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10期

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鋼鐵冶金過程中的界面現象

程禮梅, 張立峰, 沈平

2018, 40(10): 1139-1157. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.001

[摘要](1037)

[PDF 9665KB](62) [施引文獻] ()

摘要:
從界面潤濕性的角度,對一些冶煉過程中的常見界面現象進行了詳細分析.對于渣的泡沫化過程,主要分析了潤濕性對渣的泡沫化指數的影響;對于鐵水和鋼液脫硫過程,主要分析了對脫硫速率和脫硫劑的利用率以及穿透鋼液速率的影響;對于鋼液與熔渣對耐火材料的侵蝕過程,主要分析了對耐火材料在熔渣中的飽和溶解度、熔渣在耐火材料中的侵蝕深度以及耐火材料的侵蝕速率的影響;對于鋼中夾雜物的運動過程,主要分析了對鋼中夾雜物的形核、聚集、去除、空間分布等影響.同時,本文總結得出了對于這些實際冶煉過程有利的界面潤濕性.

高飽和磁化強度鐵基非晶納米晶軟磁合金發展概況

惠希東, 呂曠, 斯佳佳, 杜晨曦, 王榮山

2018, 40(10): 1158-1167. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.002

[摘要](996)

[PDF 4183KB](53) [施引文獻] ()

摘要:
概括了鐵基非晶軟磁合金和納米晶合金的發展歷史和現狀,分別詳述了高飽和磁化強度(B_s)鐵基塊體和薄帶非晶以及納米晶合金近年來的研究成果.主要內容包括:高飽和磁化強度塊體鐵基非晶軟磁合金成分和性能,高飽和磁化強度鐵基非晶薄帶軟磁合金的成分和性能,高飽和磁化強度鐵基納米晶合金的組織、結構和性能,各類元素對合金磁性能的影響.為進一步研究高飽和磁化強度的鐵基軟磁材料提供了有價值的參考.

基于膏體穩定系數的級配表征及屈服應力預測

程海勇, 吳順川, 吳愛祥, 程緯華

2018, 40(10): 1168-1176. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.003

[摘要](822)

[PDF 8452KB](21) [施引文獻] ()

摘要:
由于不同礦山充填材料性質千差萬別,屈服應力影響因素很難統一分析.通過多個礦山尾砂試樣,依次開展了級配表征及影響實驗、相似密度流變實驗以及基于體積分數和灰砂比的雙因素流變實驗,并結合細觀圖像分析技術,實現了屈服應力演化機理的研究.研究表明:膏體穩定系數是級配的有效表征方式,能夠表現散體和流體綜合特征;屈服應力隨膏體穩定系數呈冪指數增長,隨濃度呈指數型增長,隨密度呈負指數增長,由此構建的全尾砂膏體屈服應力預測模型誤差在10%以內;細觀圖像分析認為屈服應力主要受級配結構和絮網結構支配,級配結構構成了料漿可塑性和穩定性的基礎,絮網結構將自由水轉變為半穩定形態的吸附水,引起屈服應力宏觀演化.

鋼渣作為鉀鹽礦充填料膠結劑的固化機理

王雪, 王全, 張濱, 倪文, 金榮振, 趙柯

2018, 40(10): 1177-1186. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.004

[摘要](925)

[PDF 8480KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
以有效解決鉀鹽礦尾鹽和尾液導致的環境污染、資源浪費、安全隱患等問題為出發點,以改善鉀鹽礦充填料流動度和強度為目的,利用鋼渣水化反應緩慢持久的特點,制備了以鋼渣為膠結劑的鉀鹽礦充填料,初步證明鋼渣細度和養護溫度對充填料的性能有較大影響.所制備的充填料8 h內流動度保持在200 mm以上,28 d抗壓強度可達2 MPa,滿足充填料的性能要求.本文著重從微觀角度分析了其固化機理,X射線衍射技術、掃描電子顯微鏡、熱重分析、紅外分析等分析結果表明:鋼渣粉與鉀鹽礦尾液水化反應的產物主要為C-S-H凝膠、水鋁鈣石(或稱費里德爾鹽)、類水滑石等,在水化反應過程中水化產物之間相互穿插包裹使體系結構的致密度和強度不斷增長.在微觀結構呈層狀的水鋁鈣石和類水滑石中出現類質同象代替現象,Ca²⁺、Mg²⁺、Fe²⁺,Fe³⁺、Al³⁺和Si⁴⁺都可相互取代而使得OH^-和Cl^-參與其中,這對體系中的雜質離子起到固定作用,對充填料的穩定性有利.該研究結果初步表明鋼渣具有充當鉀鹽礦充填料膠結劑的潛力.

粉煤灰改性高水材料力學性能試驗研究及機理分析

馮波, 劉長武, 謝輝, 孫位, 刁兆豐

2018, 40(10): 1187-1195. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.005

[摘要](1015)

[PDF 4966KB](22) [施引文獻] ()

摘要:
為解決礦山高水充填材料成本較高、粉煤灰等工業廢料大量剩余造成資源浪費、環境污染等問題,借助微機控制電子萬能試驗機(ETM)力學試驗系統、掃描電鏡掃描裝置和X射線衍射分析儀,研究粉煤灰摻量對高水材料物理力學性能的影響規律,并通過物相和微觀結構分析探討其影響機理.結果表明:隨著粉煤灰摻量的增加,高水材料的凝結時間逐漸延長,含水率逐漸降低,容重基本不變;摻雜粉煤灰前后高水材料均是一種彈塑性材料,其變形破壞過程可以分為孔隙壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段;高水材料的峰值強度、彈性模量和變形模量均隨粉煤灰摻量的增加略有降低,殘余強度卻有所提高;綜合考慮高水材料的強度、模量和成本,粉煤灰摻量a為15%是最優摻量,此時峰值強度、彈性模量和變形模量僅分別降低了25%、8.6%和10%,殘余強度卻提高了50%.物相和微觀形貌分析結果表明:粉煤灰的摻量影響了β-C₂S的水化進程,導致鈣礬石生成量減少,其他水化產物生成量增多,進而破壞了鈣礬石結構的整體性和均勻性,最終降低了高水材料的抗壓強度.

鉬尾礦水泥免燒磚壓制工藝及著色特性

代文彬, 鄭永超, 陳旭峰, 蒼大強

2018, 40(10): 1196-1207. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.006

[摘要](728)

[PDF 13940KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
以承德鉬尾礦和水泥構成的簡單免燒磚體系,對其在成型工藝、微觀結構和著色特性方面進行基礎工藝研究.結果顯示,水泥-鉬尾礦免燒壓磚適宜的水泥/鉬尾礦質量比為0.18~0.25,成型水/固體原料質量比為0.1,成型壓強25 MPa,保壓時間30 s,在階梯式成型施壓方式下可改善磚塊性能.經長期養護后,壓磚中Ca (OH)₂、鈣礬石和CaCO₃的相對含量會隨水泥摻量增加而逐漸升高,而云母含量則逐漸降低.當水泥量質量分數達25%時,會有低硫型水化硫鋁酸鈣相(AFm)形成.此外,在試塊中可見大量水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠、鈣礬石和Ca (OH)₂礦相形成.摻加9%以內氧化鐵型紅、黃、綠顏料,對試塊強度無不利影響,而摻加藍、黑顏料會使試塊強度損失,在保證磚材強度前提下,添加量宜控制在6%~9%.

除塵灰水洗對煙氣顆粒物組成和二噁英的影響

岳昌盛, 彭犇, 王晟, 劉詩誠, 張璞

2018, 40(10): 1208-1214. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.007

[摘要](856)

[PDF 5543KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
為研究除塵灰配入燒結對煙氣顆粒物組成和二噁英的影響,利用水洗方式對燒結除塵灰進行除雜改性,然后采用燒結杯測定改性前后配入對燒結礦性能的影響,并通過撞擊式顆粒物采樣器和二噁英采樣器對煙氣污染物進行采樣分析,研究改性前后配入燒結對顆粒物組成堿金屬和重金屬含量以及煙氣二噁英和前驅體物質排放量的影響.結果表明:燒結除塵灰中的K和Cl在水洗除雜改性過程中被有效去除,除雜后的除塵灰配加燒結有助于改善燒結礦粒度組成、減少煙氣顆粒物和二噁英排放濃度;K組成在燒結顆粒物排放中占有較高比例,遠高于金屬Na、Pb和Zn的含量,且在粒度較細的細顆粒物中占比更高,水洗除雜后配入燒結可顯著降低燒結配料中的K組成,使得煙氣排放的K組成顯著降低,進一步降低顆粒物的排放濃度,其中又以1.10~2.10 μm粒度范圍的顆粒物和K組成的減排比例最高;燒結原料Cl組成和燒結過程中的有機前驅體氯苯、多氯聯苯是煙氣二噁英生成的重要誘因,除塵灰水洗在降低Cl組成的同時也顯著降低煙氣前驅體多氯聯苯排放量達40%,有利于降低煙氣中二噁英的排放濃度.

基于光電容積脈搏波的有限空間生理疲勞測量

于露, 金龍哲, 徐明偉, 謝曉雅, 田興華

2018, 40(10): 1215-1222. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.008

[摘要](866)

[PDF 5695KB](14) [施引文獻] ()

摘要:
通過有限空間100 min極限載人實驗,提出了基于光電容積脈搏波(PPG)的客觀疲勞測量方法并開發了光電容積脈搏波信號特征參數提取算法用來掌握生理疲勞的血液動力學與循環系統變化特征.研究結果表明,人體出現生理疲勞時,光電容積脈搏波信號平均周期顯著大于未疲勞狀態(p<0.001),血管阻力增大,每搏射血量明顯下降;計算了未疲勞與疲勞狀態下光電容積脈搏波信號的兩種復雜度(KC復雜度和高階KC復雜度)發現,兩種復雜度計算結果一致,均為未疲勞時波形比疲勞時波形更平穩.因此表明光電容積脈搏波信號能夠捕捉到疲勞狀態的生理變化,解決了生理疲勞的客觀測量與快速判斷問題.

浸礦微生物氟抑制機理及鐵的競爭絡合作用

李想, 溫建康, 莫曉蘭, 武彪, 尚鶴, 武名麟, 王淀佐, 楊洪英

2018, 40(10): 1223-1230. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.009

[摘要](683)

[PDF 4579KB](16) [施引文獻] ()

摘要:
含氟礦石中生物浸出技術推廣應用存在瓶頸,究其原因在于伴隨含氟脈石礦物溶解,氟對浸礦微生物有較強的抑制作用.本研究利用氟的水化學特性,通過添加可形成穩定絡合物的物質來轉換F離子存在形態,進而使浸礦微生物可以耐受高氟環境.本文系統研究了氟對細菌的抑制機理,明確了氟的真實毒性形態HF,發現了氟對細菌存在跨膜抑制作用,氟脅迫條件下,干細胞內氟離子質量分數明顯高于無氟對照組達到18%以上.選擇在生物冶金體系中常見Fe³⁺做為研究對象,研究了Fe³⁺對F^-的絡合解毒作用,熱力學分析結果可知,Fe³⁺可以與HF發生一級競爭絡合反應,破壞HF絡合結構.在鐵離子存在條件下,細菌最高可以耐受F^-質量濃度1.0 g·L^-1的環境下生長.鐵氟絡合形態分析可知,只有當培養基中Fe³⁺質量濃度5倍過量于F^-質量濃度,細菌才能正常生長,對應的FeF²⁺在氟化物中質量分數達45%時,而游離氟離子濃度為2.87×10^-5 mol·L^-1.絡合機理實驗結果表明,根據配位化學原理,隨著F^-/Fe³⁺濃度比的減小,配體濃度相對較低,氟與鐵的絡合物向低配位方向移動,可以通過調整培養基中的氟鐵濃度比來調整氟鐵絡合產物,使細菌在高氟環境中生長成為可能.

工藝參數對連續流化床內鐵礦粉還原效果的影響

郭培民, 趙沛, 王磊, 孔令兵

2018, 40(10): 1231-1236. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.010

[摘要](750)

[PDF 2942KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
為了研究工藝參數對連續流化床內鐵礦粉還原效果的影響規律,建立了兩級連續流化床內氧化鐵還原及煤氣氧化耦合動力學模型.R1級流化床主要為FeO的還原,采用優質煤氣作為還原劑,FeO來自R2級反應器;R2級流化床主要將Fe₂O₃還原到FeO,Fe₂O₃來自預熱的R3流化床反應器,還原氣來自R1還原尾氣.模型主要計算結果與文獻吻合.并以此為模型研究了礦粉粒度、流化床內壓力等參數對流化床還原效果的影響.為了取得礦粉平均金屬化率不小于85%、煤氣利用率不低于38%和氣礦比950~1050 m³·t^-1的還原效果,流化床應滿足如下工藝條件:礦粉平均粒度1.5 mm以下,流化床溫度780~800℃,煤氣還原勢不低于93%,惰性氣體體積分數小于5%,R1流化床內煤氣平均壓力3.5×10⁵~4.0×10⁵ Pa,停留時間的倒數u_g/H=1.0~1.1 s^-1,R1流化床礦粉平均停留時間30 min,R2流化床礦粉平均停留時間20 min.

不同鎂含量鋼渣陶瓷的致密化機制

宗燕兵, 張學東, 馬晴雨, 蒼大強

2018, 40(10): 1237-1243. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.011

[摘要](662)

[PDF 2502KB](12) [施引文獻] ()

摘要:
為了獲得鋼渣制備陶瓷過程中,燒結溫度和保溫時間的影響規律及實現樣品的致密化,在傳統研究關于配方試制及性能檢測的基礎上,以鋼渣、黏土等為主要原料制備出鋼渣陶瓷,針對低鎂樣品和高鎂樣品,研究了燒結溫度和保溫時間對樣品燒結性能的影響及致密化規律.基于燒結速率方程建立了燒結溫度和保溫時間對樣品線性收縮率的函數關系.通過動力學分析,得出不同條件下的燒結激活能,分析認為不同Mg含量下陶瓷樣品的致密化方式為擴散控制,低鎂樣品燒結溫度為1000℃時,物質遷移由表面擴散控制,1100℃時,以體積擴散為主;高鎂樣品在1110℃以上燒結時,主要由液相燒結過程的擴散控制.

基于熔池混勻度的轉爐煙氣分析定碳模型

李南, 林文輝, 曹玲玲, 劉青, 孫樂飛, 廖桑桑

2018, 40(10): 1244-1250. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.012

[摘要](810)

[PDF 2520KB](38) [施引文獻] ()

摘要:
轉爐冶煉終點碳曲線擬合模型避開了熔池初始碳含量難以精準確定的問題,假設吹煉后期脫碳速率與熔池碳含量具有一定的函數關系,通過這種函數關系預報鋼水終點碳含量.終點碳的三次方模型和指數模型預報精度在±0.02%之間的命中率分別為85.9%和81.2%.運用熔渣分子理論,基于冶煉熱軋板材(SPHC)的渣組元成分,計算得出渣中FeO的活度為0.241.出鋼溫度為1686℃時,C和Fe元素選擇性氧化的臨界碳質量分數為0.033%.本文在傳統指數模型的基礎上,充分考慮了槍位、頂吹流量、底吹流量等操作參數對熔池脫碳速率的影響,建立了基于熔池混勻度的指數模型.基于熔池混勻度的指數模型與其他煙氣分析碳曲線擬合模型相比,命中率有所提高.以新鋼生產熱軋板材(目標碳質量分數為0.06%)時的煙氣數據為研究對象建模,終點碳質量分數預報誤差在±0.02%之間的有75爐次,占驗證數據量的88.2%.

AlF₃晶種系數和煅燒溫度對制備六邊形片狀α-Al₂O₃的影響

王迎, 俞小花, 馮攀, 俞雙林, 謝剛, 施輝獻

2018, 40(10): 1251-1258. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.013

[摘要](1154)

[PDF 7430KB](15) [施引文獻] ()

摘要:
以一水軟鋁石作為前驅體,AlF₃晶種為添加劑,在較低煅燒溫度下制備結晶度好和形貌規整的六邊形片狀α-Al₂O₃.在晶種系數為2%的條件下,對煅燒產物的差熱-熱重-質荷(DSC-TG-MS)分析驗證了氣固反應的成核機理,結果表明:Al-O-F氣體通過氣固反應促進α-Al₂O₃成核相變,同時釋放出HF.實驗同時研究了AlF₃晶種和煅燒溫度對煅燒產物物相、形貌、粒度和比表面的影響.結果表明:微量AlF₃晶種(晶種系數為0.5%)即可促進α-Al₂O₃相變成核,隨著晶種系數的增加,這種效果越明顯,但同時也會增大其粒度,減少比表面積;煅燒最佳條件為:溫度850℃,晶種系數2%,煅燒時間4 h,在此條件下,一水軟鋁石可以全部轉化為結晶度良好的α-Al₂O₃,其形貌為規整的六邊形片狀結構.

AZO透明導電膜電磁散射光電參數影響試驗

劉戰合, 王曉璐, 姬金祖, 王菁, 黃沛霖, 周鵬

2018, 40(10): 1259-1266. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.014

[摘要](658)

[PDF 1246KB](8) [施引文獻] ()

摘要:
采用常溫鍍膜技術在浮法玻璃表面沉積了不同方塊電阻的氧化鋅鋁(Al-doped zinc oxide,AZO)透明導電膜,建立了透明導電膜的雷達散射截面(radar cross section,RCS)測試和研究方法;提出了基于雷達散射截面均值的相對反射率概念,結合方塊電阻和可見光透過率綜合分析了氧化鋅鋁透明導電膜的電磁散射特性.在微波暗室對不同方塊電阻的氧化鋅鋁透明導電膜進行了測試,得到了10 GHz和15 GHz入射頻率,水平(horizontal horizontal,HH)、垂直(vertical vertical,VV)極化的雷達散射截面曲線;從飛行器座艙隱身角度出發,研究了前向20°和60°角域雷達散射截面曲線分布特點,并分析了雷達散射截面均值影響特性;基于氧化鋅鋁透明導電膜雷達散射截面測試結果,研究了方塊電阻對雷達散射截面相對反射率和可見光透過率的影響規律.研究表明,方塊電阻較低時雷達散射截面曲線分布特性與對應金屬相似,方塊電阻增大時,前向兩個角域內的RCS均值減小,隱身性能減弱,雷達散射截面相對反射率降低而可見光透過率增加,相對反射率降低速率大小與方塊電阻相關,合適的方塊電阻可同時滿足隱身及采光需求.暗室測試結果表明,在滿足座艙可見光透過率前提下,氧化鋅鋁透明導電膜方塊電阻為18~45 Ω時,具有外形隱身作用,方塊電阻18 Ω為最優,對應RCS相對反射率Re_m²和Re_dB分別為84%和0.73 dB.

基于拉力帶的系列新型SST-LEJ設計與分析

邱麗芳, 吳友煒, 冷迎春, 王晶琳

2018, 40(10): 1267-1274. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.015

[摘要](620)

[PDF 6545KB](9) [施引文獻] ()

摘要:
設計了一種基于大柔度的柔性鉸鏈,命名為SS-LEJ,利用等效法推導了其彎曲等效剛度的理論計算公式,通過設計實例的理論計算和ABAQUS仿真分析,驗證理論計算公式的正確性.為了有效提升SS-LEJ的抗拉壓性能,設計了4種不同位置和形狀的拉力帶的SST-LEJ,通過彎曲性能和抗拉壓性能的有限元仿真分析,得出SST3-LEJ和SST4-LEJ為4種SST-LEJ當中整體性能較優的兩種.將SST3-LEJ和SST4-LEJ與SS-LEJ、Inverted Bending-Orthogonal鉸鏈進行了彎曲性能和抗拉壓性能的比較,得出SST3-LEJ和SST4-LEJ的彎曲性能介于SS-LEJ和Inverted Bending-Orthogonal鉸鏈之間,抗拉壓性能優于SS-LEJ和Inverted Bending-Orthogonal鉸鏈,說明SST3-LEJ和SST4-LEJ的整體性能較好,達到了預期的設計目的,為大柔度柔性鉸鏈的設計提供了一種思路.