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2020年  42卷  第2期

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多模型自适应控制理论及应用
张玉振, 李擎, 张维存, 杨宇航
2020, 42(2): 135-143. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.25.006
摘要:
作为对经典自适应控制改进的控制方法,多模型自适应控制是解决复杂的大范围参数不确定系统的一种有效途径,并在理论和实践中取得了丰富成果。依据控制器集的不同综合策略,其被分为多种类型,本文旨在对加权型的多模型自适应控制进行综述。加权多模型自适应控制的基本思路是采用“分而治之”的办法,离线建立多个局部模型和对应的多个局部控制器,在线加权融合各个局部控制器的控制输出,从而形成全局控制,是实现鲁棒自适应控制的一类重要方法。首先比较详细地介绍了加权多模型自适应控制研究的历史及现状,然后给出相关研究的新进展和一些观点,包括新的加权算法和相应的加权多模型自适应控制系统的稳定性结果等,最后指出未来的几个研究方向。
炼钢‒连铸生产调度的研究进展
刘青, 刘倩, 杨建平, 张江山, 高山, 李强笃, 王宝, 王柏琳, 李铁克
2020, 42(2): 144-153. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.30.002
摘要:
针对炼钢‒连铸过程的生产调度问题,首先,对生产调度问题的研究方法进行了总结和评述,梳理了各类方法的特点及适用范围;其次,介绍了当前国内外钢厂典型计算机辅助调度系统的一些案例,并讨论分析其特点;最后,在以往研究的基础上,对未来炼钢‒连铸过程生产调度问题的研究思路和方法提出了建议,针对静态调度提出了“规则+算法”的研究思路,以国内某特钢厂为例,提出了基于钢厂生产模式优化的调度模型构建方法;针对动态调度提出“多工序协同”的研究思路,提出了基于多智能体的炼钢‒连铸过程多工序工艺、质量与调度的协同控制的研究方法。优化高效的建模及求解方法是解决生产调度问题的重要手段之一,旨在改善当前钢厂生产计划编制水平、提高生产计划的可执行性、加强现场实时调控,对实现炼钢‒连铸过程稳定化、有序化、连续化运行具有重要意义。
磁场形式及参数对单纤维捕集钢铁行业粉尘中PM2.5性能影响
张俪安, 刁永发, 庄加玮, 周发山, 沈恒根
2020, 42(2): 154-162. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.004
摘要:
目前钢铁行业已成为大气污染防治的重点,为解决现有钢铁行业对于PM2.5细颗粒难以捕集的难题,实现粉尘的超低排放。基于CFD-DPM(computational fluid dynamics-discrete phase model)方法对磁性纤维产生的磁场以及高梯度磁场等不同磁场形式下单纤维对钢铁行业捕集PM2.5性能的影响进行研究,通过X射线衍射图谱分析可知钢铁行业生产过程产生的粉尘因含有Fe3O4以及单质Fe而具有磁特性,进而提出了利用磁场来增强单纤维捕集PM2.5性能的方法. 计算结果表明,在运动轨迹方面,磁性纤维产生的磁场会在纤维周围形成引力区,高梯度磁场会在纤维周围形成2个引力区和2个斥力区;在捕集性能方面,当粉尘粒径dp为0.5~1.0 μm,入口风速v≤0.2 m·s−1时,高梯度磁场下磁性纤维的捕集能力要强于单一磁性纤维的捕集能力,若磁场强度H=0.5 T,磁感应强度B=0.01 T,v=0.1 m·s−1,高梯度磁场可以使单纤维的捕集效率提高为传统单纤维捕集的28.32倍,若B=0.01 T,v=0.1 m·s−1,磁性纤维产生的磁场可以使捕集效率提高为传统单纤维捕集的4.037倍;在磁性纤维产生的磁场中,当磁感应强度B≥0.03 T时,磁性单纤维对PM2.5的捕集效率随着入口风速的增加而减小,后趋于稳定,当B<0.03 T时,捕集效率随入口风速逐渐减小;捕集效率随粉尘粒径的增加而增大. 而对于高梯度磁场,单纤维对PM2.5捕集效率同样随着入口风速的增加而减小,当v>0.4 m·s−1时,捕集效率为0,B越大,捕集效率下降越快;捕集效率随着粉尘粒径增大呈现先增加后减小的趋势.
基于优化粗粒级固体燃料赋存形态的铁矿烧结过程NOx减排
阙志刚, 吴胜利, 艾仙斌
2020, 42(2): 163-171. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.21.001
摘要:
铁矿烧结工序作为钢铁行业NOx排放的主要来源,在当前高压环保态势下减少其NOx排放迫在眉睫。烧结过程NOx主要产生于固体燃料燃烧过程,而粗粒级燃料的赋存形态会影响其NOx排放。基于此,本研究采用可视化微型烧结燃烧装置研究裸露型和被覆型粗粒级焦粉的燃烧行为,以及优化其配加模式对NOx排放和烧结固结强度的影响规律,并烧结杯实验研究兼顾NOx减排和烧结产质量指标的适宜粗粒级燃料赋存形态。结果表明,相比裸露型粗粒级焦粉,表面被覆铁酸钙细粉时其NOx排放降低约56%;分加粗粒级焦粉以调控其为裸露型时,NOx排放增加约10%,且烧结矿强度降低,而控制粒度为0.5~3.15 mm以调控其为被覆型时,NOx最大体积分数和N元素转化率分别降低约8%和27%,且烧结各项产质量指标均得到改善。
钢渣改性生物质废弃材料制备生态活性炭及其降解甲醛性能
张浩
2020, 42(2): 172-178. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.03.001
摘要:
以钢渣与生物质废弃材料为研究对象,利用钢渣中含有的金属氧化物对生物质废弃材料进行改性处理获得生态活性炭,研究钢渣种类、钢渣粉磨时间和钢渣超微粉用量对生态活性炭降解甲醛性能的影响。利用X-射线荧光光谱仪(XRF)、X-射线衍射仪(XRD)、激光粒度仪(LPSA)、傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)、比表面积及孔径测定仪(BET)和扫描电子显微镜(SEM)测试钢渣超微粉的化学成分、钢渣超微粉的矿物组成、钢渣超微粉的粒径分布、钢渣超微粉的结构组成、生态活性炭的孔结构和生态活性炭的微观形貌。结果表明:钢渣为电炉渣,钢渣粉磨时间为90 min,钢渣超微粉用量为20 g制备的生态活性炭具有良好的降解甲醛性能与合理的经济性,即10 h后甲醛降解率为57.5%。电炉渣中Fe元素与Mn元素含量高,其中Fe元素促使大量甲醛在活性炭的多孔结构中形成富集,Mn元素对富集的甲醛进行催化降解,实现吸附降解与催化降解的协同作用。适当延长钢渣粉磨时间可以减小钢渣超微粉的粒径大小与改善钢渣超微粉的粒度分布均匀程度,有利于提高钢渣超微粉与活性炭、甲醛的降解作用面积。适量的钢渣超微粉可以提高生态活性炭的粉化率,抵消由于孔容积与比表面积降低导致的活性炭吸附降解作用下降的问题。
Cr和Si元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响
易昊钰, 陈思含, 王旻, 梁田, 马颖澈
2020, 42(2): 179-185. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.003
摘要:
以316Ti奥氏体不锈钢为基础,设计不同Cr和Si元素含量的合金成分,结合Thermal-Calc热力学模拟计算与合金铸锭凝固组织形貌、成分分析,研究了Cr和Si元素对合金凝固组织构成的影响。研究结果表明,热力学计算能够获得奥氏体不锈钢中析出δ相的临界Cr和Si含量。合金凝固时的元素偏析和冷却过程中的“δ→γ”相变可对δ相析出预测产生一定影响。此外,本工作还针对δ相析出评价了两种凝固路线判据。
基于无网格伽辽金法的连铸坯凝固计算方法
王宁, 王旭东, 蔡来强, 姚曼
2020, 42(2): 186-193. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.02.001
摘要:
为考察无网格方法求解铸坯凝固过程的可行性,本文依据移动最小二乘和变分原理,推导并建立了基于无网格伽辽金法的结晶器内铸坯凝固过程二维非稳态传热/凝固数学模型。以小方坯凝固过程为对象,分别采用节点均匀布置、加密布置、随机布置方式,模拟分析了小方坯凝固过程的温度场变化,并将计算结果与参考解、有限元法数值解进行了对比,结果证实无网格伽辽金法在计算精度、自适应性、网格依赖性等方面均优于有限元法。研究结果为无网格方法应用于连铸过程的传热、凝固以及应力/应变行为的数值计算提供参考。
IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布及洁净度评估
高帅, 王敏, 郭建龙, 王皓, 智建国, 包燕平
2020, 42(2): 194-202. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.22.004
摘要:
为了减少IF钢生产过程中冷轧板缺陷以及降低夹杂物对钢的成材性能的影响,重要的是明确IF钢铸坯厚度方向夹杂物分布规律,本文采用氧氮分析、扫描电镜和能谱分析、夹杂物自动扫描以及原貌分析等手段进行了系统的分析。结果表明,铸坯厚度方向T.O(总氧)和N的平均质量分数值分别为1.6×10−5和1.7×10−5,T.O在内弧表面1/8处最高,为2.0×10−5,内弧1/8~3/8区间N质量分数较高,为1.8×10−5;共统计1177个夹杂物,70%以上夹杂物的尺寸都在5 μm以内,平均尺寸为2.8 μm,内、外弧3/8处夹杂物平均尺寸较大,分别为4.0 μm、4.4 μm;铸坯中心TiN析出量较多,内外弧表面以Al2O3和Al2O3−TiOx为主,尺寸在5~10 μm之间,Al2O3−TiN在内外弧1/4处呈不规则状,尺寸在3~5 μm;当凝固率0.646 < f ≤ 0.680时,凝固前沿液相以及δ相中开始有TiN析出,尺寸在3~6 μm之间波动。
CO2作为RH提升气的冶金反应行为研究
魏光升, 韩宝臣, 朱荣
2020, 42(2): 203-208. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.001
摘要:
钢液真空循环脱气法(RH)精炼能够利用高真空和钢液循环流动有效脱气和去除夹杂物。同时,炼钢环境下 CO2可与钢液中[C]反应生成CO提高搅拌强度。因此,本文提出将CO2作为RH提升气进行真空精炼。针对CO2在RH精炼过程的冶金反应行为特性,通过热力学理论分析了极限真空条件下CO2脱碳的有利条件及限度,同时搭建了CO2作RH提升气工业试验平台,通过工业试验对比研究了CO2/Ar分别作提升气时对钢液精炼过程的影响。结果表明,若单纯考虑CO2与碳反应,则当钢液中[C]低于1.8×10−6,CO2仍然具有氧化碳元素的能力。然而,CO2对钢液中碳铝元素存在选择性氧化,当铝含量低于一定程度时,CO2主要参与脱碳反应;反之,CO2则会造成一定铝损,因此若采用新工艺需考虑铝合金加入时机以及加入量。此外,CO2用作RH提升气可获得与Ar效果相当甚至更优的脱氢效果,喷吹同等量CO2并未造成钢液的大幅温降,因此CO2完全有潜力作为RH提升气,进而完成精炼。
基于圆环压缩和挤压–模拟法的Zr-4合金塑性成形摩擦因子测定
赵乙丞, 朱广伟, 齐鹏, 张志豪
2020, 42(2): 209-215. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.07.002
摘要:
采用圆环压缩法和挤压–模拟法测定Zr-4合金有润滑条件下的摩擦因子,讨论了2种方法所测定摩擦因子存在差异的原因。研究结果表明,在模具(砧面)粗糙度Ra = 0.6 μm、实验温度700~800 ℃的条件下,采用圆环压缩法获得的Zr-4合金与模具的摩擦因子为0.18~0.27,摩擦因子随实验温度的升高而增大。挤压温度为750 ℃时,采用挤压–模拟法获得的热挤压平均摩擦因子为0.35。测试结果存在较大差异的原因,是由于挤压过程润滑剂的剪切速率较圆环压缩实验大得多,且挤压过程中润滑剂所受压应力约为圆环压缩实验中的两倍,从而导致润滑剂黏度的增大,表现为摩擦因子较高。圆环压缩法获得的摩擦因子更适合于Zr-4合金的锻造等热加工工况。
水平连铸复合成形铜铝层状复合材料的组织与性能
王珺, 雷宇, 刘新华, 解国良, 江燕青, 张帅
2020, 42(2): 216-224. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.005
摘要:
提出了一种可以制备冶金结合界面双金属复合板带的水平连铸复合成形新工艺,其具有短流程、高效的特点。采用该工艺制备了截面尺寸为70 mm×24 mm(宽度×厚度)的铜铝复合板,获得了可行的制备参数,研究了所制备板坯的组织形貌和性能。结果表明,铜铝复合板制备成形过程中,会形成由金属间化合物和共晶相组成的复合界面层。铝液和铜板表面接触,发生固液转变形成(II)层:θ相。随着铜原子不断的向铝液中扩散,当铜原子含量达到一定程度,θ相发生固相转变形成(I)层:γ相。达到共晶温度时,发生共晶转变形成(III)层:α+θ共晶组织。其中I层和II层均为铜铝金属间化合物,是裂纹产生和扩展的主要区域,因此界面层厚度是决定结合强度的重要因素。通过调整工艺参数可以优化凝固过程中铜铝复合板内的温度场分布,进而控制复合界面层的形成过程,因此工艺参数之间的合理匹配是改善复合层组织结构和增大板坯结合强度的关键。
油水两相界面处缓蚀剂的作用效果及机理
贾巧燕, 王贝, 王赟, 孟凡娟, 王清, 张雷, 姚海元, 路民旭, 李清平
2020, 42(2): 225-232. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.11.001
摘要:
利用旋转圆柱电极,结合电化学方法(电化学交流阻抗、极化曲线)、激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度法研究了流动工况下油水分层介质中缓蚀剂在油水两相界面处的作用效果及机理。结果表明,该工况下,100 mg·L−1十七烯基胺乙基咪唑啉季铵盐缓蚀剂对碳钢在油水两相分层介质中的水区具有良好的缓蚀效果,缓蚀效率高达99%,但在油水两相界面区域,由于油相的大量存在,导致缓蚀剂的有效质量分数降为混合前的31%,缓蚀效率仅为83%,缓蚀效果较差,碳钢腐蚀未得到有效抑制,甚至出现了沟槽腐蚀。因此,在油区试样腐蚀轻微,并且缓蚀剂的加入有效抑制了水区X65钢的腐蚀。
DP590/DP780高强钢管液压成形的性能
崔振楠, 林利, 朱国明, 康永林, 刘仁东, 田鹏
2020, 42(2): 233-241. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.01.15.004
摘要:
为对生产进行指导,研究了DP590/DP780高强钢焊管在液压成形过程中的变形行为;使用场发射扫描电镜观察管材周向的横截面以确定基体的组织,通过VMHT30M显微硬度计确定管材的焊缝及热影响区的大小,以便研究液压成形破裂行为;采用液压成形试验机对两种管件进行液压成形研究。实验结果表明:管材在胀形过程中的破裂压力比理论计算公式得到的破裂压力大,破裂位置全部位于靠近焊缝及热影响区的母材区域;随着管径的增大和长径比的增大,管材的极限膨胀率呈现下降趋势;在自由胀形过程中,管材的焊缝区域基本上不发生减薄,最小壁厚位于管材的热影响区和基体的过渡区域,并且壁厚的减薄率在胀形最高点所在截面最大,越靠近管材夹持区,壁厚的减薄率越小。最终得到以下结论:管材液压成形实验是准确获得管材力学性能参数的途径;提高焊接质量有助于控制失效破裂位置;合理选择管材的长径比有利于管材性能的充分发挥;通过合理控制各处的减薄有利于降低液压成形件的破裂风险。
薄带冷连轧工作辊窜辊边降调控功效
王晓晨, 冯夏维, 徐冬, 杨荃, 孙蓟泉
2020, 42(2): 242-248. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.03.01.003
摘要:
在冷连轧无取向硅钢薄带过程中,为了实现锥形工作辊窜动自动控制边降,需要合理的确定功效系数与策略。这种系数的获得,不只需要研究本道次的轧辊弹性变形、薄带横向流动、机架间变形对窜辊效率的影响,更重要的是需研究上游机架窜辊对下游机架的影响。这就需要高效的仿真模型来完成以上计算。基于边降区域的金属横向流动理论,建立了将横向流动视为纯剪切增量的数值模型,避免了沿带宽方向建立刚度矩阵,从而提高了计算效率。同时考虑了薄带在机架间发生的轧后屈服流动,由于锥形工作辊窜动,打破了带钢断面的等比例遗传关系,使得轧后带钢在边部区域需要缩宽并减薄来补偿边部延伸率差。所建立的数值模型通过工业现场实验验证,相比于原有模型具有更高的精度。完成了两个机架连续计算,研究了上游机架窜辊对下游机架出口边降的影响。研究发现,第一机架的边降控制范围最宽,第二、三机架控制范围逐渐变窄。根据该规律设计了根据三点边降偏差的配合调控策略,相比单点策略在工业应用中取得了更好效果。
基于外部单目视觉的仿生扑翼飞行器室内定高控制
付强, 张树禹, 王久斌, 冯富森
2020, 42(2): 249-256. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.03.002
摘要:
针对扑翼飞行器的定高飞行,设计了基于外部单目视觉的室内定高控制系统:通过外部单目相机获取扑翼飞行器的飞行图像,基于Qt编写的地面站软件接收图像并利用基于OpenCV的图像处理算法检测扑翼飞行器上的发光标识点,获得标识点在图像上的像素坐标;基于卡尔曼滤波器(KF)建立标识点像素坐标的运动状态估计器,降低环境噪声干扰并解决了标识点被短暂遮挡的问题;分别建立常规PID和单神经元PID控制系统,通过蓝牙控制扑翼飞行器的电机转速,实现了基于图像的扑翼飞行器室内定高飞行。对比实验结果表明,本文设计的定高飞行控制系统可以使扑翼飞行器标记点的图像坐标保持在外部单目相机图像的中心横线处。针对阶跃响应信号,单神经元PID控制系统的响应速度比常规PID控制系统响应速度稍慢一些,但是控制精度明显优于常规PID控制器,最大相对误差为3%。