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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2020年第42卷第2期

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多模型自適應控制理論及應用

張玉振, 李擎, 張維存, 楊宇航

2020, 42(2): 135-143. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.25.006

[摘要](2670)

[HTML全文] (1529)

[PDF 863KB](203) [施引文獻] ()

摘要:
作為對經典自適應控制改進的控制方法，多模型自適應控制是解決復雜的大范圍參數不確定系統的一種有效途徑，并在理論和實踐中取得了豐富成果。依據控制器集的不同綜合策略，其被分為多種類型，本文旨在對加權型的多模型自適應控制進行綜述。加權多模型自適應控制的基本思路是采用“分而治之”的辦法，離線建立多個局部模型和對應的多個局部控制器，在線加權融合各個局部控制器的控制輸出，從而形成全局控制，是實現魯棒自適應控制的一類重要方法。首先比較詳細地介紹了加權多模型自適應控制研究的歷史及現狀，然后給出相關研究的新進展和一些觀點，包括新的加權算法和相應的加權多模型自適應控制系統的穩定性結果等，最后指出未來的幾個研究方向。

煉鋼?連鑄生產調度的研究進展

劉青, 劉倩, 楊建平, 張江山, 高山, 李強篤, 王寶, 王柏琳, 李鐵克

2020, 42(2): 144-153. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.30.002

[摘要](3252)

[HTML全文] (1356)

[PDF 898KB](242) [施引文獻] ()

摘要:
針對煉鋼?連鑄過程的生產調度問題，首先，對生產調度問題的研究方法進行了總結和評述，梳理了各類方法的特點及適用范圍；其次，介紹了當前國內外鋼廠典型計算機輔助調度系統的一些案例，并討論分析其特點；最后，在以往研究的基礎上，對未來煉鋼?連鑄過程生產調度問題的研究思路和方法提出了建議，針對靜態調度提出了“規則+算法”的研究思路，以國內某特鋼廠為例，提出了基于鋼廠生產模式優化的調度模型構建方法；針對動態調度提出“多工序協同”的研究思路，提出了基于多智能體的煉鋼?連鑄過程多工序工藝、質量與調度的協同控制的研究方法。優化高效的建模及求解方法是解決生產調度問題的重要手段之一，旨在改善當前鋼廠生產計劃編制水平、提高生產計劃的可執行性、加強現場實時調控，對實現煉鋼?連鑄過程穩定化、有序化、連續化運行具有重要意義。

磁場形式及參數對單纖維捕集鋼鐵行業粉塵中PM_2.5性能影響

張儷安, 刁永發, 莊加瑋, 周發山, 沈恒根

2020, 42(2): 154-162. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.004

[摘要](1347)

[HTML全文] (1061)

[PDF 2224KB](34) [施引文獻] ()

摘要:
目前鋼鐵行業已成為大氣污染防治的重點，為解決現有鋼鐵行業對于PM_2.5細顆粒難以捕集的難題，實現粉塵的超低排放。基于CFD-DPM（computational fluid dynamics-discrete phase model）方法對磁性纖維產生的磁場以及高梯度磁場等不同磁場形式下單纖維對鋼鐵行業捕集PM_2.5性能的影響進行研究，通過X射線衍射圖譜分析可知鋼鐵行業生產過程產生的粉塵因含有Fe₃O₄以及單質Fe而具有磁特性，進而提出了利用磁場來增強單纖維捕集PM_2.5性能的方法. 計算結果表明，在運動軌跡方面，磁性纖維產生的磁場會在纖維周圍形成引力區，高梯度磁場會在纖維周圍形成2個引力區和2個斥力區；在捕集性能方面，當粉塵粒徑d_p為0.5～1.0 μm，入口風速v≤0.2 m·s^?1時，高梯度磁場下磁性纖維的捕集能力要強于單一磁性纖維的捕集能力，若磁場強度H=0.5 T，磁感應強度B=0.01 T，v=0.1 m·s^?1，高梯度磁場可以使單纖維的捕集效率提高為傳統單纖維捕集的28.32倍，若B=0.01 T，v=0.1 m·s^?1，磁性纖維產生的磁場可以使捕集效率提高為傳統單纖維捕集的4.037倍；在磁性纖維產生的磁場中，當磁感應強度B≥0.03 T時，磁性單纖維對PM_2.5的捕集效率隨著入口風速的增加而減小，后趨于穩定，當B<0.03 T時，捕集效率隨入口風速逐漸減小；捕集效率隨粉塵粒徑的增加而增大. 而對于高梯度磁場，單纖維對PM_2.5捕集效率同樣隨著入口風速的增加而減小，當v>0.4 m·s^?1時，捕集效率為0，B越大，捕集效率下降越快；捕集效率隨著粉塵粒徑增大呈現先增加后減小的趨勢.

基于優化粗粒級固體燃料賦存形態的鐵礦燒結過程NO_x減排

闕志剛, 吳勝利, 艾仙斌

2020, 42(2): 163-171. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.21.001

[摘要](1639)

[HTML全文] (1389)

[PDF 1361KB](46) [施引文獻] ()

摘要:
鐵礦燒結工序作為鋼鐵行業NO_x排放的主要來源，在當前高壓環保態勢下減少其NO_x排放迫在眉睫。燒結過程NO_x主要產生于固體燃料燃燒過程，而粗粒級燃料的賦存形態會影響其NO_x排放。基于此，本研究采用可視化微型燒結燃燒裝置研究裸露型和被覆型粗粒級焦粉的燃燒行為，以及優化其配加模式對NO_x排放和燒結固結強度的影響規律，并燒結杯實驗研究兼顧NO_x減排和燒結產質量指標的適宜粗粒級燃料賦存形態。結果表明，相比裸露型粗粒級焦粉，表面被覆鐵酸鈣細粉時其NO_x排放降低約56%；分加粗粒級焦粉以調控其為裸露型時，NO_x排放增加約10%，且燒結礦強度降低，而控制粒度為0.5～3.15 mm以調控其為被覆型時，NO_x最大體積分數和N元素轉化率分別降低約8%和27%，且燒結各項產質量指標均得到改善。

鋼渣改性生物質廢棄材料制備生態活性炭及其降解甲醛性能

張浩

2020, 42(2): 172-178. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.03.001

[摘要](1757)

[HTML全文] (1362)

[PDF 727KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
以鋼渣與生物質廢棄材料為研究對象，利用鋼渣中含有的金屬氧化物對生物質廢棄材料進行改性處理獲得生態活性炭，研究鋼渣種類、鋼渣粉磨時間和鋼渣超微粉用量對生態活性炭降解甲醛性能的影響。利用X-射線熒光光譜儀（XRF）、X-射線衍射儀（XRD）、激光粒度儀（LPSA）、傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）、比表面積及孔徑測定儀（BET）和掃描電子顯微鏡（SEM）測試鋼渣超微粉的化學成分、鋼渣超微粉的礦物組成、鋼渣超微粉的粒徑分布、鋼渣超微粉的結構組成、生態活性炭的孔結構和生態活性炭的微觀形貌。結果表明：鋼渣為電爐渣，鋼渣粉磨時間為90 min，鋼渣超微粉用量為20 g制備的生態活性炭具有良好的降解甲醛性能與合理的經濟性，即10 h后甲醛降解率為57.5%。電爐渣中Fe元素與Mn元素含量高，其中Fe元素促使大量甲醛在活性炭的多孔結構中形成富集，Mn元素對富集的甲醛進行催化降解，實現吸附降解與催化降解的協同作用。適當延長鋼渣粉磨時間可以減小鋼渣超微粉的粒徑大小與改善鋼渣超微粉的粒度分布均勻程度，有利于提高鋼渣超微粉與活性炭、甲醛的降解作用面積。適量的鋼渣超微粉可以提高生態活性炭的粉化率，抵消由于孔容積與比表面積降低導致的活性炭吸附降解作用下降的問題。

Cr和Si元素對奧氏體不銹鋼組織構成及凝固路線的影響

易昊鈺, 陳思含, 王旻, 梁田, 馬穎澈

2020, 42(2): 179-185. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.003

[摘要](1814)

[HTML全文] (1955)

[PDF 841KB](102) [施引文獻] ()

摘要:
以316Ti奧氏體不銹鋼為基礎，設計不同Cr和Si元素含量的合金成分，結合Thermal-Calc熱力學模擬計算與合金鑄錠凝固組織形貌、成分分析，研究了Cr和Si元素對合金凝固組織構成的影響。研究結果表明，熱力學計算能夠獲得奧氏體不銹鋼中析出δ相的臨界Cr和Si含量。合金凝固時的元素偏析和冷卻過程中的“δ→γ”相變可對δ相析出預測產生一定影響。此外，本工作還針對δ相析出評價了兩種凝固路線判據。

基于無網格伽遼金法的連鑄坯凝固計算方法

王寧, 王旭東, 蔡來強, 姚曼

2020, 42(2): 186-193. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001

[摘要](1629)

[HTML全文] (925)

[PDF 1565KB](62) [施引文獻] ()

摘要:
為考察無網格方法求解鑄坯凝固過程的可行性，本文依據移動最小二乘和變分原理，推導并建立了基于無網格伽遼金法的結晶器內鑄坯凝固過程二維非穩態傳熱/凝固數學模型。以小方坯凝固過程為對象，分別采用節點均勻布置、加密布置、隨機布置方式，模擬分析了小方坯凝固過程的溫度場變化，并將計算結果與參考解、有限元法數值解進行了對比，結果證實無網格伽遼金法在計算精度、自適應性、網格依賴性等方面均優于有限元法。研究結果為無網格方法應用于連鑄過程的傳熱、凝固以及應力/應變行為的數值計算提供參考。

IF鋼鑄坯厚度方向夾雜物分布及潔凈度評估

高帥, 王敏, 郭建龍, 王皓, 智建國, 包燕平

2020, 42(2): 194-202. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004

[摘要](1458)

[HTML全文] (763)

[PDF 1357KB](66) [施引文獻] ()

摘要:
為了減少IF鋼生產過程中冷軋板缺陷以及降低夾雜物對鋼的成材性能的影響，重要的是明確IF鋼鑄坯厚度方向夾雜物分布規律，本文采用氧氮分析、掃描電鏡和能譜分析、夾雜物自動掃描以及原貌分析等手段進行了系統的分析。結果表明，鑄坯厚度方向T.O（總氧）和N的平均質量分數值分別為1.6×10^?5和1.7×10^?5，T.O在內弧表面1/8處最高，為2.0×10^?5，內弧1/8～3/8區間N質量分數較高，為1.8×10^?5；共統計1177個夾雜物，70%以上夾雜物的尺寸都在5 μm以內，平均尺寸為2.8 μm，內、外弧3/8處夾雜物平均尺寸較大，分別為4.0 μm、4.4 μm；鑄坯中心TiN析出量較多，內外弧表面以Al₂O₃和Al₂O₃?TiO_x為主，尺寸在5～10 μm之間，Al₂O₃?TiN在內外弧1/4處呈不規則狀，尺寸在3～5 μm；當凝固率0.646 < f ≤ 0.680時，凝固前沿液相以及δ相中開始有TiN析出，尺寸在3～6 μm之間波動。

CO₂作為RH提升氣的冶金反應行為研究

魏光升, 韓寶臣, 朱榮

2020, 42(2): 203-208. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.001

[摘要](1305)

[HTML全文] (957)

[PDF 777KB](60) [施引文獻] ()

摘要:
鋼液真空循環脫氣法（RH）精煉能夠利用高真空和鋼液循環流動有效脫氣和去除夾雜物。同時，煉鋼環境下 CO₂可與鋼液中[C]反應生成CO提高攪拌強度。因此，本文提出將CO₂作為RH提升氣進行真空精煉。針對CO₂在RH精煉過程的冶金反應行為特性，通過熱力學理論分析了極限真空條件下CO₂脫碳的有利條件及限度，同時搭建了CO₂作RH提升氣工業試驗平臺，通過工業試驗對比研究了CO₂/Ar分別作提升氣時對鋼液精煉過程的影響。結果表明，若單純考慮CO₂與碳反應，則當鋼液中[C]低于1.8×10^?6，CO₂仍然具有氧化碳元素的能力。然而，CO₂對鋼液中碳鋁元素存在選擇性氧化，當鋁含量低于一定程度時，CO₂主要參與脫碳反應；反之，CO₂則會造成一定鋁損，因此若采用新工藝需考慮鋁合金加入時機以及加入量。此外，CO₂用作RH提升氣可獲得與Ar效果相當甚至更優的脫氫效果，噴吹同等量CO₂并未造成鋼液的大幅溫降，因此CO₂完全有潛力作為RH提升氣，進而完成精煉。

基于圓環壓縮和擠壓–模擬法的Zr-4合金塑性成形摩擦因子測定

趙乙丞, 朱廣偉, 齊鵬, 張志豪

2020, 42(2): 209-215. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.07.002

[摘要](1669)

[HTML全文] (853)

[PDF 1077KB](54) [施引文獻] ()

摘要:
采用圓環壓縮法和擠壓–模擬法測定Zr-4合金有潤滑條件下的摩擦因子，討論了2種方法所測定摩擦因子存在差異的原因。研究結果表明，在模具（砧面）粗糙度Ra = 0.6 μm、實驗溫度700～800 ℃的條件下，采用圓環壓縮法獲得的Zr-4合金與模具的摩擦因子為0.18～0.27，摩擦因子隨實驗溫度的升高而增大。擠壓溫度為750 ℃時，采用擠壓–模擬法獲得的熱擠壓平均摩擦因子為0.35。測試結果存在較大差異的原因，是由于擠壓過程潤滑劑的剪切速率較圓環壓縮實驗大得多，且擠壓過程中潤滑劑所受壓應力約為圓環壓縮實驗中的兩倍，從而導致潤滑劑黏度的增大，表現為摩擦因子較高。圓環壓縮法獲得的摩擦因子更適合于Zr-4合金的鍛造等熱加工工況。

水平連鑄復合成形銅鋁層狀復合材料的組織與性能

王珺, 雷宇, 劉新華, 解國良, 江燕青, 張帥

2020, 42(2): 216-224. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005

[摘要](1836)

[HTML全文] (940)

[PDF 2022KB](69) [施引文獻] ()

摘要:
提出了一種可以制備冶金結合界面雙金屬復合板帶的水平連鑄復合成形新工藝，其具有短流程、高效的特點。采用該工藝制備了截面尺寸為70 mm×24 mm（寬度×厚度）的銅鋁復合板，獲得了可行的制備參數，研究了所制備板坯的組織形貌和性能。結果表明，銅鋁復合板制備成形過程中，會形成由金屬間化合物和共晶相組成的復合界面層。鋁液和銅板表面接觸，發生固液轉變形成（II）層：θ相。隨著銅原子不斷的向鋁液中擴散，當銅原子含量達到一定程度，θ相發生固相轉變形成（I）層：γ相。達到共晶溫度時，發生共晶轉變形成（III）層：α+θ共晶組織。其中I層和II層均為銅鋁金屬間化合物，是裂紋產生和擴展的主要區域，因此界面層厚度是決定結合強度的重要因素。通過調整工藝參數可以優化凝固過程中銅鋁復合板內的溫度場分布，進而控制復合界面層的形成過程，因此工藝參數之間的合理匹配是改善復合層組織結構和增大板坯結合強度的關鍵。

油水兩相界面處緩蝕劑的作用效果及機理

賈巧燕, 王貝, 王赟, 孟凡娟, 王清, 張雷, 姚海元, 路民旭, 李清平

2020, 42(2): 225-232. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.11.001

[摘要](1733)

[HTML全文] (1118)

[PDF 2163KB](59) [施引文獻] ()

摘要:
利用旋轉圓柱電極，結合電化學方法（電化學交流阻抗、極化曲線）、激光掃描共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡和紫外-可見分光光度法研究了流動工況下油水分層介質中緩蝕劑在油水兩相界面處的作用效果及機理。結果表明，該工況下，100 mg·L^?1十七烯基胺乙基咪唑啉季銨鹽緩蝕劑對碳鋼在油水兩相分層介質中的水區具有良好的緩蝕效果，緩蝕效率高達99%，但在油水兩相界面區域，由于油相的大量存在，導致緩蝕劑的有效質量分數降為混合前的31%，緩蝕效率僅為83%，緩蝕效果較差，碳鋼腐蝕未得到有效抑制，甚至出現了溝槽腐蝕。因此，在油區試樣腐蝕輕微，并且緩蝕劑的加入有效抑制了水區X65鋼的腐蝕。

DP590/DP780高強鋼管液壓成形的性能

崔振楠, 林利, 朱國明, 康永林, 劉仁東, 田鵬

2020, 42(2): 233-241. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.15.004

[摘要](1631)

[HTML全文] (1540)

[PDF 5803KB](65) [施引文獻] ()

摘要:
為對生產進行指導，研究了DP590/DP780高強鋼焊管在液壓成形過程中的變形行為；使用場發射掃描電鏡觀察管材周向的橫截面以確定基體的組織，通過VMHT30M顯微硬度計確定管材的焊縫及熱影響區的大小，以便研究液壓成形破裂行為；采用液壓成形試驗機對兩種管件進行液壓成形研究。實驗結果表明：管材在脹形過程中的破裂壓力比理論計算公式得到的破裂壓力大，破裂位置全部位于靠近焊縫及熱影響區的母材區域；隨著管徑的增大和長徑比的增大，管材的極限膨脹率呈現下降趨勢；在自由脹形過程中，管材的焊縫區域基本上不發生減薄，最小壁厚位于管材的熱影響區和基體的過渡區域，并且壁厚的減薄率在脹形最高點所在截面最大，越靠近管材夾持區，壁厚的減薄率越小。最終得到以下結論：管材液壓成形實驗是準確獲得管材力學性能參數的途徑；提高焊接質量有助于控制失效破裂位置；合理選擇管材的長徑比有利于管材性能的充分發揮；通過合理控制各處的減薄有利于降低液壓成形件的破裂風險。

薄帶冷連軋工作輥竄輥邊降調控功效

王曉晨, 馮夏維, 徐冬, 楊荃, 孫薊泉

2020, 42(2): 242-248. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.01.003

[摘要](1471)

[HTML全文] (1260)

[PDF 969KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
在冷連軋無取向硅鋼薄帶過程中，為了實現錐形工作輥竄動自動控制邊降，需要合理的確定功效系數與策略。這種系數的獲得，不只需要研究本道次的軋輥彈性變形、薄帶橫向流動、機架間變形對竄輥效率的影響，更重要的是需研究上游機架竄輥對下游機架的影響。這就需要高效的仿真模型來完成以上計算。基于邊降區域的金屬橫向流動理論，建立了將橫向流動視為純剪切增量的數值模型，避免了沿帶寬方向建立剛度矩陣，從而提高了計算效率。同時考慮了薄帶在機架間發生的軋后屈服流動，由于錐形工作輥竄動，打破了帶鋼斷面的等比例遺傳關系，使得軋后帶鋼在邊部區域需要縮寬并減薄來補償邊部延伸率差。所建立的數值模型通過工業現場實驗驗證，相比于原有模型具有更高的精度。完成了兩個機架連續計算，研究了上游機架竄輥對下游機架出口邊降的影響。研究發現，第一機架的邊降控制范圍最寬，第二、三機架控制范圍逐漸變窄。根據該規律設計了根據三點邊降偏差的配合調控策略，相比單點策略在工業應用中取得了更好效果。

基于外部單目視覺的仿生撲翼飛行器室內定高控制

付強, 張樹禹, 王久斌, 馮富森

2020, 42(2): 249-256. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.03.002

[摘要](1726)

[HTML全文] (711)

[PDF 1078KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
針對撲翼飛行器的定高飛行，設計了基于外部單目視覺的室內定高控制系統：通過外部單目相機獲取撲翼飛行器的飛行圖像，基于Qt編寫的地面站軟件接收圖像并利用基于OpenCV的圖像處理算法檢測撲翼飛行器上的發光標識點，獲得標識點在圖像上的像素坐標；基于卡爾曼濾波器（KF）建立標識點像素坐標的運動狀態估計器，降低環境噪聲干擾并解決了標識點被短暫遮擋的問題；分別建立常規PID和單神經元PID控制系統，通過藍牙控制撲翼飛行器的電機轉速，實現了基于圖像的撲翼飛行器室內定高飛行。對比實驗結果表明，本文設計的定高飛行控制系統可以使撲翼飛行器標記點的圖像坐標保持在外部單目相機圖像的中心橫線處。針對階躍響應信號，單神經元PID控制系統的響應速度比常規PID控制系統響應速度稍慢一些，但是控制精度明顯優于常規PID控制器，最大相對誤差為3%。