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2017年  39卷  第2期

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高能量密度锂离子电池层状锰基正极材料研究进展
马磊磊, 连芳, 张帆, 丁鹏冲, 刘大亮, 陈彦彬
2017, 39(2): 167-174. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.001
摘要:
层状锰基材料Li[Lix(MnM)1-x]O2(M=Ni,Co,Cr,…)以高比容量成为最具应用前景的正极体系之一,近年来成为研究热点而倍受关注,尤其借助原位测试分析等先进表征手段,对Li[Lix(MnM)1-x]O2的结构及其高容量获取机理的研究取得显著进展.本文概括介绍了高能量密度层状正极材料的结构与充放电机理,重点针对其目前依然存在的问题,详细归纳了Li[Lix(MnM)1-x]O2正极材料充放电循环过程中电压衰减机理、界面/表面特征以及性能改善的研究新进展,而且对高能量密度层状正极材料的未来研究方向也进行了探讨.
岩体损伤度的点荷载强度计算及分析
文磊, 罗周全, 杨仕教, 汪伟, 郑开欢
2017, 39(2): 175-181. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.002
摘要:
根据现场点荷载强度试验的统计结果和损伤力学原理,提出了一种新的岩体损伤度计算方法,即点荷载强度计算方法.为了验证该方法的可靠性和准确性以及这种方法计算的岩体损伤度与岩体完整性指数之间的关系,进行了一系列理论推导和现场岩体声波测试与实验室岩石声波测试.结果表明:该方法计算的损伤度与岩体完整性系数表现出很好的一致性,并且该方法计算的损伤度与巷道松动圈内岩体损伤度的变化趋势一致.实测值与理论值之间的误差都在7%以内,说明通过该方法计算岩体损伤度有较高的准确性和可靠性.
三维软硬互层边坡的破坏模式与稳定性研究
姚文敏, 胡斌, 余海兵, 李华舟, 和大钊
2017, 39(2): 182-189. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.003
摘要:
采用FLAC3D强度折减法,研究在岩层倾角、岩层与边坡走向夹角变化时三维软硬互层边坡的稳定性状况,并对其破坏模式进行辨识与归纳分析.结果表明:边坡破坏模式的判别应综合考虑岩层的倾角大小、岩层走向与边坡走向的夹角大小及坡面上的剪出条件;当岩层与边坡走向夹角β<90°时,随着岩层倾角α的增大,边坡的破坏模式变化趋势为由蠕滑-压致拉裂、塑流-拉裂、滑移-拉裂向滑移-弯曲、弯曲-拉裂转变;当β>90°时,边坡的破坏模式趋势为塑流-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂;边坡稳定性系数随走向夹角的增大先增加后减小,β=90°时最大,且α越大,稳定性系数峰值越大;顺向时随着岩层倾角的增大,边坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂、滑移-拉裂、滑移-弯曲、弯曲-拉裂,稳定性系数变化先减小后增大,存在一最不利岩层倾角,其对应的稳定性系数最小;反向坡的破坏模式变化趋势为蠕滑-压致拉裂和弯曲-拉裂,稳定性系数逐渐增加.
膏体流变参数影响机制及计算模型
刘晓辉, 吴爱祥, 王洪江, 王贻明
2017, 39(2): 190-195. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.004
摘要:
首先对膏体物料特性开展量化表征研究,通过分析膏体细观结构的物质组成,提出了一种全面描述物料特征的综合指标——固体填充率;开展膏体流变实验,基于宾汉模型对流变曲线进行拟合获得相应的屈服应力及塑性黏度,分析了体积分数、质量加权平均粒径、不均匀系数、细颗粒及水泥质量分数等因素对流变参数的影响规律,并从细观结构的角度对其影响机制进行了解释,最终构建了流变参数关于固体填充率的计算模型.研究结果表明:相同条件下,膏体屈服应力及塑性黏度随体积分数增大呈指数增大,随物料不均匀系数增大而减小,随细颗粒含量增大呈先减小再增大的变化趋势.
液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的物理模拟和机理研究
倪冰, 聂海棋, 张涛
2017, 39(2): 196-201. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.005
摘要:
针对钢液中液态夹杂与固态夹杂碰撞聚合的现象,采用水模型实验模拟了液态夹杂去除固态夹杂的行为.实验结果表明:其与液滴去除夹杂的机理类似,流体内液滴与固粒的碰撞存在3种形式:惯性碰撞、截留捕获和尾流捕获.通过理论公式计算了单独的惯性碰撞捕获效率及同时考虑惯性碰撞和截留的捕获效率,发现二者的趋势基本一致,尤其当液滴直径较大时,二者曲线大致重合,因此,可以得出惯性捕获占据主导地位的结论.这与实验中观察到的液滴与固粒聚合大多数都是惯性碰撞相吻合.对实验数据进行了分析计算,得到了实验中液滴捕获固粒的捕获效率,发现所得曲线与理论计算捕获效率值相比,有一定差异,但是趋势基本一致.这是因为湍动程度较低,不同直径的捕获效率相对较为均匀,没有理论计算曲线那样陡峭.
添加Al2O3-ZrO2复合粉改性氧化锆质定径水口及其损毁机理
赵亮, 薛群虎
2017, 39(2): 202-207. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.006
摘要:
通过添加溶胶-凝胶法制备的Al2O3-ZrO2复合粉,对陶瓷型和颗粒型氧化锆质定径水口进行改性.对比研究了陶瓷型和颗粒型定径水口改性前后物理性能,矿物相组成和显微结构的变化,并通过现场连铸实验对四种定径水口损毁机理进行了探讨.结果表明:相较于颗粒型定径水口,陶瓷型定径水口的显气孔率较低,体积密度和耐压强度较高,热震稳定性较差,抗侵蚀和冲刷性能较好.通过添加Al2O3-ZrO2复合粉改性后的定径水口显气孔率降低,体积密度增加,耐压强度提高,颗粒型定径水口的热震稳定性有了较大的提升,热震次数约为改性前的1.5倍以上.通过对连铸现场实际使用35 h后的残样分析发现,陶瓷型水口损毁主要是由于热震稳定性差导致使用时发生炸裂,炸裂产生的裂纹引起一定程度的剥落和扩径.未改性颗粒型定径水口由于强度低和显气孔率高,剥落和扩径更为严重,添加Al2O3-ZrO2复合粉改性后生成的镁铝尖晶石增强相大幅度提高了颗粒水口的热震稳定性和抗冲刷侵蚀性能,连铸现场使用后几乎未扩径.
微波加热与常规加热硅锰粉固相脱硅动力学比较
刘建, 刘建华, 吴博威, 沈少波, 袁国华, 彭灵芝
2017, 39(2): 208-214. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.007
摘要:
采用微波加热和常规加热对硅锰粉和巴西粉锰的脱硅反应进行了动力学行为研究,以巴西粉锰为脱硅剂,与硅锰粉中的硅发生氧化还原反应.微波加热和常规加热分别加热到不同温度并保温一定时间,测定产物中硅含量并计算固相脱硅反应的表观活化能.实验表明:单一和混合料均可在微波场中快速升温.随着温度的升高和保温时间的延长,两种加热方式脱硅率均随之提高,在相同实验条件下,微波加热的脱硅率和反应速率均高于常规加热,微波加热可以提高固相脱硅率;微波加热固相脱硅反应的限制性环节为扩散环节,其表观活化能为102.93 kJ·mol-1,常规加热脱硅反应的表观活化能为180 kJ·mol-1,说明微波加热能改善固相脱硅的动力学条件,提高固相脱硅反应速率,降低脱硅反应的活化能.
MgO含量对CaO-Al2O3-MgO-FexO-SiO2-K2O系熔体性质的影响
候朋涛, 王丽君, 刘仕元, 张建坤, 周国治
2017, 39(2): 215-221. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.008
摘要:
研究了MgO含量变化对CaO-Al2O3-MgO-FexO-SiO2-K2O系熔体黏度和熔化特性的影响,结合X射线衍射和扫描电镜分析熔渣冷却过程中的物相析出,并通过FactSage软件计算了该体系的黏度、熔点和冷却过程中析出相的含量与温度的关系,并与实验结果进行了对比和分析.结果表明,MgO含量的增多会造成熔渣熔化温度的升高,黏度随温度变化时会出现黏度骤增的转折点,高于转折点温度时,熔渣黏度随MgO含量变化不大,同时该转折点温度随MgO含量的增加而升高.在熔渣冷却过程中析出相主要为固溶的橄榄石相和Fe3O4尖晶石相,MgO含量的增大可以促进橄榄石相的析出,熔体黏度骤增主要由于橄榄石相的析出造成的.
Mn元素对过流冷却过共晶Al-22Si-2Fe-xMn合金显微组织及耐磨性的影响
王秋平, 李璐, 周荣锋, 蒋业华, 周荣
2017, 39(2): 222-231. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.009
摘要:
采用常规铸造和分段式倾斜板过流冷却铸造工艺制备Al-22Si-2Fe-xMn合金,研究表明:过流冷却制备工艺能够改善初生Si形貌及尺寸,但对针状富Fe相作用有限.利用扫描电镜、X射线衍射及透射电镜等手段分析过流冷却条件下Mn元素添加对富Fe相晶体结构的影响,通过摩擦磨损实验研究不同Mn/Fe质量比的过共晶Al-Si合金的硬度及耐磨损性能.结果表明:随着过流冷却铸造过共晶Al-Si合金中Mn/Fe质量比增加,合金中四方结构的长针状富Fe相逐渐减少直至基本消失,当Mn/Fe质量比为0.7时,富Fe相主要为六方结构的块状或鱼骨状α-Al15(Fe,Mn)3Si2相,此时,合金耐磨性较未添加Mn元素时有所提升,磨损机制以磨料磨损方式为主.
铁粉表面硫化处理制备高密度Fe-Cu-C合金
杨芳, 隋延力, 郭志猛, 李普明, 袁勇, 李平
2017, 39(2): 232-237. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.010
摘要:
突破常规铁基粉末合金的制备工艺,设计出一种制备高密度Fe-Cu-C合金的新工艺.通过对铁粉表面进行硫化处理,Fe与S反应合成FeS,均匀包覆在Fe粉颗粒表面,形成一层FeS润滑薄膜,有利于降低压制摩擦力.通过X射线衍射、扫描电镜、和场发射扫描电镜分析研究材料的物相、元素分布和显微组织.研究结果表明:包覆在铁粉颗粒表面的FeS薄膜,有利于提高压坯密度,活化烧结.当S质量分数为0.5%时,硫化处理的Fe-2Cu-0.8C合金的力学性能优异,压坯密度7.31 g·cm-3,硬度78.6 HRB,抗拉强度485 MPa;当S质量分数达到0.8%时,多余的FeS占压制体积分数,导致试样的压坯密度降低,力学性能降低.
超声外场对SiCp/7085复合材料颗粒微观团聚与界面结合的作用机理
王坤, 张立华, 黎正华, 蒋文, 李畅梓
2017, 39(2): 238-243. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.011
摘要:
采用半固态混合-机械搅拌-超声施振的方法制备了体积分数为10%的SiCp/7085复合材料,通过金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射对颗粒分布与界面进行研究,重点研究超声外场对复合材料颗粒团聚与界面结合的作用机理.实验结果表明:单纯机械搅拌对400目颗粒的团聚与界面结合的作用效果有限;超声外场下,空化作用产生的微射流与瞬时高温高压能够有效破除颗粒团聚体的包裹层,打散颗粒;超声破除颗粒表面氧化膜,除去气体层,使熔体中的镁元素与颗粒直接接触并反应是改善熔体与颗粒润湿性的重要因素;最终在界面处生成MgAl2O4强化相,从而获得更优的界面结合.
钇基稀土对E36钢板显微组织及冲击性能的影响
习小军, 赖朝彬, 李京社, 汪志刚, 孙乐飞, 陈英俊
2017, 39(2): 244-250. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.012
摘要:
运用扫描电镜及能谱等分析手段研究了钇基稀土对E36钢中夹杂物的变质作用以及对显微组织和冲击性能的影响.研究表明,钇基稀土改善了E36钢的显微组织,减少了珠光体的片间距和含量.加入钇基稀土后,E36钢的冲击断口由典型的解理断口变为准解理+韧窝型断口,韧窝中细小球状的稀土夹杂是其转变的主要原因.加入少量的钇基稀土显著改善了E36钢的冲击韧性,尤其是低温冲击性能.在-60℃情况下,E36Re钢的纵向冲击功较E36钢提高了33.5%,横向冲击功提高了113.7%.并且,钇基稀土显著改善了E36钢纵横向冲击性能的差异性,未加稀土E36钢的纵、横冲击比均大于1.70,-60℃条件下达到2.77,而E36Re钢的纵、横冲击比为1.51~1.73.
低碳钢连铸板坯表层凝固钩的特征
张旭彬, 张立峰, 王皓, 王胜东, 王强强, 杨文
2017, 39(2): 251-258. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.013
摘要:
对不同浇铸条件下的低碳钢连铸板坯进行了凝固钩(Hook)的特征研究,根据凝固钩的形貌概括了凝固钩的不同类型,统计了凝固钩周围气泡和夹杂物的分布,讨论了不同浇铸参数对铸坯凝固钩深度的影响,并通过Bikerman方程和弯月面凝固理论对凝固钩的不同特征进行了解释.结果表明:按形貌可将凝固钩分为完整叶状、双凝固钩、弯曲截断型和二次凝固型四种类型,其中二次凝固型的凝固钩出现的概率最高为46.8%,而完整叶状、弯曲截断型和二次凝固型的凝固钩出现概率分别为25.3%、7.6%和6.3%;研究发现,凝固钩周围的夹杂物数量明显多于其他区域的夹杂物数量,说明凝固钩能够捕获结晶器内上浮的夹杂物;对比不同浇铸参数发现,采用结晶器电磁制动装置(FC-Mold)、减小结晶器水口浸入深度、增大浇铸拉速均能够减小凝固钩的深度;Bikerman方程的计算结果和弯月面凝固理论能在机理上解释凝固钩的形貌特征.
温度对40Cr钢温挤压成形的摩擦-磨损性能影响
刘伟, 孔德军, 吴凯, 凡志员
2017, 39(2): 259-266. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.014
摘要:
采用温挤压技术对40Cr钢进行成形试验,考察了不同温度下温挤压试样的摩擦-磨损行为.通过扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析了40Cr钢磨损后表面形貌、化学元素分布和物相组成,讨论了40Cr钢温挤压的磨损机理.结果表明,在挤压温度为550℃时试样晶粒尺寸细小,残余奥氏体含量较高,硬度最高,其磨损性能为最佳;而当温度为650℃和750℃时,晶粒尺寸较粗大,残余奥氏体含量降低.在5N载荷作用下,挤压温度为550℃时,摩擦因数为0.7667;当挤压温度达到650℃,摩擦因数为0.8587,提高了12.01%,磨损性能降低;750℃时,摩擦因数为0.8764,相比550℃提高了14.31%,磨损性能进一步变差;在550、650和750℃时,磨损形式主要为磨粒磨损.
芯棒直径对楔横轧5Cr21Mn9Ni4N空心气门壁厚均匀性的影响规律
闫向哲, 刘晋平, 纪宏超, 王宝雨, 郑振华, 李姿
2017, 39(2): 267-275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.015
摘要:
楔横轧空心轴类件存在壁厚分布不均问题,特别是在小直径大长径比空心件楔横轧成形中更为突出.本文在Gleeble-1500D热模拟实验机上进行了5Cr21Mn9Ni4N耐热钢的热压缩实验,得到了5Cr21Mn9Ni4N的热变形本构方程.通过改变芯棒直径,采用有限元仿真和实验相结合的方法,研究了楔横轧轧制空心气门过程中的壁厚变化规律.研究结果表明,带芯棒轧制时,芯棒直径存在临界值,在该值下进行轧制,空心气门预制坯壁厚均匀性最优;楔横轧空心件时,金属轴向均匀流动是壁厚均匀的必要条件;轧件轴向拉应变减小,径向压应变变大,周向应变在0附近且为拉应变时,壁厚较为均匀.
无钟高炉炉料分布预测模型
马财生, 任廷志
2017, 39(2): 276-282. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.016
摘要:
为提高无钟高炉炉喉料面的预测精度,建立了考虑炉料运动的炉料分布数学模型.在分析炉料运动的基础上,指出了炉料运动是影响炉料堆积过程的重要因素,采用尺寸比1∶10的无钟布料器模型试验分析了不同炉料分速度对炉料堆积行为的影响,建立了考虑炉料运动因素的料堆轮廓预测模型,并通过数值方法确定了料堆的位置和料面轮廓曲线,应用于料面形状的预测.结果表明:炉料的运动是造成料堆两侧堆积角差异、料堆横截面面积变化以及料面轮廓改变的重要原因,料堆轮廓采用直线段和曲线相结合的方式进行构造,炉料的堆积角和曲线过渡区域长度作为重要的模型参数均考虑了炉料速度的影响,模型构造的轮廓接近真实料堆形状,应用该模型实现了炉喉料面的准确预测.
高炉休风时供氧管网压力对氧气调度的影响
张培昆, 王立
2017, 39(2): 283-293. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.017
摘要:
以国内某大型钢铁企业空分厂为研究对象,基于混合整数线性规划方法建立以氧气放散量最小为目标的生产调度模型,并在此基础上以高炉休风期间的氧气生产调度为案例,分析了高炉开始休风期间管网初始压力对氧气放散率的影响.高压管网初始压力大于临界值时,系统出现氧气放散,放散率随初始压力上升呈近线性增大关系,高压管网缓冲容量越大,该线性关系斜率越大.有氧气放散的情况下,对于同一高压管网初始压力,高压管网缓冲容量越大,系统放散率越小.该趋势随着高压管网初始压力增大变得越来越不明显,当初始压力等于最高压力时,高压管网缓冲容量的大小对放散率没有影响.
粗轧板坯镰刀弯控制模型的研究与应用
王海玉, 杨荃, 王晓晨
2017, 39(2): 294-300. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.018
摘要:
针对经常困扰热轧生产的粗轧板坯镰刀弯缺陷,本文结合弹跳方程和解析法,分析了引起板坯镰刀弯的主要因素——轧机两侧纵向刚度偏差、来料楔形及轧件运行走偏,分别计算了其对应的调整量,建立了基于轧机两侧轧制力差的镰刀弯调平控制模型.该模型可反映轧机两侧纵向刚度差、来料楔形及轧件运行走偏等主要因素与镰刀弯的定量关系,进而计算出控制镰刀弯的粗轧机各道次辊缝倾斜调整值.与现场实测值进行离线验证对比,实测值与计算值比值平均为0.977,结果表明镰刀弯调平模型能够预估板坯各道次辊缝倾斜调整值.将模型投入2250 mm热轧机组使用后,板坯镰刀弯弯曲量未达标率从24.88%下降到6.62%,提高了镰刀弯控制效果,使粗轧板坯镰刀弯问题得到了很大缓解.
基于ANSYS的新型聚合物石英压电传感器振动性能分析
王南飞, 李强, 谷宇
2017, 39(2): 301-308. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.019
摘要:
新型聚合物石英压电传感器制备过程中,AT切型石英压电传感器基体的表面粗糙度及其基膜界面化学性质影响聚合物薄膜的生长,导致聚合物薄膜厚度不均匀、表面存在缺陷,使得传感器采集的频率信号不稳定.本文建立了新型聚合物石英压电传感器在考虑薄膜厚度不均、中心缺陷条件下的力学模型,利用ANSYS有限元软件对其进行模态分析,得到复杂条件下传感器振动特性.模态分析结果发现,传感器固有频率值随聚合物薄膜缺陷的半径值增大呈现出从稳定到发散的趋势、随薄膜的厚度值增大呈现出线性增大的趋势.研究结果表明,新型聚合物石英压电传感器的生产应确保薄膜厚度均匀且严格控制中心缺陷半径小于0.5 mm,该结果为制备稳定的新型聚合物石英压电传感器提供了重要依据.
基于泊松簇过程的三层异构蜂窝网络部署模型
马忠贵, 刘立宇, 闫文博, 李营营
2017, 39(2): 309-316. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2017.02.020
摘要:
5G标准下的蜂窝网络正在向异构化、超密集化的方向发展,传统的基于六边形网格模型的研究方法较为理想化且并不精确,越来越不适用于如今的异构网络.针对这个问题,目前常用的方法是使用基于随机几何的泊松点过程来研究异构网络的基站部署,这种方法假设基站的空域分布完全随机,因此得到了覆盖概率的理论下界.但是由于宏蜂窝边缘(盲区)以及热点地区(忙区)等特殊区域中,站点的分布可能形成簇,此时,基于泊松点过程的空域分布将不再准确.针对这个问题,本文使用泊松簇过程研究三层异构蜂窝网络的基站部署与规划.首先,提出基于泊松簇过程的基站部署系统模型,讨论了基于簇分布的基站形成过程;其次,在充分分析用户受到的聚集干扰基础上,采用基于瞬时信干噪比的小区选择机制,推导出了中断概率模型,并讨论了三种特殊条件下的中断概率;最后,通过仿真对比分析了基于泊松簇过程与泊松点过程的中断概率的差异以及信干噪比阈值变化时的中断概率的变化曲线,证明了基于簇的空域基站部署具有更低的中断概率.