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2019年  41卷  第2期

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我国铜矿微生物浸出技术的研究进展
尹升华, 王雷鸣, 吴爱祥, 陈勋, 严荣富, 齐炎
2019, 41(2): 143-158. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.001
摘要:
回顾了我国微生物浸出技术发展的历史进程,总结了我国开展生物浸铜技术的探索与应用进程,介绍了紫金山铜矿、德兴铜矿两个典型的生物浸铜案例;探讨了浸矿细菌分离、鉴定与富集,生物浸出机理与界面反应,浸出体系多级渗流行为,孔隙结构重构与定量化,浸出体系多场耦合与过程模拟,电子废弃物中的铜金属回收领域的主要进展.最后,结合生物浸铜技术的当前进展,阐述了生物浸铜技术面临的环保、安全等方面的挑战与未来发展趋势,为今后该领域的研究提供良好借鉴.
金属增材制造技术的关键因素及发展方向
李昂, 刘雪峰, 俞波, 尹宝强
2019, 41(2): 159-173. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.002
摘要:
金属增材制造技术是一种短流程、近终形的新型材料成形技术.在金属增材制造技术中,设备是载体,材料是关键,工艺是基础,三者是影响金属增材制造技术发展的关键因素.本文通过对具有代表性的金属增材制造技术的特点进行总结,分析了设备、材料和工艺之间的关系以及三者在金属增材制造技术中的重要作用;综述了金属增材制造设备的原料供给系统、成形系统和控制系统的研究现状;总结了金属增材制造材料中钛合金、镍合金、铝合金和钢铁材料的典型组织特点和力学性能;论述了金属增材制造工艺参数对残余应力、孔洞、精度和组织的影响;指出了目前金属增材制造技术在设备方面存在设备成本高、产品成形尺寸受限、成形效率低等问题,在材料方面存在生产成本高、适用性差等问题,在工艺方面存在参数匹配困难、热积累严重等问题;从降低设备和材料成本、扩大产品成形尺寸范围、提高产品精度和成形效率、拓展材料种类和适用范围、减少工艺参数匹配难度、提升产品质量及综合性能、开发金属增材制造新技术方面展望了金属增材制造技术的发展方向.
碳酸钠对白钨矿自载体浮选的影响及机理
王纪镇, 印万忠, 孙忠梅
2019, 41(2): 174-180. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.003
摘要:
-10 μm白钨矿的浮选回收率低,导致大量白钨矿损失于尾矿中,造成资源浪费,而载体浮选是提高-10 μm白钨矿回收率的有效方法之一.根据粒级以及粒级组成对白钨矿浮选的影响,通过浮选试验、理论计算和仪器检测等方法研究了-10 μm细粒级白钨矿的自载体浮选,同时研究了载体比例、载体含量和碳酸钠对白钨矿自载体浮选的影响.研究结果表明,油酸钠为捕收剂时,在合适的载体粒度和载体比例下,自载体浮选是提高-10 μm白钨矿回收率的有效方法,碳酸钠可强化白钨矿的自载体浮选,扩大载体比例和载体粒度范围.机理研究表明,白钨矿
高碱度烧结矿矿相结构分布模式及形成机理
陈前冲, 韩秀丽, 刘磊
2019, 41(2): 181-189. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.004
摘要:
基于烧结矿的非均性,发现了矿相结构的三种分布模式,并对矿相结构的形成机理进行了阐述.首先,基于烧结矿的手标本鉴定特征把某钢厂烧结矿划分成了三类.其次,对矿相结构的鉴定发现,第1类、第2类、第3类这三类烧结矿的矿相结构在空间上依次具有"均一状、同心环状、互嵌状"三种分布模式.均一状分布的矿相结构形成于温度较高、还原性较强和混料均匀的稳定条件之中,主要为交织熔蚀-熔蚀结构,具有良好的冶金性能;同心环状分布的矿相结构从外部带到内部带依次为交织熔蚀结构、熔蚀结构和赤铁矿粒状结构,多以独立单元的形式出现,其所在区域工艺条件的恶化并不会对烧结矿总体的结构和冶金性能造成太大影响;交织熔蚀结构、赤铁矿粒状结构和铁酸钙聚集区交叉形成的互嵌状矿相结构,多形成于温度较低、气流不稳定和混料不均匀的条件之中,易成片出现而导致烧结矿结构和冶金性能的恶化.最后,冶金性能分析显示,第1、2类烧结矿各项冶金性能指标良好,具有互嵌状分布模式的第3类烧结矿由于矿相结构的不均匀,冶金性能相对较差.结果表明,这种基于矿相结构分布模式的研究方式,有利于对矿相结构形成机理的阐述,更助于对烧结原料、烧结气氛等工艺条件的调控,对烧结矿冶金性能的改善具有一定理论价值.
高炉炉缸含钛保护层物相及TiC0.3N0.7形成机理
焦克新, 张建良, 刘征建, 王广伟
2019, 41(2): 190-198. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.005
摘要:
基于高炉破损调查取样分析,借助X射线荧光分析、X射线衍射分析、电子探针分析、扫描电子显微镜结合能谱分析等手段分析了高炉炉缸、炉底不同部位形成的含钛保护层化学成分、物相组成和微观形貌,并建立正规溶液热力学模型对Ti (C,N)形成的热力学条件进行分析,然后针对高炉的实际工况,明晰高炉炉缸TiC0.3N0.7形成的条件.结果表明,高炉炉缸侧壁最薄处炭砖残余厚度仅为200 mm;炉缸炉底炭砖表面普遍存在含钛保护层,保护层平均厚度在300~600 mm左右,高炉炉缸不同部位形成的保护层中Ti(C,N)主要以TiC0.3N0.7形式存在,并与Fe相聚集在一起.Ti (C,N)固溶体实际混合摩尔生成吉布斯自由能显著低于标准混合摩尔生成吉布斯自由能和理想混合摩尔生成吉布斯自由能.在不同温度条件下,TiC和TiN在固溶体中存在的比例不同,高温时以析出TiC为主,低温时以析出TiN为主.Ti (C,N)固溶体的形成与高炉热力学状态条件直接相关,TiC0.3N0.7在该高炉炉缸中的形成温度为1423℃.
连铸流动与凝固耦合模拟中糊状区系数的表征及影响
李少翔, 张晓萌, 李亮, 兰鹏, 唐海燕, 张家泉
2019, 41(2): 199-208. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.006
摘要:
分析提出了连铸流动与凝固耦合数值模拟中,钢液在两相区流动时的糊状区系数(Amush)与渗透率的关系;通过建立大方坯连铸结晶器三维耦合数值模型,揭示了不同糊状区系数对钢液流动、传热与凝固进程的影响,以及早期相关研究结果差异的源头.结果表明:糊状区系数越大,钢液在糊状区内的流动阻力越强,凝固时钢液流动速度降低越快.采用较大的糊状区系数时,糊状区呈较窄的"带状"分布在固液相之间;当糊状区系数较小时,糊状区范围变大,钢液在结晶器内温降过快,自由液面处出现过冷现象,凝固坯壳局部发生重熔.结合实验数据验证与模型分析,认为糊状区系数取值1×108~5×108 kg·m-3·s-1可以较可靠地揭示连铸结晶器内的实际凝固现象.
新型粉末高温合金多火次等温锻造过程中晶粒细化机制
侯琼, 陶宇, 贾建
2019, 41(2): 209-215. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.007
摘要:
为探索多火次等温锻造对新型粉末高温合金晶粒细化的影响,本文对实验合金进行了每火次变形量40%左右的三火次等温锻造,采用商用有限元软件DEFORM 2D模拟锻造过程中的等效应变分布图,采用电子背散射衍射技术对各火次后的锻坯进行显微组织观察和分析.研究表明:等温锻造过程中,锻坯轴向剖面大致分为三个区域,位于上、下两端面附近的Ⅰ区变形量最小,位于两侧附近的Ⅱ区次之,位于剖面中心的Ⅲ区变形程度最大.经过三火次等温锻造后,锻坯Ⅱ、Ⅲ区再结晶充分,获得等轴细晶组织,平均晶粒尺寸2~3 μm.然而Ⅰ区形成再结晶不完全的"项链"组织,在变形晶粒周围分布大量细小的再结晶晶粒,变形晶粒内小角度晶界含量较多,位错密度较高.通过对三火次后的锻坯进行合适的热处理,Ⅰ区"项链"组织得到细化,Ⅱ、Ⅲ区组织发生晶粒长大,整个盘坯为较均匀的细晶组织,平均晶粒尺寸为6~8 μm.
吡咯/炭黑氧化物复合氧阴极材料的制备及催化性能
孙珊, 刘桎东, 刁鹏
2019, 41(2): 216-223. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.008
摘要:
氧还原反应(ORR)是碱性燃料电池和金属-空气电池的重要阴极反应.由于常见的铂基氧阴极材料存在价格昂贵、稳定性较低等问题,因此,开发低成本、高效率的非贵金属基氧阴极材料具有重要的研究意义和应用价值.氮掺杂碳材料是目前氧阴极材料研究的热点,炭黑中碳原子的排列方式类似于石墨,由于其价格低廉、来源广泛,在碳材料的研究中具有独特的优势.本文基于炭黑,采用化学法制备了氮掺杂炭黑氧阴极材料,研究了其氧还原反应催化活性,并进行了相关表征.结果显示炭黑-吡咯复合材料具有极好的氧还原反应活性,700℃热处理后性能最优,在1 mol·L-1 KOH中其起峰电位约为0.9 V,极限扩散电流密度为2.6 mA·cm-2,转移电子数高于3.5,这些特性使得这类材料具有广阔的应用前景.
非晶半导体薄膜用Te系化合物靶材制备
潘兴浩, 储茂友, 王星明, 刘宇阳, 白雪, 桂涛, 张朝
2019, 41(2): 224-229. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.009
摘要:
采用真空熔炼法,经急冷和缓冷两种不同冷却条件制备了Te系化合物TeAsGeSi合金粉体.通过X射线衍射分析,急冷工艺制备粉体呈非晶态,缓冷工艺制备的粉体呈晶态,结晶主相为R-3m空间群的As2GeTe4;差热-热重分析显示,升温至350℃时缓冷粉体As2GeTe4成分熔融,400℃时两种粉体均开始快速失重,为避免制备过程中发生材料熔融及挥发损失,确定烧结温度不超过340℃.采用真空热压法制备TeAsGeSi合金靶材,将两种粉体分别升温至340℃,加压20 MPa,保温2 h制备出两种靶材,其中缓冷粉体制备的靶材致密度高,为5.46 g·cm-3,达混合理论密度的99.5%,形貌表征显示此靶材表面平整,孔洞少,元素分布均匀.
钯掺杂α-MnO2无溶剂下催化氧化苯甲醇的性能
黄秀兵, 王静静, 郑海燕, 路桂隆, 王鹏
2019, 41(2): 230-237. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.010
摘要:
通过共沉淀和原位煅烧转化方法,将Pd掺杂δ-MnO2前驱体煅烧后制备得到Pd掺杂α-MnO2纳米棒催化材料.通过氮气物理吸附、X射线衍射、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、热重分析、X射线光电子能谱等技术对催化材料进行了表征.扫描电镜和透射电镜结果显示,α-MnO2纳米棒表面没有明显的Pd纳米颗粒,表明Pd可能掺杂到α-MnO2晶格中.纯α-MnO2的还原温度在390℃左右,但Pd掺杂可以极大地促进α-MnO2还原,还原温度可低至约200℃左右.研究了所制备催化剂在无溶剂条件下对于以分子氧为氧化剂选择性催化氧化苯甲醇为苯甲醛的催化性能.结果表明:在无溶剂及用纯氧气为氧化剂条件下,Pd掺杂α-MnO2纳米棒对苯甲醇氧化显示出增强的催化活性;所掺杂的氧化态Pd物质可增强催化材料中的氧迁移率;在这些Pd掺杂α-MnO2催化材料中,当以Pd (3%,质量分数)-MnO2为催化剂时,在110℃反应4 h后,苯甲醇的转化率为39%,远高于同条件下以纯α-MnO2为催化剂时18.3%的苯甲醇转化率.
医用镍钛合金的制备与热压缩变形行为
王臻, 徐效文, 王快社, 王文
2019, 41(2): 238-245. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.011
摘要:
采用真空感应熔炼法制备了医用Ti-50.7% Ni合金(原子数分数),测试了铸态合金的成分、相变点、微观组织和硬度,并采用Gleeble-3800热模拟实验机在变形温度750~950℃、应变速率0.001~1 s-1,应变量为0.5的条件下对Ni-Ti合金进行高温压缩变形,分析其流动应力变化规律,建立了高温塑性变形本构关系和热加工图.结果表明:当变形温度减小或应变速率增大时,Ni-Ti合金的流动应力会随之增大.应变速率为1 s-1时,合金的真应力-真应变曲线呈现出锯齿状特征.根据热加工图,获得了Ni-Ti合金的加工安全区和流变失稳区,进而确定其合理的热变形温度范围为820~880℃,真应变速率低于0.1 s-1.从而为制定镍钛合金的锻造工艺参数提供理论和数据基础.
Mn对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响
郑建超, 潘超, 张建涛, 付少鹏, 林平, 胡晓军
2019, 41(2): 246-253. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.012
摘要:
研究锰元素对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响,锰质量分数的变化范围为0.93%~1.26%.分别采用化学腐蚀法、动电位极化法研究双相不锈钢2205的耐腐蚀性能,采用夹杂物自动分析技术研究锰对钢中夹杂物种类及数量的影响,通过扫描电镜、能谱及夹杂物原位分析法观察化学腐蚀及电化学腐蚀前后钢中夹杂物及其周围钢基体的变化情况.采用电感耦合等离子体发光光谱测定腐蚀产物的成分.研究结果表明,不同类型的夹杂物对耐腐蚀性能的影响不同,(Mn、Si)氧化物以及(Mn、Si、Cr)氧硫化物在腐蚀液中更易溶解进而促进腐蚀,而(Cr、Mn、Al)氧化物却很稳定.锰的加入会促进钢中(Cr、Mn、Al)夹杂的析出,此类夹杂物不仅自身很容易被含Cl离子的溶液腐蚀,而且作为点蚀的起始点,促进了点蚀坑的形成,加快了基体腐蚀,最终导致不锈钢耐点蚀性能的下降.
应力比对TC4钛合金超高周疲劳失效机理的影响
杲宁, 李伟
2019, 41(2): 254-260. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.013
摘要:
采用频率为100 Hz的电磁谐振疲劳试验机进行疲劳拉伸试验,研究了两种应力比(R=0.1和-1)对TC4钛合金的超高周疲劳失效机理的影响.结果表明,两种应力比下的S-N曲线都呈现"双线"型,但各自表示的意义及失效机理不同.当R=0.1时,TC4钛合金的疲劳失效形式有两种,即由加工缺陷诱发的表面失效和内部鱼眼失效,这两种失效形式都伴随着颗粒平面(Facet)出现;而当R=-1时,仅存在表面失效,且无Facet的出现.基于断裂力学的讨论可知,在正应力比及真空环境下,对应小裂纹扩展的门槛值更低,更有利于裂纹扩展及Facet的形成.TC4钛合金的整个内部疲劳失效过程及机理可解释为:(1)滑移线或滑移带在部分α晶粒上的出现;(2)微裂纹的萌生和接合;(3)颗粒亮区(GBF)的形成;(4)鱼眼的形成;(5)鱼眼外的失稳裂纹扩展;(6)最终的瞬时断裂.
基于捷径重试规则晶圆带式搬运系统性能优化
周炳海, 陈立扬
2019, 41(2): 261-268. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.014
摘要:
采用数学分析的方法构建了性能分析模型并提出了制定捷径决策的方法.在建模过程中,首先引入了重试运输规则,并考虑重试率随捷径策略变动的情况下,引用相关重试排队模型,构建了系统期望在制品数量的数学表达式.同时根据每条捷径的使用成本,构建了相应的捷径成本的数学表达式.从而获得以最小化捷径数量与在制品数量为目标函数的优化分析模型.此外,引入了基于传送带长度的约束条件,使系统在每段传送带以及捷径上的在制品数量不会超过传送带的容量限制.最后使用NSGA-Ⅱ算法对多目标优化问题进行分析计算.考察在不同物流负荷下的系统在制品数量和成本之间的关系变化规律,并分别绘制帕累托前沿图形进行比较分析,研究了目标函数中的系数设定对系统的影响,并结合聚类分析的算法对所得的解集进行分类.综合以上分析结果总结出系统捷径的最佳使用策略,并通过与现有系统和搬运策略进行比较,证实了该策略在降低成本和在制品方面的有效性.
开口管桩贯入特性的大尺度模型试验
刘俊伟, 王立忠, 朱娜, 张春巍, 赵国晓
2019, 41(2): 269-277. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.015
摘要:
开口管桩由于其承载力高、质量可靠、施工方便等优点得到越来越广泛的应用.土塞的生成使得开口管桩沉桩阻力不同于闭口管桩,不仅包括桩外侧摩阻力、桩端阻力,桩内侧摩阻力亦是其重要组成部分.针对开口管桩沉桩受力特性,采用自主研发的大尺度模型试验装置,进行不同桩靴形式下开口管桩的贯入试验,并与闭口管桩进行对比分析.研究表明,开口管桩随沉桩深度的增加趋于闭塞,沉桩阻力随沉桩过程基本呈线性增加,桩内、外侧单位摩阻力均存在"侧阻退化"效应;桩体贯入时桩周地表隆起量随径向距离增加逐渐减小,隆起速率随沉桩深度增加逐渐变缓,桩周土影响范围约为5~7倍桩径;桩靴对开口管桩土塞生成、沉桩阻力和挤土效应均有重要影响,内30°桩靴土塞生成高度、桩内侧摩阻力及其所占总沉桩阻力比例最大,桩周土地表隆起量最小,外30°桩靴与内30°桩靴情况相反,直角桩靴居中;闭口管桩沉桩阻力、外侧摩阻力与挤土程度均大于开口管桩.