工程科學學報

鉻污染毒性土壤清潔修復研究進展與綜合評價

綜述了土壤中鉻的來源,土壤中鉻的賦存形式及其提取方法,國內外鉻污染土壤修復技術研究動態,探討了鉻污染土壤修復的發展方向,并對現階段主要的修復技術,諸如客土法、稀釋法、固定化和穩定化、化學還原、土壤淋洗、電動修復、生物修復等進行了詳細介紹,進而對各種修復方法的優缺點進行了對比、歸納和評價,針對不同特點、性質的鉻污染土壤給出修復方法的建議,為清潔高效修復鉻污染土壤提供參考.

工程科學學報. 2018 40(11): 1275-1287.

H13熱作模具鋼中液析碳化物的研究進展

從凝固偏析理論、凝固方法、生產工藝及合金設計等方面,綜述了H13鋼中液析碳化物的研究進展,闡明了H13鋼的生產工藝對液析碳化物析出的影響.H13鋼中的液析碳化物是由于凝固偏析而在枝晶間區域產生的,根據形貌的不同可分為多邊形、長條形、塊狀及共晶的層片狀;根據結構不同可分為MC型、M<sub<6</sub<C型、M<sub<7</sub<C<sub<3</sub<或M<sub<23</sub<C<sub<6</sub<型;根據成分的不同可分為富Mo型、富V型和富Ti、Nb型.H13鋼在服役過程中,受外力作用時會在液析碳化物處形成裂紋,嚴重降低材料的韌性,控制液析碳化物的數量和尺寸可以減小其危害.工業生產條件下控制H13鋼中液析碳化物的主要手段有凝固控制、變質處理、鑄錠高溫擴散和合金成分優化等.其中凝固過程控制及變質處理可以控制液析碳化物的尺寸、數量及在凝固過程中的生成時機,但無法完全避免液析碳化物的產生.對H13鋼進行合金成分優化可以改變液析碳化物的穩定性.鑄錠高溫擴散是控制H13鋼中液析碳化物的最主要手段,但工業生產中采用的具體加熱溫度和保溫時間有待進一步研究.

工程科學學報. 2018 40(11): 1288-1299.

稀土金屬脫除氧雜質的新技術及驅動機制研究進展

介紹了活潑金屬除氣法、等離子體熔煉法和固溶氫原子除氣法等稀土金屬脫除氧雜質的新方法,詳細歸納了將氧雜質含量限制在5×10<sup<-5</sup<以下的工藝條件.重點介紹新方法中引入活潑金屬、氫等離子體、活性固溶氫原子等各種外部驅動因素的設計思想,提出提純新技術的同時探究了痕量雜質的遷移規律及去除機制,深化對雜質存在形式、行為規律及提純機理的認識.采用FAST-2D與Stefan數值模擬技術、<sup<18</sup<O<sub<2</sub<示蹤同位素標記技術、CALPHAD相圖數據庫模擬計算技術對稀土金屬高純化的新工藝提供理論指導與評價,加深對提純驅動機制的理解.

工程科學學報. 2018 40(11): 1300-1308.

煤與瓦斯突出多指標耦合預測模型研究及應用

針對煤與瓦斯突出預測準確率問題,在分析煤與瓦斯突出瓦斯地質因素的基礎上,構建了包含瓦斯指標、煤體指標、地應力指標3個一級指標和瓦斯壓力、構造煤厚度等12個二級指標的預測指標體系,通過綜合運用網絡分析法和多類別距離判別法對灰色關聯模型中的輸入端和輸出端進行研究,建立了煤與瓦斯突出多指標耦合預測模型.該模型基于對煤與瓦斯突出瓦斯地質因素的綜合分析,計算預測指標權重,劃分煤與瓦斯突出可能性等級,建立了對突出可能性進行判別的2個判別式.以平煤八礦為例應用該模型對8組預測樣本進行了煤與瓦斯突出可能性判斷,預測結果與實際符合,為礦井煤與瓦斯突出防治提供了技術支撐,證明了煤與瓦斯突出多指標耦合預測模型的準確性和適用性.

工程科學學報. 2018 40(11): 1309-1316.

鐵酸鈣與赤鐵礦非等溫還原動力學

采用非等溫熱重的方法,在30% CO+70% N<sub<2</sub<(體積分數)氣氛下,以10 K·min<sup<-1</sup<升溫至1123 K的過程中,比較了鐵酸鈣與赤鐵礦的逐級還原過程及其還原動力學.結果表明:鐵酸鈣和赤鐵礦開始還原溫度分別為873 K和623 K;由反應速率與反應度的關系及分階段X射線衍射物相分析發現,鐵酸鈣還原過程為兩段式反應(CaO·Fe<sub<2</sub<O<sub<3</sub<→2CaO·Fe<sub<2</sub<O<sub<3</sub<→Fe),而赤鐵礦還原過程為傳統的三段式反應(Fe<sub<2</sub<O<sub<3</sub<→Fe<sub<3</sub<O<sub<4</sub<→FeO→Fe).通過Freeman-Carroll法計算得知鐵酸鈣和赤鐵礦的還原平均活化能分別為49.88和43.74 kJ·mol<sup<-1</sup<;鐵酸鈣還原過程符合隨機成核隨后生長模型,動力學模式函數為Avrami-Erofeev方程,其積分形式為[-ln (1-<i<α</i<)]<sup<<i<n</i<</sup<;而赤鐵礦還原過程動力學機理分為兩部分,在還原度<i<α</i<為0.1~0.5時,為三級化學反應模型,模式函數積分形式為1-(1-<i<α</i<)<sup<3</sup<;在<i<α</i<為0.5~0.9時,符合二維圓柱形擴散模型,動力學模式函數為Valensi方程,其積分形式為<i<α+(1-α)</i<ln (1-<i<α</i<).

工程科學學報. 2018 40(11): 1317-1324.

硫化銻精礦還原固硫焙燒直接產出金屬銻研究

針對現行鼓風爐揮發(熔煉)-反射爐還原煉銻工藝存在的流程長、能耗高、低濃度SO<sub<2</sub<煙氣污染等問題,提出了一種基于選冶聯合過程的銻提取新工藝——硫化銻精礦還原固硫焙燒直產金屬銻.分別以ZnO和碳粉作為固硫劑和還原劑實現對硫化銻礦的固硫還原轉化,直接產出金屬銻,同時生成硫化鋅,再分別分離得到金屬銻粉和硫化鋅精礦.本文采用控制變量法,分別考察了焙燒溫度、碳粉粒度、ZnO配入量、焙燒時間對銻生成率和ZnO固硫率的影響.得到最佳條件如下:焙燒溫度800℃、碳粉粒度100~150目、ZnO量為固硫所需理論量、焙燒時間2 h,在此條件下,銻生成率為90.4%,ZnO固硫率為94.8%,其中溫度和ZnO加入量對焙燒效果有較大影響;同時對反應產物的分析和過程熱力學計算表明焙燒過程分兩步進行,即首先發生Sb<sub<2</sub<S<sub<3</sub<與ZnO的交互固硫反應生成Sb<sub<2</sub<O<sub<3</sub<,其后在高于700℃溫度下Sb<sub<2</sub<O<sub<3</sub<被大量還原成金屬銻.在不同品位的銻精礦綜合實驗中,均獲得了90%左右的銻生成率和88%的固硫率,驗證了工藝的可行性.新工藝低溫低碳、清潔環保,易于開展工業化生產.

工程科學學報. 2018 40(11): 1325-1331.

K424高溫合金凝固特征及冷卻速度對其影響規律

采用等溫凝固實驗、差示掃描量熱儀(DSC)研究了K424合金的凝固行為以及冷卻速度對其影響.利用光學顯微鏡、掃描電鏡以及能譜分析儀分析了合金在不同溫度等溫凝固、不同冷卻速度下的微觀組織以及凝固后期的元素的偏析行為,確定K424合金的固相線、液相線和主要相的析出溫度等凝固特性以及冷卻速度對γ'相、MC碳化物以及共晶組織的影響規律.研究結果表明:K424合金的凝固順序為:1345℃,γ相從液相析出,隨后在1308℃析出MC型碳化物,在非平衡凝固條件下,共晶組織在1260℃析出,1237℃,凝固結束;共晶組織的形成與凝固末期Al、Ti元素的偏析行為以及冷卻速度密切相關;隨著冷卻速度的增加,MC和共晶組織尺寸及數量均呈現先增大后減小的趨勢;γ'相形貌從花瓣形狀向規則立方及球形轉變,尺寸也從2 μm減小至60 nm.

工程科學學報. 2018 40(11): 1332-1341.

預熱對激光熔化沉積成形12CrNi2合金鋼組織與性能的影響

使用高功率光纖激光器的快速成形系統和電磁感應加熱設備,分別在未預熱和預熱的情況下成形12CrNi2合金鋼.通過掃描電鏡觀察成形件微觀組織、維氏硬度計測試不同部位硬度、萬能材料試驗機測試不同方向的拉伸性能,研究預熱對激光熔化沉積12CrNi2合金鋼不同方向的組織、硬度、拉伸性能的影響.結果表明:未預熱條件下,單道熔池組織為板條馬氏體,塊狀成形件熔池為回火馬氏體與貝氏體混合組織,<i<XOZ</i<截面與<i<YOZ</i<截面組織沒有明顯的組織差別,但<i<YOZ</i<截面整體硬度大于<i<XOZ</i<截面,同時兩個截面均出現了大尺寸宏觀裂紋缺陷,力學性能差.在預熱條件下,熔池由于溫度梯度降低發生貝氏體轉變,單道熔池呈現性能優異的下貝氏體組織;塊狀成形件熔池沒有發生回火馬氏體轉變,主要為粒狀貝氏體.截面硬度分布較未預熱下更為均勻.在拉伸方向及搭接方向均呈現高強度、低塑性特征,抗拉強度可達1189 MPa,屈服強度為951 MPa,伸長率僅為2.8%,性能沒有明顯的各向異性.預熱能夠降低熔池中溫度梯度,減小熱應力,有效控制裂紋缺陷,促進組織均勻化,降低組織、性能的各向異性,提高合金鋼成型件力學性能.

工程科學學報. 2018 40(11): 1342-1350.

熱處理對Fe-Ni合金絲力學性能和膨脹特性的影響

分別采用X射線衍射、金相顯微鏡、原子力顯微鏡和透射電鏡等組織表征手段以及室溫拉伸和熱膨脹系數測試等性能測試方法,對比研究了高溫退火、低溫時效處理對冷拔Fe-Ni合金絲微觀組織演變、拉伸強度以及熱膨脹系數的影響.研究結果表明:原始絲材強度高,但是室溫熱膨脹系數較大;而950℃退火導致晶粒粗化以及位錯密度降低,雖然室溫熱膨脹系數低,但強度不足.相比之下,500℃較低溫度的時效處理,能獲得最優的強度/熱膨脹系數組合(1189 MPa/0.2×10<sup<-6</sup<℃<sup<-1</sup<).對Fe-Ni合金絲相應的強化機制以及熱膨脹系數的影響因素分別進行了討論分析,分析結果表明:細晶強化與位錯強化是該合金絲的主要強化機制,而熱膨脹系數則主要受溶質原子-位錯交互作用影響.揭示出,合適的熱處理工藝選擇對于Fe-Ni合金絲力學性能/熱膨脹性能優化具有重要意義.

工程科學學報. 2018 40(11): 1351-1357.

銅包鋁絲材的旋鍛復合-拉拔成形與組織性能

采用"熱旋鍛-拉拔"方法制備了直徑為φ65 μm、包覆銅層厚度較均勻、表面質量高和界面結合質量良好的銅包鋁復合微絲,研究了合理熱旋制度、熱旋復合成形銅包鋁線材的組織和界面結合狀態以及中間退火和拉拔對線材組織與性能的影響.結果表明:合理的旋鍛制度為旋鍛溫度350℃,單道次變形量40%,旋鍛后形成了動態再結晶組織和厚度為0.7 μm的界面擴散層.復合線材的合理退火工藝參數為350℃/30 min (退火溫度350℃、退火時間30 min),該條件下退火后線材延伸率達到最高值35.7%,界面擴散層厚度約為2.1 μm,退火后銅層和鋁芯發生再結晶,組織內部形成等軸晶組織.當退火溫度超過350℃時,銅層和鋁芯晶粒長大,界面擴散層厚度增加,從而導致線材的延伸率下降.將單道次變形量控制在15%~20%,經過粗拉,制備了φ0.96 mm的絲材;粗拉后不進行退火處理,將單道次變形量控制在8%~15%,經過細拉,制備了表面光潔、直徑為φ65 μm的復合微絲.在拉拔過程中,銅層和鋁芯均出現〈111〉絲織構.

工程科學學報. 2018 40(11): 1358-1372.

基于CART決策樹的沖壓成形仿真數據挖掘

油箱殼外形復雜,拉深成形過程中容易出現側壁起皺和圓角處破裂的缺陷,成形工藝參數的確定非常重要.結合分類與回歸決策樹(classification and regression tree,CART)的人工智能技術和模型交叉驗證方法,通過調用Python平臺開源庫Scikit-Learn對油箱殼拉深成形數值模擬結果進行知識挖掘,篩選出對油箱殼拉深成形影響大的工藝參數;以基尼指數(Gini index)最小化作為最優特征值及最優切分點選擇的依據,構建了工藝參數與性能指標關系的CART決策樹,提取出了可靠的工藝設計規則.油箱殼拉深實例表明,CART決策樹理論的知識發現技術是實現板料成形過程數值模擬結果潛在知識挖掘的可行途徑.

工程科學學報. 2018 40(11): 1373-1379.

密閉建筑空間缺氧環境下富氧特性研究

搭建了一套密閉建筑空間室內供氧實驗裝置,分別研究送氧口個數、送氧口管徑、送氧流量及送氧方式的不同對建筑空間室內的富氧特性及富氧效果的影響.結果表明:送氧口個數、管徑、流量及送氧方式不同時,氧氣軸向最大濃度分布隨軸向距離的增加呈遞減趨勢,且距離送氧口軸向距離0~0.55 m的范圍內,氧氣軸向濃度迅速降低;單送氧口時,送氧口管徑及送氧流量不同時所形成的富氧范圍大體呈扁橢圓形狀,且送氧管徑相同時送氧流量越大,富氧范圍也越大;雙送氧口豎直向前和相對45°方式進行送氧所形成的富氧范圍接近"一頭尖一頭圓"的扇形,且豎直向前所形成的富氧范圍比相對45°送氧所形成的富氧范圍要大;采用雙送氧口相背45°方式進行送氧時,管徑為6 mm的雙送氧口所形成的富氧范圍大體呈2片扇葉形狀;管徑為10 mm的雙送氧口所形成的富氧范圍大體呈2個半圓形狀;總送氧流量為1 m<sup<3</sup<·h<sup<-1</sup<時,6 mm管徑的雙送氧口相背45°送氧范圍最大,10 mm管徑的雙送氧口豎直向前送氧范圍最小;相同的總送氧流量及送氧方式下,單送氧口豎直向前送氧所得到富氧面積比雙送氧口豎直向前送氧所得到富氧面積大20%左右;相同的送氧口個數、送氧口流量及送氧方式下,管徑為6 mm的送氧口所得到的富氧面積比管徑為10 mm的送氧口所得到的富氧面積大60%左右.

工程科學學報. 2018 40(11): 1380-1388.

含有自校正模型的加權多模型自適應控制

研究了含有大范圍參數不確定性離散時間被控對象的加權多模型自適應控制問題(包括模型集構建和加權算法分析).通過構建含有自校正模型和多個固定模型的模型集覆蓋并逼近被控對象,在模型輸出誤差可分的前提下,采用基于模型輸出誤差性能指標的加權算法,并依據固定模型中是否包含真實被控對象模型的不同情形分析加權算法的收斂性.在權值收斂的前提下,利用虛擬等價系統理論,分析了參數未知線性時不變和參數跳變的情形,在不依賴于特定局部控制算法的基礎上,證明了此種模型集構建下的加權多模型自適應控制系統的穩定性和收斂性,放寬了先期加權多模型自適應控制系統穩定性分析中關于模型集構建的約束條件.最終,通過計算機MATLAB仿真,驗證了此類加權多模型自適應控制系統的收斂性和閉環穩定性.

工程科學學報. 2018 40(11): 1389-1401.

無數學模型的非線性約束單目標系統優化方法改進

為提高無法準確建立數學模型的非線性約束單目標系統優化問題的尋優精度,并考慮獲取樣本的代價,提出一種基于支持向量機和免疫粒子群算法的組合方法(support vector machine and immune particle swarm optimization,SVM-IPSO).首先,運用支持向量機構建非線性約束單目標系統預測模型,然后,采用引入了免疫系統自我調節機制的免疫粒子群算法在預測模型的基礎上對系統尋優.與基于BP神經網絡和粒子群算法的組合方法(BP and particle swarm optimization,BP-PSO)進行仿真實驗對比,同時,通過減少訓練樣本,研究了在訓練樣本較少情況下兩種方法的尋優效果.實驗結果表明,在相同樣本數量條件下,SVM-IPSO方法具有更高的優化能力,并且當樣本數量減少時,相比BP-PSO方法,SVM-IPSO方法仍能獲得更穩定且更準確的系統尋優值.因此,SVM-IPSO方法為實際中此類問題提供了一個新的更優的解決途徑.

工程科學學報. 2018 40(11): 1402-1411.

巡線機器人延遲容忍傳感器網絡數據傳輸策略

巡線機器人延遲容忍傳感器網絡(delay tolerant mobile sensor networks for inspection robot,DTMSNR)用于輸電線路巡線機器人遠程電網數據收集,具有節點稀疏、異構、隨機移動性、間歇連通性和延遲容忍性.針對傳統傳感器網絡數據傳輸算法機器人數據傳輸成功率低與網絡可靠性差等問題.提出一種基于巡線機器人位姿信息的數據傳輸(mobile robot position-based delivery,MPD)策略.為準確計算巡線機器人網絡位姿信息,建立機器人路徑約束隨機運動模型.MPD采用機器人相對網絡位姿信息計算傳輸概率,進行消息傳輸路徑選擇.對網絡異構消息引入機器人消息優先傳輸、消息失效機制進行消息隊列管理.仿真實驗表明,相較現有的幾種延遲容忍傳感器網絡(delay tolerant mobile sensor network,DTMSN)數據傳輸策略,針對巡線機器人網絡MPD能在適當的傳輸能耗下達到更高的傳輸成功率與更低的傳輸延遲.

工程科學學報. 2018 40(11): 1412-1421.