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2020年  42卷  第6期

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典型铁合金渣的资源化综合利用研究现状与发展趋势
苗希望, 白智韬, 卢光华, 刘磊, 郭敏, 程芳琴, 张梅
2020, 42(6): 663-679. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.10.003
摘要:
典型铁合金渣(硅锰渣,镍铁渣,铬铁渣)面临产量大、利用率低等紧迫问题。目前,我国对铁合金渣的利用主要集中于水泥、混凝土等传统建筑材料,但是其能耗大和产品价值相对局限。随着市场需求以及环保能源意识的提高,对铁合金渣的综合利用不断从传统建筑材料向具有低能耗、高附价值的新型材料方向转型。本文简要介绍了这三种典型铁合金渣的来源及其分类情况,系统分析了它们的化学成分及其矿物组成的差异性,重点概述了它们在水泥、混凝土等传统建筑材料,以及在地质聚合物、无机矿物纤维、微晶玻璃、人造轻骨料、耐火材料、新型墙体材料、特色功能陶瓷等新型材料领域应用的国内外最新研究进展,分类总结不同种类铁合金渣应用于不同材料的优缺点,并对其今后的利用方向与途径提出了展望,指出了要进一步研究并突破主要利用方式的限制瓶颈、制定并完善相关应用及污染控制标准、以及深入开发并推广高附加值产品的重点发展方向。
MOF材料在水环境污染物去除方面的应用现状及发展趋势(II)
黄祎萌, 曹晓强, 尹继洁, 李广, 张迪, 李明真, 孟娜, 陈平, 由晓芳, 陈明, 颜炳琪, 李琳, 王鹏, 吕宪俊
2020, 42(6): 680-692. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.08.003
摘要:
对近年来MOF材料去除水环境中重金属、有机物的相关研究进行了总结与评述。本篇是该主题的第2篇,主要对MOF材料去除水中有机污染物的相关研究进行总结和论述。研究表明,MOF材料含有大量开放性金属位点、路易斯酸碱位以及官能团,因而对染料、抗生素、农药、持久性有机污染物等均具有较高的吸附性能。氢键、π‒π作用、疏水作用和静电引力是其吸附有机污染物的主要机制,部分MOF材料中较大的孔道结构也有利于大分子有机污染物的吸附;另外,部分MOF材料还具有优异的催化性能,能够作为类Fenton催化,光催化以及过硫酸盐活化的催化剂实现对有机污染物的催化降解,其中光催化反应中污染物的降解主要源于·O2−、·OH和h+的贡献;而在过硫酸盐体系中,·O2−、·OH、SO4·−1O2是导致有机污染物分解的主要活性氧化物种。基于对先前研究的回顾,相信未来的研究领域包括但不限于以下方面:(1)进一步提高MOF在去除有机污染物方面的性能,并提高其可回收性;(2)开展新型MOF催化材料的制备及催化反应机理的研究;(3)研究MOF缺陷结构的调控,以开发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,例如共价有机骨架(COFs)材料,并将其应用于污染物净化领域。
锌的生物浸出技术现状及研究进展
李旭, 高文成, 温建康, 武彪, 刘学
2020, 42(6): 693-703. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.09.24.001
摘要:
锌是现代工业所必需的有色金属,属于很重要的战略资源,其在世界所有金属产量中排名第四,仅次于铁、铝和铜。随着低品位难处理锌资源的种类和产量的不断增加,以及湿法冶金技术的不断发展,锌的生物浸出技术得到了研究人员的广泛关注,并展示出了良好的潜在应用前景。本文首先较为详细的介绍了含锌资源的矿物特征,并对其生物可浸性进行了分析。其次,对目前锌的生物浸出体系,所用浸矿菌种,浸出过程所涉及的电化学、热力学、动力学以及浸出机理进行了归纳总结;接着,对锌的生物浸出技术现状和工艺新进展进行了阐述。最后,展望了锌的生物浸出工艺的发展趋势及后续的研究热点。研究表明高效浸锌菌种的选育驯化、与之相匹配的工艺及装备研发,是锌的生物浸出当今研究热点及未来发展方向。
电子皮肤新型材料与性能研究进展
万甦伟, 陈家林, 李世鸿, 李俊鹏
2020, 42(6): 704-714. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.18.001
摘要:
电子皮肤作为一种柔性触觉仿生传感器已经广泛地应用于人体生理参数检测与机器人触觉感知等领域。基于金属和半导体材料的传统电子皮肤触觉传感器,由于柔韧性和可穿戴性差,已经难以满足实际使用中对拉伸性、便携性的要求。得益于柔性材料、制造工艺和传感技术的快速发展,近年来聚二甲基硅氧烷、碳纳米管、石墨烯等新材料被用于制备或支撑电子皮肤传感器,使电子皮肤在性能上更趋于人类皮肤。本文分析讨论了电子皮肤新材料以及应用于电子皮肤当中的传感技术,重点总结了近年来电子皮肤在可拉伸/压缩性、生物相容性、生物降解性、自供电性、自修复性、温度敏感性以及多功能集成等方面的研究进展,展望了未来电子皮肤新性能的研究方向以及实现大面积、低成本、多种功能集成电子皮肤传感器阵列的可能途径。
高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理
刘力源, 纪洪广, 王涛, 裴峰, 权道路
2020, 42(6): 715-722. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.004
摘要:
随着矿产资源开采深度的不断增大,地应力、地温和孔隙水压随之显著增大,岩石的非线性力学行为更加凸显。针对高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂问题,构建了流固损伤耦合效应力学分析模型,分析了流固耦合条件下深竖井开挖围岩有效应力,探讨了孔隙水压及地应力场对围岩损伤破裂演化的作用机制。研究结果表明:孔隙水压及孔隙水压梯度越大围岩损伤破裂区面积越大,围岩损伤破裂区面积随围岩渗透率的减小逐渐增大并趋于稳定;地应力场对围岩破裂形态具有重要控制作用,最大水平主应力与最小水平主应力差异较小时,围岩损伤破裂区集中在最小水平主应力方向,以剪切损伤为主,最大水平主应力与最小水平主应力差异较大时,在最大水平主应力方向上会产生拉伸损伤破裂区。值得关注的是,由于孔隙水压的存在,最大有效水平主应力与最小有效水平主应力之间的比值增大,即围岩发生拉伸破坏的风险增大。本文研究表明,竖井选址和设计过程中应避开构造应力大、孔隙水压大的区域,从而保障井筒施工安全。
基于RA与AF值的声发射指标在隧道监测中的可行性
吴顺川, 甘一雄, 任义, 郑立夫
2020, 42(6): 723-730. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.28.001
摘要:
基于华蓥山隧道掘进爆破过程中的声发射监测结果,对比了上升时间/振幅比值(RA)与平均频率(AF)在不同传播距离下的分布规律,结果表明,随传感器与震源间距离增加,RA最大值增加,AF的分布范围基本不变。为验证基于RA与AF值描述岩体破裂情况的有效性,研究了RA/AF比值r在破裂过程中的变化规律以及r的变异系数的发展规律,并与常用的参数指标绝对能量、b值等参数进行对比验证。本文提出了3种变异系数(CV)计算方法,对比计算结果并探讨了各方法的适用条件。由计算结果可知,r值变异系数能够较好地描述岩体中的破裂发展过程,其中CV1计算方法适用于声发射信号较离散的情况,而CV3的计算方法更适用于存在连续声发射信号的围岩监测。
铝电解槽废阴极炭块电−热耦合处理过程数值模拟
卢婷婷, 李荣斌, 赵洪亮, 谢明壮, 刘风琴
2020, 42(6): 731-738. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.10.002
摘要:
废阴极炭块是铝电解槽大修时产生的一种危险固体废弃物,对其进行安全处置和资源化利用的关键是深度分离其中的有价组分炭和氟化盐。采用火法工艺对废阴极炭块进行处理,明确了氟化盐的挥发温度。基于氟化盐的挥发析出性质,设计了高温热处理电阻炉,并对其传热特性、控温规律以及氟化盐有效挥发区域进行了三维数值解析。实验确定氟化物的有效挥发温度为≥1700 ℃,该温度段下其挥发率可达93.1%以上。通过模拟不同供电模式下炉内温度场的演变规律,得到:在12 V升温24 h,9 V保温12 h的供电条件下,升温阶段炉内最高温度可达2250 ℃,氟化盐理论挥发区域占比可达98%;采用逐级递减的电压供给制度可以保证1700 ℃以上温度区域维持20 h,大幅度延长了有效热处理时间,有利于废阴极炭块中炭与氟化盐的深度分离。
喷嘴喷淋距离对连铸小方坯二冷均匀性的影响
韩延申, 张江山, 邹雷雷, 曾凡政, 管敏, 刘青
2020, 42(6): 739-746. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.26.001
摘要:
研究了不同喷淋距离下连铸小方坯二冷喷嘴的水量分布,建立了凝固传热模型分析了82B钢连铸坯的热行为。该模型特别考虑了二冷区铸坯表面宽度方向的水流密度分布,并根据铸坯表面测温结果进行了模型校正。采用凝固传热模型研究了喷嘴喷淋距离对连铸二冷均匀性的影响。结果表明:喷嘴喷淋距离的增加有助于提高二冷水横向分布的均匀性,导致铸坯表面温度横向均匀性降低、纵向均匀性提高。这些效果有助于改善铸坯内部裂纹,但是会对角部裂纹产生不利影响。在二冷区前段喷嘴采用低喷淋距离,二冷区末段采用高喷淋距离,既可以提高铸坯角部温度,又能降低表面最大回温速率,有助于同时改善连铸坯角部和内部裂纹。在此基础上,提出了一种连铸小方坯二冷喷嘴布置方式,即二冷区每段喷嘴喷淋距离沿拉坯方向逐渐增加,该方法有助于提高连铸坯“纵‒横”冷却均匀性。
含有上贝氏体的ER8车轮钢的裂纹扩展行为
李迁, 赵爱民, 郭军, 裴伟, 刘素鹏
2020, 42(6): 747-754. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.27.002
摘要:
研究不同含量的上贝氏体对ER8车轮钢裂纹扩展行为的影响。利用激光共聚焦显微镜(LSCM)和扫描电镜(SEM)对ER8车轮钢的显微组织和裂纹扩展路径进行了研究。实验结果表明:ER8车轮钢中的组织除了有铁素体和珠光体,还存在上贝氏体;裂纹穿过上贝氏体和珠光体扩展,最终停止在珠光体区域;与珠光体组织相比,裂纹在上贝氏体中的扩展路径更曲折。利用扫描电镜(SEM)对ER8车轮钢的裂纹扩展变形进行原位观察。实验结果表明:含有80%上贝氏体的ER8车轮钢拉伸时,组织变形过程主要以铁素体和上贝氏体为主,裂纹在上贝氏体和珠光体中连续扩展,伴随着珠光体的变形;而含有50%上贝氏体的ER8车轮钢拉伸时,组织变形过程主要以铁素体和珠光体为主,并且上贝氏体对铁素体和珠光体的变形起到阻碍作用。上贝氏体能够有效地阻止裂纹扩展,在偏转裂纹路径和延缓裂纹扩展方面起着重要作用;并且对铁素体和珠光体的变形起到阻碍作用。
1800 MPa热成形钢与CR340LA低合金高强钢激光焊接性能
梁文, 冯彬, 朱国明, 康永林, 林利, 刘仁东
2020, 42(6): 755-762. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.24.005
摘要:
采用光纤激光焊接设备对1800 MPa级热成形钢与CR340LA低合金高强钢进行对接激光拼焊,研究了不同激光焊接功率和焊接速度下焊接接头的组织演变规律及热冲压成形性能,并对焊接接头的力学性能和硬度进行了分析。结果表明,3种焊接工艺下激光拼焊原板综合力学性能相差较小,由焊接接头造成的伸长率和抗拉强度的损失均在母材的28.3%和9.1%以内。激光焊接后焊缝区均为粗大、高硬度的马氏体结构;两侧热影响区组织主要为铁素体和马氏体,接头未出现明显的软化区。激光拼焊原板拉伸试样均断裂于CR340LA母材区,距离焊缝12 mm左右,且存在焊缝隆起现象。选取焊接功率和焊接速率分别为4000 W和0.18 m·s−1的焊接试样在高温下进行热冲压成形检测,未出现焊缝开裂,热成形后拼焊板具有良好性能,满足汽车激光拼焊板使用要求,拉伸结果表明,试样断裂位置与未热冲压成形前一致,均位于CR340LA母材区,拉伸过程中,焊缝向高强度母材侧偏移,在弱强度母材侧产生应力集中并缩颈断裂。
K-TIG焊接中厚板的工艺窗口改进
王泰, 敖三三, 魏祺, 蔡养川, 曾黎, 罗震
2020, 42(6): 763-768. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.08.010
摘要:
针对穿孔深熔氩弧焊(K-TIG)工艺焊接8 mm厚Q235低碳钢板时焊接过程不稳定、焊接工艺窗口小等突出问题,首次提出在焊接工件背部铺加保护焊剂的方法改善焊接过程。采用对接焊的方式,在不开坡口、焊接过程不添加焊丝的情况下,达到单面焊双面成形的效果。最终成功的采用430~480 A范围内的直流电流对8 mm厚的Q235低碳钢进行了焊接,将焊接电流窗口扩大到50 A同时也显著的提高了焊接过程的稳定性。同时,在扩大焊接电流窗口之后,系统研究了不同焊接电流下焊接接头的组织性能。研究结果表明:在不同焊接电流下得到的焊接接头中,组织分布以及力学性能分布呈现出相同的状态。焊缝区的组织均由铁素体+珠光体+魏氏组织组成;熔合区由魏氏组织组成;热影响区由铁素体+少量的珠光体组成;此外随着焊接电流的增加,焊接接头背部的熔宽有略微增加;在焊接接头中,熔合区处硬度值最高,其次是焊缝区,之后是热影响区,母材的硬度值最低;焊接接头最终的拉伸断裂位置是在热影响区处。
铝合金管材6061自由弯曲成形工艺仿真及优化
李玉森, 岳振明, 妥之彧, 闵鑫瑞, 高军
2020, 42(6): 769-777. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.21.001
摘要:
金属管材是工业领域中结构承重、输送气体和液体的重要部件。自由弯管成形技术有助于实现管件生产的高精度、高性能、高效率和数字化,其精度控制理论和成形技术的研究具有重要的工业应用价值。本文选择直径 30 mm 壁厚 2.0 mm 的铝合金管材6061为仿真优化对象,通过相关基础实验获得材料的基本力学数据,用于仿真模型参数的表征。同时,结合管材压弯实验验证本构模型成形预测的有效性。在完成仿真模型表征和验证的基础上,对铝合金管材的自由弯曲成形过程进行仿真模拟,分析对比了影响自由弯曲成形的各工艺参数,确定了该工况下最优的移动模与管材间隙大小、摩擦系数和进给速度等。该研究有助于优化管材空间自由弯曲成形工艺,具有一定的工业应用价值。
数据驱动的卷取温度模型参数即时自适应设定算法
彭良贵, 王登刚, 李杰, 邢俊芳, 龚殿尧
2020, 42(6): 778-786. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.12.002
摘要:
为提高热轧换规格首块钢头部卷取温度命中率,采用数据挖掘技术,从历史带钢冷却数据中推断出与实际带钢相匹配的卷取温度模型水冷换热学习系数,并将其应用于模型预设定计算。首先,对冷却特征参数进行识别,按照相对型、绝对型、相等型和策略型四种方式进行定义,并对实际带钢与历史带钢的各项冷却特征参数进行相似距离计算。当历史带钢的总相似距离满足要求时,将其聚类为实际带钢的相似卷,并考虑各相似卷的时间影响,计算相似权重值;随后,基于相似带钢的头部和尾部信息,建立由卷取温度预报误差、偏离学习系数回归值惩罚项和偏离默认值惩罚项等构成的目标函数以及相应的约束条件,采用梯度下降法求解该二次规划问题,通过三次优化逐步计算出学习系数参考值和表征学习系数与带钢速度及目标卷取温度呈双线性关系的两个参数;最后,根据实际带钢的穿带速度、目标卷取温度等冷却条件计算冷却设定所需的学习系数。现场应用表明:基于十万块历史带钢冷却数据驱动的模型参数即时自适应设定算法可增强卷取温度模型对带钢头部冷却的预设定能力,学习系数即时自适应设定能力随着内存中保存的历史带钢冷却数据的多样性和检索出的相似卷数量的增加而提升。
基于Copula函数的热轧支持辊健康状态预测模型
李天伦, 何安瑞, 邵健, 付文鹏, 强毅, 谢向群
2020, 42(6): 787-795. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.26.001
摘要:
热轧支持辊的健康状态在带钢板形质量和轧制稳定性控制中起着关键作用,非线性、强耦合、少样本等特点使得热轧支持辊健康状态的预测复杂,目前各大钢厂仍以定期维护和事后维修为主。本文提出了一种支持辊虚拟健康指数的构建方法以及基于Copula函数的复杂工况健康状态预测模型。首先结合支持辊弯窜辊数据表征支持辊健康状态,再使用K-means聚类方法对支持辊工况进行划分,将各工况下过程数据分别构建Copula预测模型,最后根据实际轧制计划的排布顺序融合各工况模型的预测结果。提出的基于Copula函数的预测模型在某钢厂1780热连轧产线得到应用,结果表明,该模型能够准确有效的按照轧制计划实现支持辊的健康状态预测,以更科学的策略指导支持辊更换维护。
等效循环电池组剩余使用寿命预测
李练兵, 季亮, 祝亚尊, 王志江, 嵇雷
2020, 42(6): 796-802. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.03.003
摘要:
电动汽车以零污染、零排放等优点成为新能源汽车中最具有发展潜力的对象,锂离子电池作为其动力来源,科学准确地预测其剩余使用寿命是决定电动汽车性能的重要因素。本文研究等效循环电池组在等效循环工况、不同循环次数时,锂离子电池电压随着放电时间的变化曲线。通过分析不同循环次数下导函数在等效特征点处的斜率变化规律,建立锂离子电池等效循环工况下的寿命退化曲线。选取NASA等效循环电池组和自测JZ等效循环电池组,将放电初期和放电后期曲线与特定斜率直线交点作为等效循环寿命预测的等效特征点,根据这两组特征点分别建立退化模型Mini和Mlat。最后选取等效循环电池组内的其他电池进行锂离子电池等效循环寿命预测的验证。通过锂离子电池测试数据集验证其预测精度较高,稳定性较好,具有较强的应用价值。