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2021年  43卷  第2期

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废旧锂离子电池资源现状及回收利用
钟雪虎, 陈玲玲, 韩俊伟, 刘维, 焦芬, 覃文庆
2021, 43(2): 161-169. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.11.004
摘要:
废旧锂离子电池的无害化处理及回收利用已经成为各个科研院所研究的重点及热点内容。本文系统介绍了废旧锂离子电池的资源现状与目前回收利用的各种不同的工艺路线,并且详细分析了各种工艺路线的优缺点,以期为废旧锂离子电池的回收与利用找到新的思路与方法。最终认为“化学−物理联合法”为当前废旧锂离子电池无害化处置及回收利用的较为理想的方法。
热喷涂制备高熵合金涂层的研究现状与展望
辛蔚, 王玉江, 魏世丞, 王博, 梁义, 袁悦, 徐滨士
2021, 43(2): 170-178. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.20.001
摘要:
首先介绍了高熵合金的理论基础。然后从不同的热喷涂工艺出发,综述了等离子喷涂、超音速火焰喷涂、高速电弧喷涂、冷喷涂四种技术在制备高熵合金涂层上的研究发展现状,重点从原料选用、制备工艺优化、性能研究、后处理工艺等方面对以上四种热喷涂技术制备高熵合金涂层的研究进行系统地归纳与总结。最后提出现有制备高熵合金涂层的热喷涂技术较少、热喷涂材料受限、高熵合金设计盲目这三个问题,针对性地提出了在优化已有技术的基础上开发新技术;开发高熵陶瓷、高熵非晶合金、高熵复合材料等新型热喷涂材料;沿用材料基因组理念建立高熵合金数据库这三点热喷涂制备高熵合金涂层在未来的发展趋势。
油气资源开发的大数据智能平台及应用分析
宋洪庆, 都书一, 周园春, 王宇赫, 王九龙
2021, 43(2): 179-192. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.21.001
摘要:
油气资源大数据智能平台的总体框架应以数据资源为基础、大数据平台算力为支撑、人工智能算法为核心,面向油气行业生产需求,构建集勘探、开发、生产数据于一体的油气数据资源池,通过数据清洗与融合提升数据质量,整合物理模拟与数据挖掘等手段,实现服务功能模块化,并在PC端、管控大屏、手机移动APP等多维平台实现智能监测、预警与展示。通过对深度学习等人工智能方法在油气工业领域的应用案例分析,表明其具有较好的应用前景。未来石油公司应与科研院所通力合作,挖掘石油工业数据的巨大潜能,实现降本增效,建设全新的智能油气工业生态圈,完成产业升级。
矿用铰接式车辆路径跟踪控制研究现状与进展
白国星, 罗维东, 刘立, 孟宇, 顾青, 李凯伦
2021, 43(2): 193-204. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.07.14.003
摘要:
铰接式车辆的路径跟踪控制是矿山自动化领域中的关键技术,而数学模型和路径跟踪控制方法是铰接式车辆路径跟踪控制中的两项重要研究内容。在数学模型研究中,铰接式车辆的无侧滑经典运动学模型较为适合作为低速路径跟踪控制的参考模型,而有侧滑运动学模型作为参考模型时则可能导致侧滑加剧。此外基于牛顿–欧拉法建立的铰接式车辆四自由度动力学模型原则上满足路径跟踪控制的需求,但是还需要解决当前的四自由度模型无法同时反映瞬态转向特性和稳态转向特性的问题。在路径跟踪控制方法研究中,反馈线性化控制、最优控制、滑模控制等无前馈信息的控制方法无法有效解决铰接式车辆跟踪存在较大幅度曲率突变的参考路径时误差较大的问题,前馈–反馈控制可以用于解决上述问题,但是在参考路径具有不同幅度的曲率突变时需要解决自动调整预瞄距离的问题,而模型预测控制,尤其是非线性模型预测控制,可以更加有效地利用前馈信息,且不需要考虑预瞄距离的设置,从而可以有效提高铰接式车辆跟踪存在较大幅度曲率突变的参考路径时的精确性。此外,对于基于非线性模型预测控制的铰接式车辆路径跟踪控制,还需深化三个方面的研究。首先,该控制方法仍然存在误差最大值随参考速度增大而增加的趋势。其次,目前该控制方法以运动学模型作为预测模型,无法解决铰接式车辆以较高的参考速度运行时侧向速度导致的精确性下降和安全性恶化的问题。最后,还需对这种控制方法进行实时性方面的优化研究。
基于刚性块体模型的近−远场崩落矿岩流动特性
孙浩, 陈帅军, 高艳华, 金爱兵, 覃璇, 巨有, 尹泽松, 李木芽, 赵增山
2021, 43(2): 205-214. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.23.003
摘要:
为进一步揭示远场条件下金属矿山崩落矿岩运移演化机理,综合利用物理试验、数值模拟和理论分析等手段,构建单口放矿模型开展近−远场崩落矿岩流动特性研究。首次基于离散元软件PFC3D和刚性块体模型构建放矿数值模型,并通过近场放矿物理试验与模拟结果的对比分析,证明了刚性块体模型在崩落矿岩流动特性研究中的可靠性与优越性。在此基础上,对远场条件下松动体形态变化规律、矿岩流动体系内的应力演化规律及其力学机理进行了量化研究。研究结果表明:1)近−远场条件下的松动体形态变化均符合倒置水滴理论。在放矿初始阶段,松动体最大宽度随高度增大呈幂函数形式快速增加;随后,松动体最大宽度随高度增大而近似线性增加。2)崩落矿岩流动过程中存在明显的应力拱效应。随着矿岩散体松动范围不断扩大,松动体外围一定范围内的垂直应力均呈明显下降趋势,水平应力逐渐增大并在松动区域到达前出现激增现象;而松动体内的水平应力与垂直应力则急剧下降至较低水平。
全尾砂高浓度胶结充填的环管试验
王洪江, 王小林, 寇云鹏, 吴再海, 彭青松
2021, 43(2): 215-222. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.09.002
摘要:
为探明全尾砂高浓度充填料浆的灰砂比、浓度和流速对管道阻力的影响规律,预测工业充填管道阻力,开展中试规模环管试验。根据管壁切应力与剪切速率关系建立管道阻力预测模型,利用灰关联法分析各因素对管道阻力的影响强弱,通过线性回归获取料浆流变参数。结果表明,管道阻力对料浆浓度的变化最为敏感,随浓度增加成二次函数增长。料浆流速对管道阻力的影响仅次于浓度,层流输送时管道阻力随流速增加成线性增长。灰砂比对管道阻力的影响有双重性,灰砂质量比小于1∶8时胶凝材料的黏结作用占主导并增加管道阻力,反之胶凝材料的润滑作用占主导并降低管道阻力。环管试验得到的料浆流变参数明显小于流变仪测试结果且更接近工程实际,管道阻力预测模型的误差小于10%。
改性兰炭烟气SO2吸附材料的制备及其再生性能
刘俊杰, 苏伟, 邢奕, 刘卫民, 赵青涛, 庞升果, 蒋兟, 卫祥民, 历新燕
2021, 43(2): 223-231. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.21.001
摘要:
利用活性炭(焦)等吸附剂将烟气中的污染物分离出来是一种有效的烟气治理与资源化方式。兰炭作为一种廉价半焦碳素材料,是一种有潜力代替现有商用活性焦的多孔材料。本文采用陕西兰炭作为研究对象,研究炭化时间、炭化温度、黏结剂添加量等改性工艺对所制备的吸附剂性能的影响,考察了微观形貌变化,利用X射线光电子能谱(XPS)探究在吸附解吸过程中的表面官能团的变化。结果表明,炭化温度对耐磨强度、耐压强度指标影响显著,炭化时间对饱和脱硫值和穿透脱硫值影响显著;在煤焦油添加比例50%,700 ℃炭化20 min,900 ℃活化60 min条件下制得改性兰炭参数为:耐磨强度95.81%,抗压强度536.1 N·cm−1,每克兰炭饱和脱硫值45.71 mg,每克兰炭穿透脱硫值23.45 mg;经历多次吸脱附过程第一次失活时,表面被大面积刻蚀,孔隙与小颗粒增多。兰炭吸附剂失活后可以通过二次活化的方式提高其吸附性能,但衰减速度比新改性兰炭要快。二次失活后,在酸蚀刻、水蒸气扩孔等共同作用下致使骨架结构过度烧蚀而坍塌;改性兰炭表面含氧基团的量和构成比例会影响吸附性能。含氧与含碳基团的比值与吸附性能相对应,含氧基团比例越高,吸附性能越差。二次活化再生改变了各含氧基团所占比例,令C=O显著下降,O−C=O显著增加,C−O变化不大。O−C=O官能团尽管含氧,但可能对吸附抑制作用不显著。本研究将为工业烟气治理提供一种新型吸附剂的制备方法,同时也为兰炭表面改性以及二氧化硫吸附解吸机制的研究提供参考。
锆合金热挤压用防护润滑剂的试制与性能
赵帆, 赵乙丞, 齐鹏, 张志豪
2021, 43(2): 232-238. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.15.001
摘要:
为满足锆合金热挤压时的润滑与防护需求,试制了一种锆合金热挤压用防护润滑剂,主要成分包括有机硅树脂、低软化点玻璃粉、氧化铝粉、二硫化钼、石墨粉、滑石粉、云母粉等。实验温度为700~800 ℃时,采用圆环压缩法测得涂覆有润滑剂的Zr-4合金摩擦因子为0.19~0.25,润滑效果良好。将有润滑剂防护的锆合金分别加热至700、800和900 ℃并保温1 h,未发生明显氧化,热防护性能良好。测定了有、无润滑剂条件下Zr-4合金和H13模具钢的界面接触温度随接触时间的变化曲线。当Zr-4合金和H13钢的初始界面温度分别约为700 ℃和350 ℃时,无润滑剂时Zr-4合金表面温度达到稳定的时间为7.7 s,界面换热系数由250 W·m−2·℃−1增大至2700 W·m−2·℃−1;有润滑剂时Zr-4合金表面温度达到稳定的时间延长至12 s,界面换热系数由131 W·m−2·℃−1增大至1900 W·m−2·℃−1。这表明该润滑剂具有较好的高温热障性能。
氧化石墨烯掺杂量与pH值对石墨烯气凝胶储能性能的影响
郭志成, 辛青, 臧月, 林君
2021, 43(2): 239-247. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.07.001
摘要:
采用溶胶凝胶法制备石墨烯气凝胶(GA),并研究了前驱液中的pH值与氧化石墨烯(GO)的质量分数对GA材料储能性能的影响。使用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、氮气吸脱附分析、扫描电子显微镜(SEM)对样品微观结构与形貌进行表征。用循环伏安(CV)、恒流充放电(CP)、电化学交流阻抗(EIS)测试了样品的电化学性能。结果表明,前驱液中的pH值及GO质量分数的不同会影响GA中团簇颗粒的大小和数量,进一步影响GA三维结构。在pH值为6.3、GO 的质量分数为1%时,制得的GA比表面积最大为530 m2·g−1,在1 A·g−1的电流密度下比电容高达364 F·g−1。此外,将该材料制成对称超级电容器具有高的库伦效率,在1 A·g−1下进行CP测试,得到电容器的比电容为98 F·g−1,循环800次后其循环稳定性能为初始比电容值的95.9%。
倾斜板法制备9Cr18半固态坯料二次重熔的微观组织演变
王永金, 宋仁伯
2021, 43(2): 248-254. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.05.12.003
摘要:
研究利用倾斜板法制备的9Cr18半固态坯料在二次重熔过程中微观组织演变,以期对后续触变成形提供必要的理论基础。研究结果表明,采用倾斜板浇注法可以得到优质的9Cr18半固态坯料,其典型组织为初生固相奥氏体(γ1)球状晶粒和晶界网状组织构成,网状组织为二次奥氏体(γ2)和M7C3碳化物液相共晶组织。球状晶粒的平均直径为93.5 μm,形状因子0.69,半固态坯料球状晶粒边界光滑,大小相对均匀。固液两相中Fe、C、Cr存在着明显的元素差异。液相组织中Cr、C元素富集,固相中Fe含量较高。采用波浪形倾斜板法制备的9Cr18合金半固态坯料重熔组织形貌优于传统铸锭重熔组织。半固态坯料重熔后的组织化学成分更为均匀,晶粒也更圆整,固液界面平滑,且加热温度越高,晶粒越圆整,液相率越高。二次重熔后碳化物尺寸明显减小,平均宽度仅为0.5 μm,长度大大减小使得其形态接近粒状。
低合金结构钢腐蚀的影响因素及其耐蚀性判据
赵起越, 范益, 范恩点, 赵柏杰, 黄运华, 程学群, 李晓刚
2021, 43(2): 255-262. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.10.002
摘要:
通过对不同厂家或产线生产的相近成分和显微组织的8种低合金工程结构钢样品进行中性盐雾加速腐蚀试验,结合成分测试、微观组织分析、腐蚀产物分析及数据统计与计算拟合等方法,提出了评价低合金结构钢耐蚀性的综合耐蚀指数及其包含钢材成分、夹杂物、组织及晶粒度等多因素的数学表达式。研究结果表明,低合金工程结构钢的耐蚀性除与传统的耐蚀指数I相关外,还受钢中夹杂物、显微组织、晶粒度等多种材料因素的耦合影响,其影响程度按从大到小排序依次为耐蚀合金元素所决定的耐蚀指数I、夹杂物总量、珠光体含量和晶粒度级别。综合耐蚀指数Y可作为比耐蚀指数I指数更有效的低合金钢耐蚀性判据,具有重要的工程应用价值。
金属薄板面内压剪变形的损伤断裂行为
钱凌云, 马腾云, 安鹏, 纪婉婷, 孙朝阳
2021, 43(2): 263-272. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.09.23.002
摘要:
相变诱导塑性钢(TRansformation induced plasticity, TRIP)作为常用的先进高强钢在汽车等交通工具的轻量化方面有广泛的应用前景。而对于其复杂零件的成形过程,韧性断裂是不可忽视的问题之一。本文针对现有实验装置不易诱发薄板承受面内压剪时断裂失效,从而无法研究板料负应力三轴度区间断裂行为的问题,以高强钢TRIP800薄板为研究对象,设计了可在单向试验机完成压剪实验的试样和夹具。通过调整夹具旋转角度和试样装夹位置可以实现同一种试样在广泛的负应力三轴度范围内进行压剪断裂分析。基于ABAQUS/Explicit平台建立了三个典型加载方向20°、30°和45°对应的压剪过程有限元模型,分析表明:三种情况的试样局部变形区域的应力三轴度都小于0且断裂点的应力三轴度低至−0.485,验证了设计的装置可实现负应力三轴度区间的断裂失效分析,同时基于MMC断裂准则分析了不同应力状态的初始损伤情况及损伤扩展路径。
型砂材质与挤压成形工艺对砂型表面性能的影响
郭莉军, 单忠德, 刘丽敏, 姜二彪
2021, 43(2): 273-278. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.15.002
摘要:
以数字化柔性挤压成形砂块为研究对象,通过设计单因素试验进行了砂型种类、粘结剂质量分数及挤压压力对型腔表面质量影响规律的研究,进而得出高精度树脂砂型挤压成形的最优参数组合。结果显示:无模砂型外部与砂型内部的表面性能存在差异。不同砂型种类的砂型型腔表面性能不同,沙粒的角形系数对砂型型腔表面性能有较大影响。随着砂型挤压力的提高,砂粒之间的距离减小,砂粒并联接触方式增多,砂型在经过切削时,砂型表面产生裂纹的数量及延伸深度大幅减小,砂型型腔表面性能不断提高。随着树脂质量分数的增大,砂粒的包覆厚度增大,从而砂粒的粘结桥增多,砂型强度增加,砂型切削时产生的裂纹数量减小,砂型型腔表面性能不断提高。本文为真实获得砂型表面质量提供了方法,有助于无模铸造精密成形技术的推广。
基于粒子群算法的转炉用氧节能优化调度
孔福林, 童莉葛, 魏鹏程, 张培昆, 王立, 吴冰, 陈恩军
2021, 43(2): 279-288. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.04.02.002
摘要:
针对钢铁空分企业氧气放散率高、综合能耗高的问题,建立了以减小转炉用氧总量波动和降低系统能耗为目标的转炉用氧调度模型。综合考虑了吹炼区间时长不变、各吹炼区间起始时刻满足工艺要求、钢水温度大于1250 °C、转炉用氧调度前后变动最小等约束,以基于整数空间的粒子群(Particle swarm optimization, PSO)算法进行求解。同时,以国内某大型钢铁企业空分厂为案例,采用Pipeline Studio软件建立该厂区氧气管网输配系统模型,对转炉用氧调度的节能优化效果进行了验证。结果表明,本文提出的转炉用氧节能优化调度在研究时间段尽可能安排单台转炉生产,有效降低多台转炉吹氧重叠时间,在生产时间内错峰用氧,减小转炉用氧总量波动,缓解氧气供求不平衡的矛盾。在120 min研究时长内,调度前后系统氧气放散量由1242.1 m3降低至0,相应的空分系统的电耗节约了1192.42 kW·h,氧压机的压缩能耗增大了41 kW·h,氧气管网输配系统节约总能耗为1151.42 kW·h。综合计算来看,转炉用氧调度应用到全年,预计减少氧气放散总量5.44×106 m3,节约氧气管网输配系统总能耗5.22×106 kW·h。
基于双维度搜索的地下自主铲运机最优转弯轨迹规划
顾青, 刘立, 白国星, 孟宇
2021, 43(2): 289-298. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.11.09.002
摘要:
提出了一种基于双维度搜索的实时轨迹规划方法,用来解决自主地下铲运机转弯轨迹规划问题。该方法是一种结合采样思想和最优化算法的复合轨迹规划方法,包含三个主要步骤:基于双维度搜索策略的优化模型参数生成,基于二次规划的轨迹计算,以及基于约束检查的最优轨迹确定。该方法新颖之处在于提出的基于转弯区域行驶时间和里程的双维度搜索策略,以及基于平稳目标的轨迹最优化模型,可根据弯道区域入口速度和位置,快速生成纵横向都有最优性保证的最优轨迹。该方法结构简单、易于实施,可通过关键参数的调整满足控制器对轨迹生成速度的实时性要求。基于该轨迹规划方法的特点,使其不仅适用于实时轨迹规划,还可为未来智慧矿山的智能管控与优化调度提供底层约束。多组算例验证了该方法的有效性和优越性。