時間間隔和最短總完成時間為共同優化目標構建了地下礦山生產接續與設備調度集成優化模型.通過分析地下礦山生產循環順序、作業設備類型和生產能力等生產要素,考慮工序閑置期間采場的安全隱患問題,運用改進遺傳算法對最優解進行主-從兩步驟搜索,得到地下礦山生產接續和設備調度最佳方案.以國內某大型金礦為案例進行了模型的有效性驗證,解算出礦山最優的設備調度計劃.驗證結果表明,與傳統的單一目標優化相比,模型在保證完成指定任務的同時,有效縮短工序時間間隔,并且保證了作業的安全要求.

基于里斯特操作線解析有害元素對高爐焦比的影響

王一杰, 寧曉鈞, 張建良, 焦克新

2018, 40(9): 1058-1064. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.006

[摘要](850)

[PDF 454KB](20) [施引文獻] ()

摘要:

分析了有害元素在高爐內的循環行為,結合高爐實際生產參數,運用里斯特操作線進行計算,揭示了有害元素對焦比的影響規律,建立了焦比與有害元素入爐負荷和循環富集倍數之間的定量關系.計算結果表明:有害元素在高爐內"還原-氧化-再還原"的循環過程會將高溫區的CO轉移到低溫區,降低煤氣利用率,同時消耗了高溫區大量熱量,從而使焦比升高.不同有害元素的影響程度不同.有害元素循環富集倍數對焦比影響的強弱順序為:Na > K > Zn,有害元素入爐負荷對焦比影響的強弱順序為:Zn > Na > K.進一步的分析表明,Na、Zn對高爐焦比的影響大于K.但考慮到K對焦炭劣化的作用更明顯,故要嚴格控制K、Na、Zn的入爐負荷.基于上述計算得到的定量關系,利用高爐不同有害元素入爐負荷以及焦比進行曲線擬合,預測高爐有害元素的循環富集倍數.曲線擬合結果與高爐解剖實驗結果相吻合.

超低碳鋼連鑄坯鉤狀坯殼的演變與夾雜物的捕集

肖鵬程, 樸占龍, 朱立光, 劉增勛, 趙茂國

2018, 40(9): 1065-1074. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.007

[摘要](911)

[PDF 799KB](30) [施引文獻] ()

摘要:
超低碳鋼常用于生產汽車面板等表面質量要求較高的產品.連鑄坯皮下的鉤狀坯殼很容易捕集夾雜物導致冷軋鋼板表面出現翹皮、亮/暗線等缺陷,對產品質量具有嚴重危害.采用數值模擬分析了鉤狀坯殼的形成和演變過程.將計算的初生坯殼形狀制作成物理模型,模擬了夾雜物在凝固前沿被捕集的過程,并對凝固鉤區域不同位置的夾雜物的受力特征進行了分析.結果表明,凝固鉤在彎月面中形成以后,不會直接湮沒進坯殼內,而是要經歷熔化、變粗、生長、湮沒等逐步演變的過程.數值模型預測拉速1.3 m·min^-1條件下最終存留在坯殼中的凝固鉤深度約為2.5 mm,這與實際觀察到的鉤狀坯殼的尺寸基本一致.模擬得到的鉤狀坯殼形貌與鑄坯表層和漏鋼坯殼的金相特征較為接近.夾雜物最容易在凝固鉤下表面被捕集,不容易在凝固鉤上表面被捕集,特別是對尺寸相對較大的夾雜物.但是溢流發生時,靠近彎月面處的夾雜物可能隨著鋼流進入到初生凝固鉤上部而被快速冷卻的鋼液包裹.兩道凝固鉤之間的坯殼由于其凝固前沿處于垂直分布,小于100 μm夾雜物可能被捕集而大尺寸夾雜物不易被捕集.

粉末冶金鋁合金燒結致密化過程

邱婷婷, 吳茂, 杜智淵, 曲選輝

2018, 40(9): 1075-1082. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.008

[摘要](1337)

[PDF 1116KB](63) [施引文獻] ()

摘要:
以純Al粉為主要原料,添加Cu單質粉末以及Al-Mg、Al-Si中間合金粉,利用粉末冶金壓制燒結方法制備出相對密度98%以上的Al-Mg-Si-Cu系鋁合金.研究表明,燒結致密化過程主要分為3個階段:初始階段(室溫~460℃),坯體內首先形成Al-Mg合金液相,液相中的Mg原子分別擴散至Al或Al-Si粉末中,與Al₂O₃反應并破除氧化膜,形成Al-Mg-O等化合物;同時,Al-Cu發生互擴散,形成Al₂Cu等金屬間化合物.第二階段(460~560℃),Al-Cu、Al-Si液相快速填充顆粒縫隙或孔洞,坯體相對密度顯著提高;此階段的致密化機制主要是毛細管力引起的顆粒重排,以及溶解析出導致的晶界平直化.第三階段(560~600℃),隨溫度的升高,液相潤濕性提高,晶粒快速長大,使得大尺寸孔洞填充,燒結體基本實現全致密,此階段的致密化主要由填隙機制控制.在鋁合金晶界處發現了MgAl₂O₄和MgAlCuO氧化物的存在,推測Al粉表面氧化膜的破除機制與合金成分有關.由于Al-Cu液相在Al表面的潤濕速率遠高于AlN的生長速率,因為在本體系中未發現AlN的存在.

超高強熱成形鋼的應變速率敏感性

梁江濤, 趙征志, 尹鴻祥, 路洪洲, 陳偉健, 唐荻

2018, 40(9): 1083-1090. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.009

[摘要](832)

[PDF 916KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
利用CMT5105電子萬能試驗機和HTM 16020電液伺服高速試驗機對超高強熱成形鋼進行拉伸試驗,應變速率范圍為10^-3~10³ s^-1,模擬熱成形零件在不同應變速率下的碰撞情況.結果表明:在低應變速率階段(10^-3~10^-1 s^-1)實驗鋼的應變速率敏感性不高,隨應變速率的升高,實驗鋼的強度和延伸率變化不大;在高應變速率階段(10⁰~10³ s^-1)實驗鋼具有高的應變速率敏感性,隨應變速率的升高,實驗鋼的強度和延伸率都呈增大的趨勢,并且抗拉強度的應變速率敏感性要大于屈服強度.這主要是由于在高應變速率階段拉伸時產生的絕熱溫升現象和應變硬化現象共同作用造成的.實驗鋼頸縮后的延伸率隨應變速率的增大而減小,主要是由于高應變速率下馬氏體局部變形不均勻造成的.實驗鋼吸收沖擊功的能力隨應變速率的升高而增大,實驗鋼達到均勻延伸率時吸收沖擊功的大小對應變速率更敏感.與低應變速率階段相比,實驗鋼在高應變速率階段的斷口韌窩的平均直徑更小,韌窩的深度更深,這與高應變速率階段部分馬氏體晶粒的碎化有關.通過掃描電鏡和透射電鏡觀察發現,在高應變速率拉伸時晶粒有明顯的拉長趨勢,并且在應力集中的地方有一些微空洞的存在,應變速率為10³ s^-1時部分區域有碎化的現象.

L80鋼在高氣速濕氣環境中沖蝕-腐蝕行為的環路實驗

劉國璋, 祝酈偉, 李大朋, 王貝, 胡家元, 賈巧燕, 張雷, 路民旭

2018, 40(9): 1091-1098. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.010

[摘要](691)

[PDF 1357KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
利用高溫高壓濕氣環路研究了L80鋼在高氣相流速濕氣環境中的腐蝕-沖蝕行為.利用腐蝕失重法測試了L80掛片在氣速30 m·s^-1,含水率0.0007%,CO₂分壓0.5 MPa及55℃的工況下,分別在不同的腐蝕周期下的腐蝕速率.利用激光共聚焦顯微鏡對試樣表面形貌進行了觀察,利用掃描電子顯微鏡對腐蝕產物形貌進行觀察,利用X射線衍射及能譜儀對腐蝕產物組成進行了分析.結果表明,L80鋼在高氣相流速濕氣環境下腐蝕失重嚴重,腐蝕后試樣表面出現大量的微小蝕坑,隨著實驗周期的延長蝕坑會不斷長大.該工況下產生的腐蝕產物主要成分為Fe₃C和FeCO₃.

溫度和pH值對20^#鋼鹽酸露點腐蝕行為的影響

偶國富, 趙露露, 裴克梅, 金浩哲, 王克

2018, 40(9): 1099-1107. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.011

[摘要](1049)

[PDF 1564KB](20) [施引文獻] ()

摘要:
針對常壓塔頂系統出現的鹽酸露點腐蝕,利用失重法、掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)和X射線衍射(XRD)等分析手段,對不同溫度、不同pH值下20^#鋼的鹽酸露點腐蝕速率、腐蝕形貌及腐蝕產物進行了分析.結果表明:隨溫度的增加,20^#鋼的鹽酸露點腐蝕速率呈先增加后減小的趨勢,在90℃時達到峰值;20^#鋼的鹽酸露點腐蝕速率與HCl溶液pH值負相關,隨HCl溶液pH值的增加,露點腐蝕速率快速降低;20^#鋼表面整體為均勻腐蝕,局部區域伴有腐蝕坑,溫度高于90℃時,隨溫度的升高腐蝕坑數量增多;隨pH值增大,腐蝕坑數量減少且腐蝕坑變淺,溶液中存在的氯離子(Cl^-)會加深腐蝕坑,加速腐蝕;X射線衍射分析表明:20^#鋼表面腐蝕產物膜的主要成分為α-FeOOH、Fe₃O₄和γ-FeOOH.

GCr15軸承鋼表面滲硼層生長動力學與機械性能

宗曉明, 蔣文明, 樊自田, 高飛

2018, 40(9): 1108-1114. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.012

[摘要](908)

[PDF 1030KB](31) [施引文獻] ()

摘要:
對GCr15軸承鋼表面滲硼層的生長動力學與機械性能進行了研究.采用固體滲硼的方法,在1123、1173、1223和1323 K溫度條件下,分別保溫處理2、4、6和8 h,進行滲硼層制備.采用光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、維氏硬度計等對制備的滲硼層進行組織觀察與性能分析,并通過試驗數據對滲硼層的生長動力學特性進行了研究.研究結果表明:試樣表面獲得了均勻致密的滲硼層,滲硼層的相成分主要是FeB和Fe₂B;滲硼層的厚度隨處理溫度與保溫時間的增加而增厚,變化范圍為33.4~318.5 μm;滲硼層的表面硬度隨處理溫度及保溫時間的增加而增大,主要是由于隨著滲硼層厚度的增加,高硬度FeB相的含量上升,低硬度Fe₂B相的含量下降,表面硬度HV_0.1變化范圍為1630~1950,與基體組織相比,提高了5~6倍;滲層截面硬度測試結果表明,滲層與基體之間有較寬的硬度梯度過渡;通過Arrhenius公式,對滲硼層的生長動力學方程進行了推導,可知B元素在GCr15軸承鋼中的擴散激活能為188.595 kJ·mol^-1,對推導的動力學方程進行了試驗驗證,結果表明最大誤差僅4.93%,可有效的實現對滲層厚度的預測.

基于GaN材料的特高壓輸電線路的驗電標識

陳康, 王力農, 李恩文, 宋斌, 方雅琪, 李小春, 陳天柱, 簡思亮

2018, 40(9): 1115-1122. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.013

[摘要](581)

[PDF 771KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
研制了一種無機材料構成的驗電標識,放置在導線周圍,通過電場驅動電子的運動,促進載流子復合,進而使材料發光,從而判斷帶電情況,其作為驗電標識使用非常便捷.選取了氮化鎵GaN材料進行研究,以GaN、InGaN等材料為基礎,通過溶膠凝膠法、氣相外延等方法制備接觸層、基片層、材料層等結構,進而獲得了驗電標識,該驗電標識的發光層是具有多量子肼結構的納米棒陣列.然后對其進行了電學光學性能參數測試,獲得了有關特性曲線,通過Ansoft-maxwell有限元軟件進行仿真,分析材料在特高壓輸電線路周圍的電場分布,通過試驗分析驗電標識發光所需求的電磁環境.最后模擬導線現場進行測試.研究表明,該低場致發光特性的驗電標識具有發光功耗低,發光明顯等優點,其處于所在區域的電場強度達到1.2×10⁶V·m^-1以上時,可激發發光,此時所注入電流約為1.1 mA.通過仿真和試驗分析可知帶電特高壓輸電線路周圍的空間電場強度滿足驗電標識發光指示的要求,同時空間雜散電流和材料本身的電容效應提供注入電流.該驗電標識通過材料本身發光特性來指示帶電狀態,安裝在距離特高壓導線軸線13 cm及以內的范圍即可實現驗電,通過封裝具有較好的耐候性能,同時避免了復雜的電路裝置驗電存在易受電磁干擾,可靠性差等問題.

基于改進的支持向量回歸機算法的磁記憶定量化缺陷反演

李思岐, 俞洋, 黨永斌, 陳思雨, 冷建成

2018, 40(9): 1123-1130. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.014

[摘要](736)

[PDF 479KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
針對焊縫缺陷磁記憶檢測中存在定量化反演難題,建立了基于改進的支持向量回歸機定量反演模型.以預制不同尺寸未焊透和夾渣缺陷的Q235焊接試樣為試驗材料,進行磁記憶掃描檢測發現:缺陷位置的磁記憶信號特征參數隨尺寸變化而呈現一定的變化規律,但同時存在分散性和不確定性.鑒于磁記憶信號樣本的有限性、分散性和非線性,首先將提取到的磁記憶特征參數進行歸一化處理,引入支持向量回歸機建立焊縫缺陷磁記憶定量反演模型,并進一步利用模擬退火算法對支持向量回歸機參數進行優化,使目標函數達到全局最優而非局部最優.最后,考慮到由磁記憶信號逆向反推缺陷的三維尺寸,存在解的不確定性,為此在缺陷單維尺寸反演模型的基礎上,通過構建多層結構的支持向量回歸機進行多尺寸反演輸出,建立了基于模擬退火支持向量回歸機的焊縫缺陷磁記憶定量反演模型,結果表明:未焊透缺陷尺寸反演最大相對誤差為7.96%,夾渣缺陷為4.97%,為焊縫缺陷的磁記憶反演與定量化評價提供一種新的思路.

高溫應變片的熱輸出耦合特性

王文瑞, 溫曉東, 胡挺, 張佳明

2018, 40(9): 1131-1137. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.015

[摘要](879)

[PDF 470KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
系統運用材料物理學、彈性力學、熱力學、工程測試技術的理論知識以及有限元數值仿真、實驗分析等方法,研究高溫應變片熱輸出誤差的影響因素并得出補償修正模型.首先根據材料電阻溫度效應理論及熱膨脹理論研究了高溫應變片熱輸出的耦合特性,建立耦合作用下高溫應變片的熱輸出模型,得到了構件、膠層和應變片三者耦合作用下應變片熱輸出的理論表達式;然后根據材料的電阻溫度效應推導出不同柵絲材料的電導率參數,利用有限元仿真得到不同材料柵絲的熱輸出特性,選擇其中的兩種柵絲材料作為本文的研究對象得到其在耦合作用下的熱輸出并與實驗數據對比,相對誤差小于7%.最后基于理論模型和實驗結果,建立了高溫應變片熱輸出補償模型,補償修正后結果與理論值誤差在9%以內,補償效果良好.