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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2020年第42卷第6期

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典型鐵合金渣的資源化綜合利用研究現狀與發展趨勢

苗希望, 白智韜, 盧光華, 劉磊, 郭敏, 程芳琴, 張梅

2020, 42(6): 663-679. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.10.003

[摘要](4426)

[HTML全文] (1782)

[PDF 1021KB](174) [施引文獻] ()

摘要:
典型鐵合金渣（硅錳渣，鎳鐵渣，鉻鐵渣）面臨產量大、利用率低等緊迫問題。目前，我國對鐵合金渣的利用主要集中于水泥、混凝土等傳統建筑材料，但是其能耗大和產品價值相對局限。隨著市場需求以及環保能源意識的提高，對鐵合金渣的綜合利用不斷從傳統建筑材料向具有低能耗、高附價值的新型材料方向轉型。本文簡要介紹了這三種典型鐵合金渣的來源及其分類情況，系統分析了它們的化學成分及其礦物組成的差異性，重點概述了它們在水泥、混凝土等傳統建筑材料，以及在地質聚合物、無機礦物纖維、微晶玻璃、人造輕骨料、耐火材料、新型墻體材料、特色功能陶瓷等新型材料領域應用的國內外最新研究進展，分類總結不同種類鐵合金渣應用于不同材料的優缺點，并對其今后的利用方向與途徑提出了展望，指出了要進一步研究并突破主要利用方式的限制瓶頸、制定并完善相關應用及污染控制標準、以及深入開發并推廣高附加值產品的重點發展方向。

MOF材料在水環境污染物去除方面的應用現狀及發展趨勢（II）

黃祎萌, 曹曉強, 尹繼潔, 李廣, 張迪, 李明真, 孟娜, 陳平, 由曉芳, 陳明, 顏炳琪, 李琳, 王鵬, 呂憲俊

2020, 42(6): 680-692. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.08.003

[摘要](3268)

[HTML全文] (3776)

[PDF 2919KB](335) [施引文獻] ()

摘要:
對近年來MOF材料去除水環境中重金屬、有機物的相關研究進行了總結與評述。本篇是該主題的第2篇，主要對MOF材料去除水中有機污染物的相關研究進行總結和論述。研究表明，MOF材料含有大量開放性金屬位點、路易斯酸堿位以及官能團，因而對染料、抗生素、農藥、持久性有機污染物等均具有較高的吸附性能。氫鍵、π?π作用、疏水作用和靜電引力是其吸附有機污染物的主要機制，部分MOF材料中較大的孔道結構也有利于大分子有機污染物的吸附；另外，部分MOF材料還具有優異的催化性能，能夠作為類Fenton催化，光催化以及過硫酸鹽活化的催化劑實現對有機污染物的催化降解，其中光催化反應中污染物的降解主要源于·O^2?、·OH和h⁺的貢獻；而在過硫酸鹽體系中，·O^2?、·OH、SO₄^·?和¹O₂是導致有機污染物分解的主要活性氧化物種。基于對先前研究的回顧，相信未來的研究領域包括但不限于以下方面：（1）進一步提高MOF在去除有機污染物方面的性能，并提高其可回收性；（2）開展新型MOF催化材料的制備及催化反應機理的研究；（3）研究MOF缺陷結構的調控，以開發具有更高吸附和催化性能的新型MOF材料；（4）研究新的框架材料，例如共價有機骨架（COFs）材料，并將其應用于污染物凈化領域。

鋅的生物浸出技術現狀及研究進展

李旭, 高文成, 溫建康, 武彪, 劉學

2020, 42(6): 693-703. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.24.001

[摘要](3142)

[HTML全文] (1349)

[PDF 1098KB](68) [施引文獻] ()

摘要:
鋅是現代工業所必需的有色金屬，屬于很重要的戰略資源，其在世界所有金屬產量中排名第四，僅次于鐵、鋁和銅。隨著低品位難處理鋅資源的種類和產量的不斷增加，以及濕法冶金技術的不斷發展，鋅的生物浸出技術得到了研究人員的廣泛關注，并展示出了良好的潛在應用前景。本文首先較為詳細的介紹了含鋅資源的礦物特征，并對其生物可浸性進行了分析。其次，對目前鋅的生物浸出體系，所用浸礦菌種，浸出過程所涉及的電化學、熱力學、動力學以及浸出機理進行了歸納總結；接著，對鋅的生物浸出技術現狀和工藝新進展進行了闡述。最后，展望了鋅的生物浸出工藝的發展趨勢及后續的研究熱點。研究表明高效浸鋅菌種的選育馴化、與之相匹配的工藝及裝備研發，是鋅的生物浸出當今研究熱點及未來發展方向。

電子皮膚新型材料與性能研究進展

萬甦偉, 陳家林, 李世鴻, 李俊鵬

2020, 42(6): 704-714. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.18.001

[摘要](2820)

[HTML全文] (1603)

[PDF 1319KB](177) [施引文獻] ()

摘要:
電子皮膚作為一種柔性觸覺仿生傳感器已經廣泛地應用于人體生理參數檢測與機器人觸覺感知等領域。基于金屬和半導體材料的傳統電子皮膚觸覺傳感器，由于柔韌性和可穿戴性差，已經難以滿足實際使用中對拉伸性、便攜性的要求。得益于柔性材料、制造工藝和傳感技術的快速發展，近年來聚二甲基硅氧烷、碳納米管、石墨烯等新材料被用于制備或支撐電子皮膚傳感器，使電子皮膚在性能上更趨于人類皮膚。本文分析討論了電子皮膚新材料以及應用于電子皮膚當中的傳感技術，重點總結了近年來電子皮膚在可拉伸/壓縮性、生物相容性、生物降解性、自供電性、自修復性、溫度敏感性以及多功能集成等方面的研究進展，展望了未來電子皮膚新性能的研究方向以及實現大面積、低成本、多種功能集成電子皮膚傳感器陣列的可能途徑。

高滲透壓和不對稱圍壓作用下深豎井圍巖損傷破裂機理

劉力源, 紀洪廣, 王濤, 裴峰, 權道路

2020, 42(6): 715-722. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004

[摘要](2449)

[HTML全文] (1171)

[PDF 1410KB](55) [施引文獻] ()

摘要:
隨著礦產資源開采深度的不斷增大，地應力、地溫和孔隙水壓隨之顯著增大，巖石的非線性力學行為更加凸顯。針對高滲透壓和不對稱圍壓作用下深豎井圍巖損傷破裂問題，構建了流固損傷耦合效應力學分析模型，分析了流固耦合條件下深豎井開挖圍巖有效應力，探討了孔隙水壓及地應力場對圍巖損傷破裂演化的作用機制。研究結果表明：孔隙水壓及孔隙水壓梯度越大圍巖損傷破裂區面積越大，圍巖損傷破裂區面積隨圍巖滲透率的減小逐漸增大并趨于穩定；地應力場對圍巖破裂形態具有重要控制作用，最大水平主應力與最小水平主應力差異較小時，圍巖損傷破裂區集中在最小水平主應力方向，以剪切損傷為主，最大水平主應力與最小水平主應力差異較大時，在最大水平主應力方向上會產生拉伸損傷破裂區。值得關注的是，由于孔隙水壓的存在，最大有效水平主應力與最小有效水平主應力之間的比值增大，即圍巖發生拉伸破壞的風險增大。本文研究表明，豎井選址和設計過程中應避開構造應力大、孔隙水壓大的區域，從而保障井筒施工安全。

基于RA與AF值的聲發射指標在隧道監測中的可行性

吳順川, 甘一雄, 任義, 鄭立夫

2020, 42(6): 723-730. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001

[摘要](2174)

[HTML全文] (2299)

[PDF 1005KB](136) [施引文獻] ()

摘要:
基于華鎣山隧道掘進爆破過程中的聲發射監測結果，對比了上升時間/振幅比值(RA)與平均頻率(AF)在不同傳播距離下的分布規律，結果表明，隨傳感器與震源間距離增加，RA最大值增加，AF的分布范圍基本不變。為驗證基于RA與AF值描述巖體破裂情況的有效性，研究了RA/AF比值r在破裂過程中的變化規律以及r的變異系數的發展規律，并與常用的參數指標絕對能量、b值等參數進行對比驗證。本文提出了3種變異系數（CV）計算方法，對比計算結果并探討了各方法的適用條件。由計算結果可知，r值變異系數能夠較好地描述巖體中的破裂發展過程，其中CV₁計算方法適用于聲發射信號較離散的情況，而CV₃的計算方法更適用于存在連續聲發射信號的圍巖監測。

鋁電解槽廢陰極炭塊電?熱耦合處理過程數值模擬

盧婷婷, 李榮斌, 趙洪亮, 謝明壯, 劉風琴

2020, 42(6): 731-738. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002

[摘要](1485)

[HTML全文] (1189)

[PDF 1600KB](70) [施引文獻] ()

摘要:
廢陰極炭塊是鋁電解槽大修時產生的一種危險固體廢棄物，對其進行安全處置和資源化利用的關鍵是深度分離其中的有價組分炭和氟化鹽。采用火法工藝對廢陰極炭塊進行處理，明確了氟化鹽的揮發溫度。基于氟化鹽的揮發析出性質，設計了高溫熱處理電阻爐，并對其傳熱特性、控溫規律以及氟化鹽有效揮發區域進行了三維數值解析。實驗確定氟化物的有效揮發溫度為≥1700 ℃，該溫度段下其揮發率可達93.1%以上。通過模擬不同供電模式下爐內溫度場的演變規律，得到：在12 V升溫24 h，9 V保溫12 h的供電條件下，升溫階段爐內最高溫度可達2250 ℃，氟化鹽理論揮發區域占比可達98%；采用逐級遞減的電壓供給制度可以保證1700 ℃以上溫度區域維持20 h，大幅度延長了有效熱處理時間，有利于廢陰極炭塊中炭與氟化鹽的深度分離。

噴嘴噴淋距離對連鑄小方坯二冷均勻性的影響

韓延申, 張江山, 鄒雷雷, 曾凡政, 管敏, 劉青

2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001

[摘要](1424)

[HTML全文] (1068)

[PDF 1344KB](74) [施引文獻] ()

摘要:
研究了不同噴淋距離下連鑄小方坯二冷噴嘴的水量分布，建立了凝固傳熱模型分析了82B鋼連鑄坯的熱行為。該模型特別考慮了二冷區鑄坯表面寬度方向的水流密度分布，并根據鑄坯表面測溫結果進行了模型校正。采用凝固傳熱模型研究了噴嘴噴淋距離對連鑄二冷均勻性的影響。結果表明：噴嘴噴淋距離的增加有助于提高二冷水橫向分布的均勻性，導致鑄坯表面溫度橫向均勻性降低、縱向均勻性提高。這些效果有助于改善鑄坯內部裂紋，但是會對角部裂紋產生不利影響。在二冷區前段噴嘴采用低噴淋距離，二冷區末段采用高噴淋距離，既可以提高鑄坯角部溫度，又能降低表面最大回溫速率，有助于同時改善連鑄坯角部和內部裂紋。在此基礎上，提出了一種連鑄小方坯二冷噴嘴布置方式，即二冷區每段噴嘴噴淋距離沿拉坯方向逐漸增加，該方法有助于提高連鑄坯“縱?橫”冷卻均勻性。

含有上貝氏體的ER8車輪鋼的裂紋擴展行為

李遷, 趙愛民, 郭軍, 裴偉, 劉素鵬

2020, 42(6): 747-754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002

[摘要](1767)

[HTML全文] (1277)

[PDF 1458KB](78) [施引文獻] ()

摘要:
研究不同含量的上貝氏體對ER8車輪鋼裂紋擴展行為的影響。利用激光共聚焦顯微鏡（LSCM）和掃描電鏡（SEM）對ER8車輪鋼的顯微組織和裂紋擴展路徑進行了研究。實驗結果表明：ER8車輪鋼中的組織除了有鐵素體和珠光體，還存在上貝氏體；裂紋穿過上貝氏體和珠光體擴展，最終停止在珠光體區域；與珠光體組織相比，裂紋在上貝氏體中的擴展路徑更曲折。利用掃描電鏡（SEM）對ER8車輪鋼的裂紋擴展變形進行原位觀察。實驗結果表明：含有80%上貝氏體的ER8車輪鋼拉伸時，組織變形過程主要以鐵素體和上貝氏體為主，裂紋在上貝氏體和珠光體中連續擴展，伴隨著珠光體的變形；而含有50%上貝氏體的ER8車輪鋼拉伸時，組織變形過程主要以鐵素體和珠光體為主，并且上貝氏體對鐵素體和珠光體的變形起到阻礙作用。上貝氏體能夠有效地阻止裂紋擴展，在偏轉裂紋路徑和延緩裂紋擴展方面起著重要作用；并且對鐵素體和珠光體的變形起到阻礙作用。

1800 MPa熱成形鋼與CR340LA低合金高強鋼激光焊接性能

梁文, 馮彬, 朱國明, 康永林, 林利, 劉仁東

2020, 42(6): 755-762. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.005

[摘要](1533)

[HTML全文] (1146)

[PDF 1652KB](41) [施引文獻] ()

摘要:
采用光纖激光焊接設備對1800 MPa級熱成形鋼與CR340LA低合金高強鋼進行對接激光拼焊，研究了不同激光焊接功率和焊接速度下焊接接頭的組織演變規律及熱沖壓成形性能，并對焊接接頭的力學性能和硬度進行了分析。結果表明，3種焊接工藝下激光拼焊原板綜合力學性能相差較小，由焊接接頭造成的伸長率和抗拉強度的損失均在母材的28.3%和9.1%以內。激光焊接后焊縫區均為粗大、高硬度的馬氏體結構；兩側熱影響區組織主要為鐵素體和馬氏體，接頭未出現明顯的軟化區。激光拼焊原板拉伸試樣均斷裂于CR340LA母材區，距離焊縫12 mm左右，且存在焊縫隆起現象。選取焊接功率和焊接速率分別為4000 W和0.18 m·s^?1的焊接試樣在高溫下進行熱沖壓成形檢測，未出現焊縫開裂，熱成形后拼焊板具有良好性能，滿足汽車激光拼焊板使用要求，拉伸結果表明，試樣斷裂位置與未熱沖壓成形前一致，均位于CR340LA母材區，拉伸過程中，焊縫向高強度母材側偏移，在弱強度母材側產生應力集中并縮頸斷裂。

K-TIG焊接中厚板的工藝窗口改進

王泰, 敖三三, 魏祺, 蔡養川, 曾黎, 羅震

2020, 42(6): 763-768. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.010

[摘要](1309)

[HTML全文] (883)

[PDF 1069KB](42) [施引文獻] ()

摘要:
針對穿孔深熔氬弧焊(K-TIG)工藝焊接8 mm厚Q235低碳鋼板時焊接過程不穩定、焊接工藝窗口小等突出問題，首次提出在焊接工件背部鋪加保護焊劑的方法改善焊接過程。采用對接焊的方式，在不開坡口、焊接過程不添加焊絲的情況下，達到單面焊雙面成形的效果。最終成功的采用430～480 A范圍內的直流電流對8 mm厚的Q235低碳鋼進行了焊接，將焊接電流窗口擴大到50 A同時也顯著的提高了焊接過程的穩定性。同時，在擴大焊接電流窗口之后，系統研究了不同焊接電流下焊接接頭的組織性能。研究結果表明：在不同焊接電流下得到的焊接接頭中，組織分布以及力學性能分布呈現出相同的狀態。焊縫區的組織均由鐵素體+珠光體+魏氏組織組成；熔合區由魏氏組織組成；熱影響區由鐵素體+少量的珠光體組成；此外隨著焊接電流的增加，焊接接頭背部的熔寬有略微增加；在焊接接頭中，熔合區處硬度值最高，其次是焊縫區，之后是熱影響區，母材的硬度值最低；焊接接頭最終的拉伸斷裂位置是在熱影響區處。

鋁合金管材6061自由彎曲成形工藝仿真及優化

李玉森, 岳振明, 妥之彧, 閔鑫瑞, 高軍

2020, 42(6): 769-777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.21.001

[摘要](1456)

[HTML全文] (926)

[PDF 1752KB](48) [施引文獻] ()

摘要:
金屬管材是工業領域中結構承重、輸送氣體和液體的重要部件。自由彎管成形技術有助于實現管件生產的高精度、高性能、高效率和數字化，其精度控制理論和成形技術的研究具有重要的工業應用價值。本文選擇直徑 30 mm 壁厚 2.0 mm 的鋁合金管材6061為仿真優化對象，通過相關基礎實驗獲得材料的基本力學數據，用于仿真模型參數的表征。同時，結合管材壓彎實驗驗證本構模型成形預測的有效性。在完成仿真模型表征和驗證的基礎上，對鋁合金管材的自由彎曲成形過程進行仿真模擬，分析對比了影響自由彎曲成形的各工藝參數，確定了該工況下最優的移動模與管材間隙大小、摩擦系數和進給速度等。該研究有助于優化管材空間自由彎曲成形工藝，具有一定的工業應用價值。

數據驅動的卷取溫度模型參數即時自適應設定算法

彭良貴, 王登剛, 李杰, 邢俊芳, 龔殿堯

2020, 42(6): 778-786. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.12.002

[摘要](1725)

[HTML全文] (2082)

[PDF 1205KB](57) [施引文獻] ()

摘要:
為提高熱軋換規格首塊鋼頭部卷取溫度命中率，采用數據挖掘技術，從歷史帶鋼冷卻數據中推斷出與實際帶鋼相匹配的卷取溫度模型水冷換熱學習系數，并將其應用于模型預設定計算。首先，對冷卻特征參數進行識別，按照相對型、絕對型、相等型和策略型四種方式進行定義，并對實際帶鋼與歷史帶鋼的各項冷卻特征參數進行相似距離計算。當歷史帶鋼的總相似距離滿足要求時，將其聚類為實際帶鋼的相似卷，并考慮各相似卷的時間影響，計算相似權重值；隨后，基于相似帶鋼的頭部和尾部信息，建立由卷取溫度預報誤差、偏離學習系數回歸值懲罰項和偏離默認值懲罰項等構成的目標函數以及相應的約束條件，采用梯度下降法求解該二次規劃問題，通過三次優化逐步計算出學習系數參考值和表征學習系數與帶鋼速度及目標卷取溫度呈雙線性關系的兩個參數；最后，根據實際帶鋼的穿帶速度、目標卷取溫度等冷卻條件計算冷卻設定所需的學習系數。現場應用表明：基于十萬塊歷史帶鋼冷卻數據驅動的模型參數即時自適應設定算法可增強卷取溫度模型對帶鋼頭部冷卻的預設定能力，學習系數即時自適應設定能力隨著內存中保存的歷史帶鋼冷卻數據的多樣性和檢索出的相似卷數量的增加而提升。

基于Copula函數的熱軋支持輥健康狀態預測模型

李天倫, 何安瑞, 邵健, 付文鵬, 強毅, 謝向群

2020, 42(6): 787-795. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.26.001

[摘要](2678)

[HTML全文] (1266)

[PDF 1205KB](78) [施引文獻] ()

摘要:
熱軋支持輥的健康狀態在帶鋼板形質量和軋制穩定性控制中起著關鍵作用，非線性、強耦合、少樣本等特點使得熱軋支持輥健康狀態的預測復雜，目前各大鋼廠仍以定期維護和事后維修為主。本文提出了一種支持輥虛擬健康指數的構建方法以及基于Copula函數的復雜工況健康狀態預測模型。首先結合支持輥彎竄輥數據表征支持輥健康狀態，再使用K-means聚類方法對支持輥工況進行劃分，將各工況下過程數據分別構建Copula預測模型，最后根據實際軋制計劃的排布順序融合各工況模型的預測結果。提出的基于Copula函數的預測模型在某鋼廠1780熱連軋產線得到應用，結果表明，該模型能夠準確有效的按照軋制計劃實現支持輥的健康狀態預測，以更科學的策略指導支持輥更換維護。

等效循環電池組剩余使用壽命預測

李練兵, 季亮, 祝亞尊, 王志江, 嵇雷

2020, 42(6): 796-802. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.03.003

[摘要](1801)

[HTML全文] (1318)

[PDF 824KB](97) [施引文獻] ()

摘要:
電動汽車以零污染、零排放等優點成為新能源汽車中最具有發展潛力的對象，鋰離子電池作為其動力來源，科學準確地預測其剩余使用壽命是決定電動汽車性能的重要因素。本文研究等效循環電池組在等效循環工況、不同循環次數時，鋰離子電池電壓隨著放電時間的變化曲線。通過分析不同循環次數下導函數在等效特征點處的斜率變化規律，建立鋰離子電池等效循環工況下的壽命退化曲線。選取NASA等效循環電池組和自測JZ等效循環電池組，將放電初期和放電后期曲線與特定斜率直線交點作為等效循環壽命預測的等效特征點，根據這兩組特征點分別建立退化模型Mini和Mlat。最后選取等效循環電池組內的其他電池進行鋰離子電池等效循環壽命預測的驗證。通過鋰離子電池測試數據集驗證其預測精度較高，穩定性較好，具有較強的應用價值。