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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2021年第43卷第4期

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全尾砂膏體流變學研究現狀與展望（下）：流變測量與展望

吳愛祥, 李紅, 程海勇, 王貽明, 李翠平, 阮竹恩

2021, 43(4): 451-459. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.002

[摘要](2067)

[HTML全文] (1101)

[PDF 1166KB](164) [施引文獻] ()

摘要:
膏體充填是推動金屬礦綠色開采發展的關鍵技術，并可為資源的深部開采提供安全、綠色、高效的技術支撐。全尾砂膏體流變學是膏體充填技術的基礎理論，本文在綜述膏體流變概念、特性與模型的基礎上，進一步對流變測量技術現狀進行了系統梳理，概述了現階段常用的漿式旋轉流變儀、坍落筒、L管、傾斜管及環管法進行流變測量的原理及應用，針對膏體這一屈服型非牛頓流體，重點分析了屈服應力的測量，并對以上方法的適用性進行了綜合論述。流變測量深刻地影響著膏體流變理論及膏體充填工藝的發展，為此，對測量技術的關鍵問題進行了探討，指出構建膏體流變測量標準及加強流變測量技術與充填工藝的結合是重點，并對膏體流變學研究的發展趨勢進行了展望。

異相類Fenton催化劑降解廢水中抗生素研究進展及發展趨勢

邱述興, 韓星, 張梅, 郭敏

2021, 43(4): 460-474. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.002

[摘要](4371)

[HTML全文] (648)

[PDF 1331KB](102) [施引文獻] ()

摘要:
水中抗生素具有成分復雜、毒性高和難于生物降解等特點，成為近些年水處理領域的研究熱點。均相Fenton氧化技術（Fe²⁺/H₂O₂體系）因其反應快速、簡單高效而備受青睞。而異相類Fenton氧化技術采用鐵基固體催化劑代替液相Fe²⁺，能夠有效減少含鐵污泥的生成，同時拓寬反應的pH值范圍，且催化劑可以回收利用，在近些年得到了快速發展，將其應用于抗生素的降解也取得了理想的效果。從異相類Fenton催化原理出發，綜述了異相類Fenton催化劑降解抗生素的研究進展。基于異相類Fenton催化劑的核心問題，重點闡述了改善催化性能的方法、措施以及新的觀點。針對異相類Fenton技術降解抗生素存在的問題提出了今后的發展方向。

無人駕駛車輛路徑跟蹤控制研究現狀

白國星, 孟宇, 劉立, 顧青, 王國棟, 周碧寧

2021, 43(4): 475-485. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.12.003

[摘要](3719)

[HTML全文] (1204)

[PDF 832KB](621) [施引文獻] ()

摘要:
近年來路徑跟蹤控制的發展十分迅猛，研究者們發表了大量的研究成果。考慮到在相同或相近工況下的路徑跟蹤控制存在一些共性的技術問題與解決思路，從低速路徑跟蹤控制和高速路徑跟蹤控制兩個角度對近年來的研究成果進行了回顧。在關于低速路徑跟蹤控制的研究工作中，研究者們較為重視前輪轉角速度約束等系統約束對路徑跟蹤精確性的影響。目前減少系統約束影響的方法包括在規劃參考路徑時將系統約束納入考慮，采用預瞄控制使控制器提前響應，以及采用線性模型預測控制（LMPC）或非線性模型預測控制（NMPC）等模型預測控制方法作為路徑跟蹤控制方法等。考慮到NMPC既能減少系統約束的影響，又無需人為設置預瞄距離，且對定位誤差等擾動因素具有較強的魯棒性，加之低速路徑跟蹤控制對實時性的需求較低，因此可以認為NMPC能夠滿足低速路徑跟蹤控制的絕大多數需求。高速路徑跟蹤控制在受系統約束影響之外，還面臨著較高車速帶來的行駛穩定性不足問題的挑戰，因此常采用能夠將動力學層面的復雜系統約束納入考慮且計算成本較低的LMPC作為路徑跟蹤控制方法。不過僅采用動力學層面的LMPC控制方法無法完全解決高速路徑跟蹤控制中路徑跟蹤精確性和車輛行駛穩定性之間存在耦合的問題，目前常見的解決思路是在路徑跟蹤控制中加入額外的速度調節或權重分配模塊。此外，在高速路徑跟蹤控制中，地面附著系數等環境參數的影響也較大，因此地面附著系數等環境參數的估算也成為了高速路徑跟蹤控制領域的重要研究方向。

常規鹵化物和高分子材料抑制尾礦庫揚塵的試驗

趙筠康, 魏作安, 楊永浩, 路停, 王文松, 李世龍

2021, 43(4): 486-494. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.23.002

[摘要](1945)

[HTML全文] (1112)

[PDF 1123KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
選取溶液質量濃度、溶液噴灑量以及外部風速作為變量，通過室內試驗考察了常規鹵化物和高分子材料對揚塵控制的效果。以抗風蝕能力和結殼抗破壞能力為響應變量。結果表明，隨著抑塵劑濃度的增加和噴灑量的增加，結殼的抗風蝕性和抗破壞性可以得到提高。在鹵化物溶液中，CaCl₂的抑塵性能最好。在風速為7.5 m·s^?1的條件下，CaCl₂噴灑量為4.5 L·m^?2，且其質量濃度為50 g·L^?1時，尾礦質量損失量為0.75 g·m^?2·min^?1，貫入阻力為466 kPa。在高分子材料中，聚丙烯酰胺的抑塵效果最好。在風速為7.5 m·s^?1的條件下，聚丙烯酰胺噴灑量為4.5 L·m^?2，且其質量濃度為0.5 g·L^?1時，尾礦質量損失量為0.30 g·m^?2·min^?1，貫入阻力為248 kPa。抑塵劑的選取可根據當地年均風速確定，年均風速較大時，可選擇聚丙烯酰胺作為尾礦庫抑塵劑，反之則可選擇CaCl₂為尾礦庫抑塵劑。

硫化銅礦粒孔隙模型重構與溶液滲流模擬

尹升華, 宋慶, 陳威, 陳勛

2021, 43(4): 495-502. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.002

[摘要](3504)

[HTML全文] (880)

[PDF 1442KB](78) [施引文獻] ()

摘要:
以次生硫化銅礦粉為原料，添加黏結劑、氯化鈉制備礦粒，并借助CT掃描技術、圖像處理及三維重構方法，開展了單個礦粒浸出試驗，探究了溶浸前后礦粒內部的孔隙變化；運用COMSOL Multiphysics模擬仿真軟件，構建了溶液在孔隙通道中流動的仿真模型。結果表明：經過一周時間的溶浸，礦粒內部孔隙的數目、平均體積、平均表面積及孔隙平均等效直徑分別增長了99%、151%、223%和90%，孔隙率增長了4倍，孔隙連通度增長了近2倍。在孔隙通道較狹窄的區域和底部區域，溶液的流速、壓力急劇增加，對礦粒結構的穩定性產生較大影響。

云南某膠磷礦AMICS工藝礦物學研究及其難選機理探討

吳中賢, 陶東平

2021, 43(4): 503-511. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.24.001

[摘要](3422)

[HTML全文] (887)

[PDF 1388KB](72) [施引文獻] ()

摘要:
為了深入探討膠磷礦難選的具體原因，采用化學分析、X射線衍射以及礦物自動分析系統（AMICS）測試手段對云南某膠磷礦浮選給料進行了系統深入的工藝礦物學研究，探索了該礦樣難浮選分離的內在機理。結果表明：該樣品中磷主要以氟磷灰石形式存在，其脈石礦物以白云石和石英為主。氟磷灰石的嵌布粒度較細，主要分布于10～75 μm的粒度范圍，其單體解離度為59.17%。除了以單體的形式存在以外，氟磷灰石主要與白云石、石英連生，連生體的質量分數分別為26.23%和9.92%。而白云石和石英的單體解離度相對較低，分別為46.82%和39.10%。進行了粗選脫鎂、一粗兩掃脫硅的閉路流程浮選試驗，獲得了精礦P₂O₅品位為29.75%、P₂O₅回收率為81.95%，SiO₂品位為12.63%的浮選指標。結合工藝礦物學分析結果，指出該浮選樣品中膠磷礦嵌布粒度細、難以獲得較好的解離度、泥化嚴重是浮選難于獲得更好指標的主要原因。

基于3參數Weibull分布鋼筋混凝土鹽腐蝕環境中可靠性壽命分析

路承功, 魏智強, 喬宏霞, 李刊

2021, 43(4): 512-520. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.04.001

[摘要](1651)

[HTML全文] (851)

[PDF 1129KB](78) [施引文獻] ()

摘要:
為研究鋼筋混凝土在耦合鹽環境中的腐蝕劣化規律及壽命分布，將鋼筋混凝土試件置于0.32 mol·L^?1 NaCl和0.4 mol·L^?1 MgSO₄鹽溶液中，利用電化學工作站定期無損檢測，以極化曲線、交流阻抗圖譜及電化學參數指標進行耐久性分析，選擇3參數Weibull進行可靠性建模，通過Anderson-Darling法（A-D）進行先驗假設檢驗，采用相關系數優化法(CCOM)、極大似然法(MLM)及矩估計法(MEM)進行參數估計，綜合可靠度曲線、密度曲線、失效率曲線對鋼筋混凝土在氯鹽、硫酸鹽、鎂鹽腐蝕環境中的壽命進行分析，研究結果表明：腐蝕離子綜合作用下，極化曲線逐漸向腐蝕電流密度增大和負電位方向移動，交流阻抗圖譜不斷左移并向阻抗實部收縮，鋼筋銹蝕發生的阻力逐漸減小，概率逐漸增大。可靠性壽命曲線初期保持不變，后期加速下降，密度曲線呈單峰對稱狀，失效率曲線初始基本保持不變，后期線性增加。3種參數估計方法中，CCOM和MLM參數估計值相近且穩定準確，所得可靠性壽命曲線相似，MEM參數估計值誤差較大，對于鋼筋混凝土加速試驗得到的小樣本失效數據建議用CCOM和MLM進行參數估計，并進行可靠性壽命分析。C35鋼筋混凝土在硫酸鎂及氯化鈉腐蝕環境中的可靠性壽命周期約為760 d。

污酸中有價成份的綜合利用及有害元素As的去除工藝試驗研究

張二軍, 周康根, 張雪凱, 陳偉, 彭長宏

2021, 43(4): 521-528. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.09.005

[摘要](1862)

[HTML全文] (377)

[PDF 1106KB](35) [施引文獻] ()

摘要:
目前我國大型冶煉企業產生的污酸均被當做一種高濃度重金屬廢水來處理，不僅需要高額的廢水處理費用，而且還會產生大量的廢水處理渣。結合污酸及氧化鋅煙灰的主要成份，采用循環浸出工藝，利用污酸對氧化鋅煙灰進行浸出，浸出完全后，綜合回收浸出液中的Cu、Zn、As。實驗研究了終點pH、浸出溫度、浸出時間對污酸一次浸出和二次循環浸出的影響，以及雙氧水加入量、溫度、時間對一次除As的影響和硫化鈉加入量、溫度、時間對二次除As的影響。實驗表明：最佳一次浸出條件為終點pH值為1.5、反應溫度為85 ℃、反應時間為5 h；最佳二次循環浸出條件為終點pH值為4、反應溫度為85 ℃；最佳一次除As條件為每毫升二次循環浸出液添加0.067 mL雙氧水、反應溫度為40 ℃、反應時間為1.5 h；最佳二次除As條件為每毫升一次除As后液添加0.02 g硫化鈉、反應溫度為35 ℃、反應時間為2 h。污酸綜合利用后, 原來的高濃度重金屬廢水變成了中性廢水，其中的重金屬（As、Cu、Zn）質量濃度分別降至3.26、2.63和50.63 mg·L^?1，稍加處理即可達到污水綜合排放標準。此工藝既綜合回收了污酸和氧化鋅煙灰中的有價成份，又集中處理了有害元素As，消減了危險廢物的產生量，達到了節能減排的目的。

含氟連鑄保護渣黏度檢測與預測模型

趙忠宇, 趙俊學, 譚澤馨, 屈波樵, 崔雅茹

2021, 43(4): 529-536. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.03.002

[摘要](1457)

[HTML全文] (656)

[PDF 1001KB](59) [施引文獻] ()

摘要:
采用旋轉柱體法對不同類型的含氟連鑄保護渣黏度進行檢測，并基于Arrhenius方程通過非線性回歸分析建立了新的黏度預測模型，分析了組分變化對黏度的影響。結合模型計算和實驗檢測，建立了CaF₂?Na₂O?Al₂O₃?CaO?SiO₂?MgO渣系的等黏度圖。結果表明，與傳統的含氟連鑄保護渣黏度預測模型相比，該模型計算的偏差在10%以內，當渣中w（CaF₂）超過20%時，偏差逐漸增大，主要由于氟化物揮發造成爐渣成分變化，最終黏度實測值與爐渣初始成分不符，造成模型無法對黏度有效預測。此外，研究發現，CaF₂的增加能顯著降低爐渣黏度，而Al₂O₃和Na₂O對黏度的影響受CaF₂含量的限制。當w(CaF₂)>17%，爐渣黏度隨Al₂O₃含量增加而減小，當w(CaF₂)<17%，Al₂O₃的增加使爐渣黏度顯著增大；當w(CaF₂)>11.5%，爐渣黏度隨Na₂O含量增加顯著下降，當w(CaF₂)<11.5%，Na₂O含量變化對黏度的影響并不明顯。此外，該等黏度圖表明低黏度區w(CaF₂)接近14%。通過調整等黏度圖中各組分比例，可以改善保護渣的黏度和流動性，供鋼鐵工業應用。

總氧含量對齒輪鋼中非金屬夾雜物的影響

何肖飛, 胡成飛, 徐樂, 王毛球

2021, 43(4): 537-544. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.05.001

[摘要](2650)

[HTML全文] (734)

[PDF 1419KB](143) [施引文獻] ()

摘要:
為了保證齒輪鋼中非金屬夾雜物的控制，并確定齒輪鋼經濟合理的總氧含量控制目標，開展了總氧含量對齒輪鋼中非金屬夾雜物的影響研究。以三種不同總氧含量的Mn–Cr系齒輪鋼為研究對象，利用Aspex掃描電鏡、極值法、疲勞測試等不同方法研究了齒輪鋼中非金屬夾雜物數量、分布、尺寸等，獲得了夾雜物與齒輪鋼總氧含量的對應關系。在本文實驗條件下，隨著總氧含量的降低，鋼中氧化物夾雜數量不斷減小，其中5～10 μm的小尺寸夾雜物減小最明顯，而10 μm以上的大尺寸夾雜物數量變化規律不明顯。另外，極值法和疲勞試驗結果表明，總氧含量高時（質量分數為0.0013%），鋼中最大氧化物夾雜尺寸也較大，比總氧質量分數為0.0010%和0.0005%的實驗鋼的最大夾雜物尺寸高10 μm以上，且當總氧含量比較低時（質量分數≤0.0010%），實驗鋼總氧質量分數變化（0.0010%、0.0005%）對鋼中最大夾雜物尺寸影響不大。

金屬鎂中去孿晶過程與自間隙原子交互作用的分子動力學模擬

馬志超, 湯笑之, 郭雅芳

2021, 43(4): 545-551. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.18.004

[摘要](2167)

[HTML全文] (910)

[PDF 1541KB](70) [施引文獻] ()

摘要:
采用分子動力學方法研究了鎂中$\left\{ {10\bar 12} \right\}$

拉伸孿晶在剪切載荷下的去孿晶過程，并探討了去孿晶過程中孿晶界面與自間隙原子的交互作用。研究結果表明：去孿晶過程中共格孿晶界對自間隙原子具有吸附作用，自間隙原子被共格孿晶界吸附并隨之遷移，且隨著共格孿晶界的消失而被釋放。通過吸收和釋放這兩種交互作用，去孿晶過程將導致自間隙原子分布更為密集。研究進一步給出了共格孿晶界對自間隙原子的吸附機理，即共格孿晶界存在一個自間隙原子的自發吸收區，0 K下寬度約為0.752 nm，273 K下約為3.59 nm。去孿晶過程與自間隙原子的交互作用也將導致自間隙原子構型的變化。由于自間隙原子的密集分布可在更長時間尺度上誘發位錯環等晶體缺陷，這一研究有助于深入理解鎂及鎂合金的疲勞力學性能。

改性高水材料抗壓、抗剪強度特征及對比分析

張釗, 劉長武, 王一冰, 郭兵兵

2021, 43(4): 552-560. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.21.001

[摘要](4911)

[HTML全文] (752)

[PDF 1428KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
以高水充填材料為載體，用聚乙烯塑料（PE）對其進行改性，研究了改性高水材料的抗壓、抗剪強度特征，并對結果進行了對比分析。結果表明：隨PE粉摻量的增加，改性高水材料的抗壓、抗剪強度均呈現降低的趨勢，改性高水材料各應力應變曲線與純高水材料有明顯區別，純高水材料的殘余強度更高，改性高水材料的殘余強度普遍較低，而剪切位移曲線變化不明顯；PE粉的加入明顯改變了材料的生成物形貌以及微觀結構，隨摻量的增加逐漸由纖維網狀結構向絮凝塊狀結構變化，而且生成物之間更容易形成尺寸較大的貫穿孔洞；改性高水材料的抗剪強度明顯低于抗壓強度，表明改性類高水充填材料不宜用于傾角較大的煤層。

小方坯齒輪鋼連鑄過程中的宏觀偏析模擬

王亞棟, 張立峰, 張海杰

2021, 43(4): 561-568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.27.001

[摘要](4473)

[HTML全文] (880)

[PDF 1386KB](228) [施引文獻] ()

摘要:
基于國內某廠齒輪鋼小方坯連鑄生產過程，利用ProCAST軟件建立移動切片模型，能夠高效模擬連鑄過程中的宏觀偏析，模型分別模擬研究了不同過熱度、二冷水量和拉坯速度等對宏觀偏析的影響。模擬結果與碳偏析檢測結果吻合良好，驗證了移動切片模型模擬連鑄坯宏觀偏析的準確性。由于溶質浮力的影響，內弧側的宏觀偏析強于外弧側。隨著過熱度的增加，鑄坯中心碳偏析度從1.06增加至1.15。過熱度控制在25 ℃范圍內，可以保證鑄坯的宏觀碳偏析度控制在1.10范圍內。隨著連鑄二冷水量的增加，鑄坯中心偏析改善程度較小，鑄坯中心碳偏析度從1.16降低至1.13。隨著拉坯速度的增加，鑄坯中心偏析呈現加重的趨勢，鑄坯中心碳偏析度由1.14增加至1.21，拉坯速度控制在1.4 m·min^–1范圍內，可保證鑄坯中心碳偏析度低于1.15。

基于支持向量回歸與極限學習機的高爐鐵水溫度預測

王振陽, 江德文, 王新東, 張建良, 劉征建, 趙寶軍

2021, 43(4): 569-576. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.28.001

[摘要](1598)

[HTML全文] (777)

[PDF 1300KB](139) [施引文獻] ()

摘要:
選取某4000 m³級別高爐2014年至2019年時間范圍內的日平均數據，以鐵水溫度為目標函數，首先對鐵水溫度的特征參量進行線性與非線性相關性分析、特征選擇與規范化處理，獲取了顯著影響鐵水溫度的正負相關性特征參量。在此基礎上，基于支持向量回歸與極限學習機兩種算法對鐵水溫度構建預測模型，模型均可對鐵水溫度實現有效預測，基于支持向量回歸算法構建的預測模型較優，預測平均絕對誤差為4.33 ℃，±10 ℃誤差范圍內的命中率為94.0%。

面向船舶多種余熱梯級利用的TEG-ORC聯合循環性能

柳長昕, 葉文祥, 劉健豪, 呂冠澎, 趙庭祺, 董景明

2021, 43(4): 577-583. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.23.001

[摘要](2367)

[HTML全文] (1024)

[PDF 1163KB](88) [施引文獻] ()

摘要:
傳統的溫差發電（TEG）和有機朗肯循環（ORC）等技術難以兼顧船舶多種性質余熱的不同特點，且利用率較低。本文提出了一種TEG-ORC聯合循環船舶余熱梯級利用系統，研究了ORC底循環蒸發壓力變化對系統輸出功率、熱效率、多級余熱利用量和成本等重要性能的影響。結果表明，TEG-ORC聯合循環實現了發電成本和熱效率的優化，在TEG/ORC底循環比為0.615的工況下，主機煙氣余熱利用率隨ORC蒸發壓力的增加在小區間波動，系統的余熱利用功率、輸出功率和熱效率均隨ORC蒸發壓力的增加而增大，系統單位發電成本隨ORC蒸發壓力的增加而降低。在ORC蒸發壓力達到0.9 MPa時，主機煙氣余熱利用率為62.15%，余熱利用功率為1919.68 W，輸出功率為139.22 W，熱效率為7.25%，單位發電成本為3.09 ￥·(kW·h)^–1。