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2018年  40卷  第12期

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浮选过程中颗粒-气泡黏附作用机理及研究进展
王超, 孙春宝, 寇珏
2018, 40(12): 1423-1433. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.001
摘要:
系统分析总结了浮选过程中颗粒与气泡的黏附概率模型、EDLVO理论、颗粒-气泡集合体的受力分析、影响因素分析和颗粒-气泡黏附的研究进展.基于接触时间、感应时间的方法和能量势垒的方法,分别从动力学和热力学的角度分析总结了黏附概率模型,并从动力学和热力学的角度解释了颗粒大小、气泡大小、颗粒疏水性、颗粒表面粗糙度和溶液pH对黏附概率的影响,对静态环境和湍流环境中颗粒-气泡集合体进行了受力分析,颗粒和气泡的黏附力有毛细作用力、液体静压力和浮力,静态环境中的脱附力只有重力,但是湍流环境中的脱附力还包括振荡力和离心力.很多研究学者利用先进的仪器和检测手段对颗粒-气泡的黏附做了大量的研究,取得了大量研究成果.颗粒-气泡黏附作用过程相当复杂,试验研究时简化了作用条件,目前理论不能满意解释黏附过程,需要结合实际进行更深层次、更全面的研究.
钢铁冶金过程中的界面润湿性的基础
程礼梅, 张立峰, 沈平
2018, 40(12): 1434-1453. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.002
摘要:
首先介绍了界面张力和接触角的基本概念,并总结了对于高温体系,常见的界面张力以及接触角的测量方法,重点对实验过程中最常使用的座滴法进行了分析.在冶炼过程中,体系的组成,尤其是钢液中的表面活性元素以及渣中的表面活性组分能显著影响界面润湿性,同时温度对界面润湿性的影响也不可忽略.因此系统分析了这两个主要影响因素对界面润湿性的影响.最后,总结了钢铁冶金过程中常见物质间的接触角和界面张力.
金属塑性成形中的韧性断裂微观机理及预测模型的研究进展
贾哲, 穆磊, 臧勇
2018, 40(12): 1454-1467. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.003
摘要:
为实现汽车轻量化,同时保证其具有较好的碰撞安全性,高强度-质量比金属板材在汽车制造领域得到了广泛的应用.然而,在传统冲压成形过程中,上述板材(如先进高强钢、铝合金和镁合金等)会出现无明显缩颈的韧性断裂行为.特别是发生在纯剪切加载路径附近的剪切型韧性断裂行为超出了传统缩颈型成形极限图的预测范围.此外,在近些年来快速发展的单点渐进成形中,缩颈失稳被抑制,取而代之的则是无明显缩颈的韧性断裂.以上问题对基于缩颈失稳的传统成形极限分析方法提出了新的挑战,同时也限制了高强度-质量比金属板材的应用及其新型成形工艺的研发.为此,世界各国学者开始普遍关注金属材料韧性断裂预测模型的开发及其应用研究.本文首先从孔洞的演化行为方面出发,对金属韧性断裂的微观机理研究进行了介绍.随后重点评述了韧性断裂预测模型的研究进展和应用现状.最后,对韧性断裂研究的发展趋势进行了展望.本文可以为金属韧性断裂模型的选择、应用及其开发提供有益参考.
钨冶炼渣综合回收利用的研究进展
杨俊彦, 齐申, 刘海, 王文科, 黄景存, 张建东, 车小奎, 宋波, 王力军
2018, 40(12): 1468-1475. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.004
摘要:
综述了钨冶炼渣中有用金属回收利用现状与研究进展,介绍了黑钨和白钨的冶炼工艺、钨、锡、钽、铌、钪回收工艺与理论、钨冶炼渣的减量化处理研究进展.重选和浮选工艺可回收钨锡,得到钨锡精矿后再进行冶炼,选矿工艺流程简单易工业生产且成本低,但适应性较差,对于较细物料无法有效回收,湿法冶金工艺可回收钨、锡、钽、铌、钪,适应性强但流程复杂,酸碱废水对环境影响大;钨冶炼渣减量化是综合利用的根本要求,目前主要用来制做水泥辅料、建筑胶砂、多孔材料、微晶玻璃等,介绍了目前减量化处理的研究现状.最后提出了问题与建议,钪钽铌稀有金属提取工艺的进步依赖萃取剂和离子交换树脂的发展,可利用材料领域内第一性原理和化学配位理论,研发选择性强的萃取剂和交换容量大的离子交换树脂,解决萃取剂选择性差、离子交换树脂交换容量小、废水量大的问题,从原子层面研究出相互作用机理,最终筛选出高效萃取剂及离子交换树脂.指出选冶联合工艺,开发短流程绿色提取技术、冶炼渣高附加值材料研制技术可能是今后研究的重点.
剧烈瓦斯爆炸隧道洞口致损机理
李志鹏, 吴顺川
2018, 40(12): 1476-1487. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.005
摘要:
为探究洛带古镇隧道瓦斯爆炸下洞口衬砌致损机理,对隧道内积聚瓦斯等效、量化研究,采用LS-DYNA建立与洞门几何结构一致的流固耦合数值模型并验证,以RHT模型模拟混凝土并修正参数,对爆炸过程中冲击波的传播特征及强度、洞门致损机理研究分析,并将模拟结果与实际情况对比.研究表明:爆炸冲击波在隧道内无规则的反射效应使其强度剧增、流场复杂,局部位置有聚焦现象,隧道内高压达1.2~2.4 MPa;传播过程中,靠衬砌一侧冲击波运动速度较快,形态也由“球状”变为“喇叭”状;当以平面波形态传至洞门时,拱顶冲击波强度增加56%,达2.8 MPa,并在削竹式洞门周边发生衍射;自隧道传出后,强度逐渐降低,边墙及底板处的冲击波沿纵向径直射出,拱部冲击波向斜上方运动,形成“蘑菇云”.爆炸作用下,衬砌曲边墙脚处完全破坏;爆心距7 m范围内衬砌受损严重;7~15 m范围内拱部几乎未受损;洞门受损严重.缺少围岩的约束作用,洞门拱顶Y向、拱脚X向位移分别达0.26和0.14 m,迎爆面、背爆面拉应力分别介于7.9~31.5 MPa、4.9~15.6 MPa,背爆面出现多个应力峰值,洞门主要为受拉致损.经对比,洞门损伤特征的数值模拟结果与现场实际情况基本一致,可为后续的衬砌灾害处治提供依据.
装药结构对煤层深孔聚能爆破增透的影响
郭德勇, 张超, 朱同功, 潘竞俊
2018, 40(12): 1488-1494. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.006
摘要:
针对装药结构对聚能爆破煤层增透的影响,在分析装药结构对爆炸应力波传播特性、爆破裂隙分区影响的基础上,基于平煤十矿己组煤层瓦斯地质条件设计了煤层深孔聚能爆破现场试验方案,通过现场试验探讨了装药结构对煤层深孔聚能爆破在水平方向和竖直方向上的影响.实验结果表明:装药结构影响煤层深孔聚能爆破增透效果,煤层深孔聚能爆破后,在水平方向爆破影响区内瓦斯抽采浓度平均增幅为52.78%;竖直方向上距离爆破孔相同距离的考察孔在爆破后,处于爆破孔上方的考察孔无炮烟逸出,处于下方的考察孔有炮烟逸出,证明偏心不耦合装药结构对爆破孔上方煤层影响小于对下方煤层影响,爆破孔上方爆破裂隙范围小于下方爆破裂隙范围.
有菌和无菌体系下辉铜矿氧化电化学
廖勃, 温建康, 武彪, 尚鹤, 陈勃伟
2018, 40(12): 1495-1501. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.007
摘要:
运用循环伏安曲线、稳态极化曲线和Tafel曲线等电化学手段以及X射线光电能谱(XPS)法研究了辉铜矿在有菌和无菌体系下氧化过程的电化学行为.研究结果验证了辉铜矿在有菌体系和无菌体系下的两步氧化溶解机理,第一步氧化反应为辉铜矿不断氧化生成缺铜的中间产物CuxS(1≤x<2),直至生成CuS,在较低电位下即可进行;第二步反应为中间产物CuS的氧化,需要在较高电位下才可进行,反应速率较慢,是整个氧化反应的限制性步骤.循环伏安实验显示有菌体系电流密度明显大于无菌体系,表明细菌加快了辉铜矿的氧化速率.稳态极化实验显示辉铜矿点蚀电位较低,无菌体系第一段反应活化区电位范围小于有菌体系,表明辉铜矿氧化过程生成的中间产物硫膜具有钝化效应,细菌可以通过自身氧化作用破坏硫膜,减弱辉铜矿表面的钝化效果,加快辉铜矿的氧化溶解速率.X射线光电子能谱分析显示电极表面钝化层物质组成复杂,包含了CuS、多硫化物(Sn2-)、(S0)和含(SO42-)的氧化中间产物等多种物质,其中主要的钝化物为CuS,表明辉铜矿的氧化遵循多硫化物途径.
等温淬火温度对超细贝氏体钢组织及耐磨性的影响
张超, 郭辉, 王家星, 张冰, 赵爱民
2018, 40(12): 1502-1509. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.008
摘要:
设计了一种0.7C的低合金超细贝氏体钢,并通过膨胀仪、二体磨损实验、光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射、激光扫描共聚焦显微镜及能谱仪,研究了不同等温淬火温度对超细贝氏体钢的贝氏体相变动力学、微观组织以及干滑动摩擦耐磨性的影响,揭示超细贝氏体钢在二体磨损条件下的耐磨性能和磨损机理.研究结果表明,不同等温温度下的超细贝氏体钢都由片层状贝氏体铁素体和薄膜状以及块状的残留奥氏体组成;随着等温温度的升高,超细贝氏体的相变速率提高,相变孕育期及相变完成时间缩短,但贝氏体铁素体板条厚度增加,残留奥氏体含量增加,硬度值有所降低;超细贝氏体钢磨损面形貌以平直的犁沟为主,主要的磨损机理为显微切削;不同等温温度下所获得的超细贝氏体的耐磨性能都优于回火马氏体,且随着等温温度的降低,耐磨性能提高.其中在250℃等温所获得的超细贝氏体钢具有最优的耐磨性能,其相对耐磨性为回火马氏体的1.28倍.这主要与超细贝氏体钢中贝氏体铁素体板条的细化及磨损过程中残留奥氏体的形变诱导马氏体相变(TRIP)效应有关.
A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展及其数值模拟
宋彦琦, 李向上, 李名
2018, 40(12): 1510-1517. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.009
摘要:
为探究不同加载角度下A7085铝合金Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理,在MTS疲劳试验机上采用紧凑拉伸剪切试件(CTS)对A7085铝合金进行不同加载角度的疲劳实验;用有限元分析计算不同裂纹扩展长度的裂纹尖端应力强度因子,通过七点递增多项式法对数据进行处理,计算出A7085铝合金Paris公式中的参数Cm.结果表明不同加载角度的裂纹基本沿着与外载荷垂直的方向扩展,裂纹扩展路径近似为一条直线,裂纹扩展角测量结果基本符合最大环向拉应力理论;Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹一旦发生扩展,Ⅱ型应力强度因子K所占比例急剧减小,Ⅰ型应力强度因子K不断增大,此后K远远小于K,有效应力强度因子(KK的组合)基本等于K,相当于裂纹扩展主要受Ⅰ型应力强度因子控制,研究结果有助于对Ⅰ-Ⅱ复合型疲劳裂纹扩展机理的理解.
γ预辐照对管流冲刷条件下铍在EDM-1中腐蚀性能的影响
郑莉芳, 黄俊忠, 王晓刚, 姜竹, 丁玉龙
2018, 40(12): 1518-1524. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.010
摘要:
构建管流式冲刷腐蚀实验装置研究γ预辐照对铍在一号电火花加工油(EDM-1)中腐蚀性能的影响,研究铍试样质量变化,进行表面形貌及成分分析.结果表明,铍在EDM-1管流冲刷条件下受冲刷腐蚀和化学腐蚀的共同作用,前者主要受试样表面形态影响,后者主要受γ预辐照剂量、杂质元素、EDM-1中含硫有机物等的影响.辐照前后,试样质量均呈现先减小、后增大、再减小趋势,腐蚀速率基本随辐照剂量的升高而增大.γ预辐照促进了铍试样在EDM-1中点蚀核和蚀孔的产生,腐蚀2880 h后,未接受预辐照试样仅产生较为明显点蚀核,而接受200和100 kGy预辐照试样中的部分点蚀核发展成为蚀孔,前者直径约为后者2倍.点蚀核和蚀孔区域出现Al、Si、Fe、Cr、Ti等杂质元素及S元素,杂质元素为诱导产生点蚀的重要因素,含S有机物发生化学反应分别生成物理吸附和化学吸附于蚀孔内部的SO2和SOx,促进蚀孔的形成及扩展.
焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响
张坤, 江海涛, 孟强, 唐荻, 蔺宏涛
2018, 40(12): 1525-1532. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011
摘要:
针对熔化焊在焊接AA7B04铝合金时易在焊缝中出现孔洞等缺陷,且接头性能下降明显、焊后变形大,以及采用铆接等机械连接方式会增加连接件的重量等问题,采用集成了搅拌摩擦焊末端执行器的KUKA Titan机器人对2 mm厚AA7B04高强铝合金进行了焊接,在转速为800 r·min-1的条件下,研究了焊度对焊接过程中搅拌头3个方向的受力FxFyFz的影响.研究发现,Fz受焊速的影响显著,随焊速的增加而降低.利用光学显微镜、透射电子显微镜、拉伸试验、三点弯曲试验和硬度测试等方法,研究了不同焊速下AA7B04铝合金接头的微观组织和力学性能.结果表明:当焊速为100 mm·min-1时,接头的抗拉强度最高为447 MPa,可达母材的80%,且所有接头的正弯和背弯180°均无裂纹;接头横截面的硬度分布呈W型,硬度最低点出现在热力影响区和焊核区的交界处,焊速不同会导致不同的焊接热循环,且随着焊速的增加接头的硬度随之增加;焊核区组织发生了动态再结晶,生成了细小的等轴晶粒,前进侧和后退侧热力影响区的晶粒均发生了明显的变形;前进侧热影响区析出η'相,后退侧热影响区因温度较高析出η'相和尺寸较大的η相.
智能电能表有功电能动态测量的SDPA算法
陈景霞, 王学伟, 朱孟
2018, 40(12): 1533-1539. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.012
摘要:
风能、太阳能等间歇式能源的引入和工业生产中大功率动态负载的增加,使得智能电网电力负荷越来越多呈现出大范围随机频繁波动的特点.动态负荷的增加对智能电能表的有功电能测量带来新挑战.传统的测量算法是针对稳态负荷而提出,因此无法解决智能电能表动态计量性能的改善问题.本文在传统MA (moving average)算法的基础上提出一种SDPA (segmented dot product accumulation)动态有功电能测量算法,该算法可在一定程度上减小动态功率条件下的测量误差.首先,分别讨论了传统MA和ⅡR (infinite impulse response)滤波器算法的动态响应速度和动态电能误差特性,指出两种算法对动态输入信号测量的局限性,并理论分析了影响各自动态计量性能的因素.以此为基础,提出智能电能表有功电能动态测量的SDPA算法,通过将待测的动态功率信号按周期截短、分段执行点积运算、并累加求和的方式实现动态测量.另外,通过按周期抽取的算法实现方式可以大大减少存储空间、提高运行速度.理论和仿真结果表明,与传统MA和ⅡR滤波器相比,SDPA算法在动态响应时间为一个基波周期的前提下,动态电能测量可达到较低误差水平.
口环密封对多级离心泵湿转子横-轴双向耦合动特性的影响
周文杰, 王孝军, 邱宁, 王乐勤, 高波
2018, 40(12): 1540-1548. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.013
摘要:
为探究口环密封对多级离心泵转子横-轴双向耦合振动的影响,基于空间欧拉角变换及有限元法,建立了多级离心泵转子系统叶轮和轴系的微分运动方程,在此基础上,充分考虑口环流体激振力和多种轴向力的耦合作用,利用矩阵运算方法建立了多级离心泵湿转子的横-轴双向耦合振动模型,并采用Newmark法对双向耦合系统的瞬态动力学特性进行求解,重点研究了口环密封长度、压差和间隙对系统耦合振动特性的变化规律,计算了不同密封参数下的流体激振力.计算结果表明,口环密封对转子系统横向振动的洛马金效应随着密封长度和压差的增大以及间隙的减小愈发明显,转子系统的横向稳态振动收敛速度快于轴向稳态振动的收敛速度,两向瞬态振动的振动频率呈现出完全不同的特性.此外,密封的流体激振力与密封长度呈现非线性变化关系,而与密封压差和间隙呈现线性变化关系.
棒材二辊矫直过程曲率的全流程定量解析
马立东, 陈硕, 黄庆学, 麻浩曦
2018, 40(12): 1549-1556. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.014
摘要:
为了摸清棒材斜辊矫直过程中各曲率的变化规律,应用小曲率平面弯曲弹复理论以及棒材弯曲弹复的曲率方程式,实现棒材一次反弯弹复的计算模型,基于棒材每旋转半周反弯一次的规律以及上一次弹复后的残余曲率认为是下一次弯曲的原始曲率,建立棒材全流程二辊矫直过程弯曲弹复模型,获得整个矫直过程中原始曲率、弯曲曲率、弹复曲率以及残余曲率的演变过程,得到棒材最终的残余曲率.应用该理论模型对现场生产过程进行了计算,与现场结果一致,验证了理论模型的正确性.应用所建立的理论模型对不同直径、不同材料屈服强度、不同原始挠度的棒材矫直过程分别进行分析,获得了不同来料参数情况下矫直过程的变形规律.该模型可以为二辊矫直机辊型优化设计与工艺参数计算提供理论依据.
基于嵌套饱和的输入约束浮空器非线性控制
孙丁山, 陈丽, 温余彬, 段登平
2018, 40(12): 1557-1568. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.015
摘要:
提出用嵌套饱和函数描述的控制律形式,可以同时解决速率和幅值约束的控制问题.建立浮空器的三自由度模型,将除螺旋桨推力外的其他作用力作为扰动项,进而把该系统化为类积分链式系统;基于嵌套饱和控制理论,研究了类积分链式系统的控制输入幅值及速率约束与控制器饱和函数参数的关系;以浮空器为研究对象,进行纵向和横向通道解耦控制器设计,实现控制系统输入的幅值和速率有界.利用Lyapunov稳定性原理证明了系统的全局稳定性,分析了可调控制器参数对改善系统的动态性能的影响,在考虑风扰动的情况下,仿真验证了控制器的有效性和鲁棒性.