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2018年  40卷  第3期

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镁碳砖的研究现状与发展趋势
姚华柏, 姚苏哲, 骆昶, 陈俊红, 侯新梅, 孙加林
2018, 40(3): 253-268. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.001
摘要:
综述了近年来国内外镁碳质耐火材料的发展和研究现状,尤其对镁碳砖防氧化剂和镁碳砖低碳化等方面的研究与发展状况进行了分析和汇总.在此基础上提出了镁碳砖未来的研究方向,即通过成分优化和结构设计,提升和发挥传统材料的性能;研究开发高性能防氧化剂;镁碳砖低碳化方法的改进及性能评估.
岩爆结构面强度的弱化特征
杜岩, 郑孝婷, 谢谟文, 蒋宇静, 刘秋强
2018, 40(3): 269-275. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.002
摘要:
岩爆破坏以其突发性与瞬间破坏性等特点,在工程中很难予以预防.本研究基于动力学与能量作用原理,通过固有振动频率等振动特征指标实现对边界剪切弹性系数的计算.在物理模型试验中,应用多普勒激光测振仪对岩爆体破坏全过程进行远程振动特征监测.试验得出,结构面强度的非协调弱化效应是岩爆发生的必要条件,结构面弱化的时空差异是发生瞬时性岩爆还是迟滞型岩爆的主要因素.当结构面弱化较慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆.基于固有振动频率可识别岩体结构面的弱化速率,岩爆发生全过程中,结构面的总耗散能仅为赋存弹性能的0.06%,使得几乎所有的弹性动能都将转化为冲击动能,表现为岩爆体以高速的形式弹射出来.基于频率下降速率等监测数据分析,可识别岩爆结构面强度的非协调弱化特征.因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标,无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认识,并在地下空间工程岩爆预警监测方面发挥重大作用.
桥梁模态频率与运营环境作用的相关性
周毅, 孙利民, 谢谟文, 乔兰
2018, 40(3): 276-284. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.003
摘要:
桥梁模态频率随运营环境作用的变化规律是结构健康监测的研究主题之一.根据东海大桥6 a监测数据的周期变化特性,识别了运营条件下主梁竖弯、侧弯、扭转基频变化的影响因素,采用偏相关系数和周期平均法对比了各因素的影响程度.研究发现,东海大桥的模态频率存在1 a、1周、1 d、12.42 h等变化周期,与结构温度、交通荷载、风荷载、海面高度等的变化周期相吻合;结构温度和交通荷载是引起该桥频率变化的最主要因素,它们在各周期上的相对影响大小不同;周期平均法可有效分离监测数据中的年、周、天周期成分,揭示不同运营环境作用与频率变化的相关性.研究结果有助于加深对桥梁运营期频率变化的理解,从而更准确地评估结构性能.
黏土中静压沉桩离心模型
李雨浓, Barry M Lehane, 刘清秉
2018, 40(3): 285-292. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.004
摘要:
采用西澳大学室内鼓轮式离心机,在预先固结的高岭黏土中开展不同离心力场(50g,125g及250g,g为重力加速度)条件下的模型压桩试验、T-bar试验和静力触探试验,分析了模型桩在贯入过程、静置稳定过程中桩身径向应力(σr)的变化规律,并对后期桩体拉伸载荷阶段的径向应力变化值(Δσr)及桩侧摩阻力变化情况行了探讨,揭示了在不同超固结比(OCRs)黏土中静压桩侧摩阻力的演变特性.在此基础上,通过两种经验公式方法对桩侧摩承载力进行了预测计算和对比分析.研究结果表明:沉桩过程中桩端相对高度(h/B)对桩身径向应力的发展变化有很大的影响,桩身不同位置(h/B)的总径向应力对同一贯入深度而言,存在桩侧径向应力退化现象;基于静力触探试验提出的经验方法,能有效考虑静力触探锥端阻力(qt)和桩端相对高度(h/B)因素的影响,将其应用于黏土沉桩时桩侧摩阻力的预测,可取得与试验实测结果较吻合的结果.研究成果对软土地区静压桩施工与承载力设计具有一定的工程指导意义.
基于GPR反射波信号多维分析的隧道病害智能辨识
高永涛, 徐俊, 吴顺川, 吕建华, 陈文
2018, 40(3): 293-301. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.005
摘要:
随着我国隧道工程建设的快速发展,由隧道病害引发的隧道质量和安全问题越发常见.通过地质雷达探测隧道病害对于减少隧道质量和安全问题具有十分重要的意义,为了提高病害探测的效率及可靠性,基于雷达反射波信号多维度分析,提出一种隧道病害智能辨识的新方法.根据反射波信号时域、频域及时频域分析结果提取病害信号辨识的6个典型特征,利用支持向量机算法对典型特征的训练构建病害信号的二分类模型,实现了病害水平分布范围的自动辨识;再依据病害信号的第一本征模态函数分量振幅包络计算病害深度分布范围,最终实现隧道病害的智能辨识.结合某隧道回填层雷达实测数据对智能辨识算法的性能进行评价,与人工辨识结果的对比表明,该智能算法对于病害的辨识能力较强,病害的识别率高达100%,但辨识结果中同时存在少量误判,准确率达78.6%,满足工程应用的需求.该算法可用于隧道工程各类地质雷达探测数据中病害的智能辨识,而对于其他领域的地质雷达探测数据,本文研究成果亦可为不同类型探测目标智能辨识算法的设计提供可行思路.
混合颗粒体光弹力链定量提取方法
李飞, 杨柳, 王金安, 王超
2018, 40(3): 302-312. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.006
摘要:
岩土工程和采矿工程涉及大量的颗粒物质科学和技术难题,定量识别和提取光弹试验颗粒体系的力链网络结构和分布特征,对于认识和掌握其内部细观力学机理和研究宏观力学行为至关重要.采用彩色梯度均方值(G2)算法,建立了不同粒径的圆形颗粒和方形颗粒的接触力(F)和G2的关系;基于数字图像处理技术,提出了识别和区分图像中不同粒径圆形颗粒和方形颗粒的方法,获得了光弹图片中力链网络结构和力链分布方位.以煤矿综放开采为实例,对所提出的力链定量提取方法进行了验证分析,清晰揭示了综放采面矿压形成机理和本质特征.研究表明:单颗粒的F值与G2呈单调递增关系,且粒径越大,FG2值的增长速度越快;颗粒体系接触力集中分布在0.5F~F (F为平均接触力),方颗粒、Φ12 mm圆形颗粒平均接触力较大,多为强力链;Φ10 mm、Φ8 mm圆形颗粒的平均接触力较小,多为弱力链.综放开采顶煤和覆岩中力链主要为树状力链,以竖向发育为主的强力链传递上部主要荷载,横向发育的弱力链对强力链起到侧向支撑的作用.顶煤放出口附近,由于颗粒侧向移动弱力链丧失,导致强力链减弱甚至消失.
应用选择性磁罩盖法磁选分离镍黄铁矿与蛇纹石
卢冀伟, 袁致涛, 李丽匣, 刘炯天, 陆帅帅
2018, 40(3): 313-320. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.007
摘要:
针对镍黄铁矿和蛇纹石浮选难分离,提出采用磁罩盖法进行磁分离.结果表明,控制一定的矿浆物化条件,随着磁种磁铁矿的添加,镍黄铁矿的磁选回收率随之升高,而蛇纹石的回收率基本保持很低,可实现两者的良好分离.人工混合矿分离结果表明,磁种质量分数为5%时,获得的精矿Ni品位为19.89%,回收率为92.46%,MgO质量分数为4.72%;X射线衍射和扫描电镜分析结果显示磁铁矿在镍黄铁矿表面产生了罩盖,在蛇纹石表面未产生明显的罩盖;Zeta电位测试和DLVO理论计算结果表明,添加六偏磷酸钠后,蛇纹石表面电性由正变负,而对镍黄铁矿和磁铁矿表面电性未产生显著影响,从而使磁铁矿与蛇纹石间的相互作用变为排斥,而与镍黄铁矿之间仍为吸引,因而磁铁矿选择性罩盖在镍黄铁矿表面,增强其磁性,实现与蛇纹石的磁分离.
铁矿粉液相流动性的主要液相生成特征因素解析
吴胜利, 苏博, 齐渊洪, 李园, 杜斌斌
2018, 40(3): 321-329. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.008
摘要:
烧结矿是我国高炉炼铁的主要原料,烧结矿质量将直接影响高炉冶炼及炼铁工序的经济技术指标.因此,基于铁矿粉的高温特性进行优化配矿从而改善烧结矿的产质量对于炼铁工序节能增效具有十分重要的现实意义.铁矿粉的液相流动性是非常重要的烧结高温特性指标,适宜的液相流动性可以使烧结矿获得较高的固结强度.本文模拟实际烧结黏附粉层中铁矿粉颗粒与钙质熔剂质点的接触状态,采用FastSage热力学计算和微型烧结可视化试验方法研究了固定CaO配比条件下铁矿粉的液相流动性及其主要的热力学液相生成特征影响因素.研究结果表明,采用固定CaO配比与固定碱度的熔剂配加方式下,铁矿粉的液相流动性规律明显不同.铁矿粉的液相生成量是影响其液相流动性的最主要液相生成特征因素,液相生成量越多则铁矿粉的液相流动性指数越大.铁矿粉液相流动性的配合性机制是基于其液相生成量的线性叠加原则.脉石矿物含量将在一定程度上影响铁矿粉的液相流动性,随着SiO2含量的升高铁矿粉的液相生成量减少,从而导致液相流动性指数显著降低;而Al2O3含量增加,液相流动性指数略有升高.
热溶煤的燃烧特性
赵骏, 左海滨, 龙思阳, 王静松, 薛庆国
2018, 40(3): 330-339. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.009
摘要:
低阶煤的高值化利用对拓宽能源途径,提高能源效率和解决环境问题具有重要意义.以N-甲基吡咯烷酮为有机溶剂,对4种低阶煤进行热萃取,获得低灰分、高挥发分的热溶煤产物.通过热重分析研究了热溶煤的燃烧特性,并利用拉曼光谱分析,对比了原煤与热溶煤碳结构的变化规律.结果表明:与原煤相比,热溶煤的灰分含量明显降低,挥发分含量增高,固定碳含量减少,热值增大.其中KL、GD和ZS 3种热溶煤的H/C原子比大于原煤,XB的热溶煤小于原煤.KL、GD和ZS 3种热溶煤的峰强度(ID/IG)和峰面积(AD/AG)的比值大于相应的原煤,其有序化程度减小,结构缺陷增多,相应的其热溶煤的燃烧反应性增大.而XB热溶煤的ID/IGAD/AG的值小于相应的原煤,有序化程度增大,燃烧反应性降低.
烧结气氛对钢渣陶瓷晶相和性能的影响
李宇, 王耀忠, 王亚昆
2018, 40(3): 340-348. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.010
摘要:
利用钢渣制备陶瓷材料是钢渣资源化大宗利用的一条新途径.开展不同烧结气氛对钢渣陶瓷影响规律的研究,对推动钢渣陶瓷技术的应用具有重要意义.以20%钢渣和80%黏土为原料,分别在空气和氮气气氛下,制备了钢渣陶瓷样品,分析了其晶相转变和性能变化规律,并定量研究了氧分压对钢渣陶瓷中铁元素价态转变的影响机理.研究表明,在空气条件下烧结时,原料中的Fe2+发生氧化形成赤铁矿相,烧结样品物理性能要优于在氮气条件下烧结的样品,其抗压强度和吸水率为310 MPa和3.7%;而在氮气条件下烧结时,Fe2+形成铁铝尖晶石和铁辉石,烧结样品中形成的气孔大小和数量要大于和多于空气条件下的样品,这是导致其力学性能较差的一个主要原因.铁元素赋存晶相转变的氧分压临界范围为0.5%~0.75%:当分压低于0.5%时,可以获得以铁铝尖晶石和铁辉石为主的黑色或褐色陶瓷样品;当氧分压超过0.75%时,Fe2+开始发生氧化并形成Fe3+,逐渐形成赤铁矿并带来样品颜色为褐黄色或褐红色.增加烧结环境中氧气分压量是减少钢渣陶瓷产品黑心的一个重要手段.
COREX竖炉围管堵塞位置及其演变过程的物理模拟
周恒, 吴胜利, 寇明银, 姚舜, 游洋, 罗志国, 邹宗树
2018, 40(3): 349-356. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.011
摘要:
建立COREX竖炉三维半周物理模型,模拟竖炉围管粉尘初始堵塞位置及其演变过程,考察鼓风量、排料速度、非工况排料等操作条件对围管粉尘堵塞的影响.模拟结果显示,COREX竖炉围管初始堵塞位置为AGD架梁圆管前方的8#~12#导气槽区域.当导气槽前端填充床内形成粉尘沉积区后,若沉积区向上发展速度大于其随物料向下运动速度,粉尘沉积区向围管方向发展,并逐步堵塞围管导气槽,进而在围管内形成粉尘堆积区.该堆积区在围管内继续发展,使得其堆脚向围管远端运动,从而逐步将远端导气槽堵塞.此外,模拟发现随着排料速度加快及鼓风量增加,围管内不易发生粉尘堵塞.当炉内非工况条件发生时,粉尘堆积的动态平衡被打破,易造成围管内粉尘的堆积堵塞.
基于微晶刚玉砂轮的20CrMnTi齿轮成型磨削表面完整性
刘谦, 杨理钧, 田欣利, 王龙, 孟凡卓
2018, 40(3): 357-365. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.012
摘要:
为研究微晶刚玉砂轮成型磨削20CrMnTi齿轮的表面完整性,开展了20CrMnTi齿轮成型磨削试验,分析了砂轮线速度、轴向进给速度及径向进给量对齿面粗糙度、表层/次表层显微硬度、微观组织和残余应力的影响规律,探讨了由磨削引起的磨削烧伤、微观裂纹等损伤缺陷的形成机理,结果表明:径向进给量对表面粗糙度的影响最显著,砂轮线速度次之,轴向进给速度最不显著;磨削温度过高会导致磨削烧伤,淬火烧伤使得表面硬度提高5%~20%,回火烧伤则导致表面硬度不同程度地下降;表层组织从外至内分别为白层、暗层和基体组织,白层主要由致密的马氏体+碳化物+残余奥氏体组成;砂轮线速度和径向进给量的增大使得由磨削引起的残余拉应力增大,表面残余压应力下降并逐渐向拉应力转变,当表面最终残余拉应力大于材料的断裂强度时,表面产生微观裂纹.
SO42-对含Cl-溶液中316L奥氏体不锈钢钝化行为及点蚀行为的影响
唐娴, 张雷, 王竹, 张子如, 薛俊鹏, 路民旭
2018, 40(3): 366-372. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.013
摘要:
利用动电位极化、电化学阻抗、恒电位极化以及恒电流极化等电化学测试手段,并结合扫描电镜进行点蚀形态观察,探究了含Cl-溶液中SO42-浓度对316L奥氏体不锈钢的钝化行为及点蚀行为的影响.结果表明,含Cl-溶液中SO42-的加入能够使316L不锈钢钝化区变宽,使点蚀电位变正,维钝电流密度降低,进而提高316L的耐点蚀能力.但是在点蚀发生后,随着SO42-浓度的升高,点蚀内部和边缘形态表现出更为复杂的趋势,蚀坑的周长面积比明显增大.
电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响和规律
邹淑亭, 兰红波, 钱垒, 赵佳伟, 周贺飞, 朱晓阳, 张广明, 彭子龙
2018, 40(3): 373-380. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.014
摘要:
电流体动力喷射3D打印是一种新型微纳增材制造技术,它具有成本低、结构简单、精度高、打印材料广泛等突出特点和优势.但是,由于电流体动力喷射3D打印的打印速度快、喷嘴和基底打印距离小,特别是对于微尺度特征图形的打印,其实际图形及打印质量难以直接观测,而且影响打印图形精度和质量的工艺参数较多,各个工艺参数相互耦合和相应作用.因而直接有效的控制打印图形的精度(线宽)和质量(线边缘粗糙度)是其面临的一个挑战性难题.本文提出一种通过调整打印工艺参数间接控制泰勒锥形状和尺寸,进而实现对于打印图形精度和质量有效控制的新方法.建立了线宽与工艺参数、材料性能和基底关系的理论模型;通过实验,系统研究并揭示了电流体动力喷射3D打印工艺参数对泰勒锥和打印图形的影响及其规律;优化出针对同一喷嘴较为理想的喷印工艺窗口;并通过典型实验工程案例研究,采用内径60 μm喷嘴实现了最小线宽3 μm打印,验证了实验研究结果的正确性和有效性.本文提出的方法和实验研究结果为电流体动力喷射3D打印的打印精度、图形质量和打印稳定性改进及提高奠定了基础,并为简化和易于操作提供了一种切实可行的方法.
存在视场丢失的机器视觉精度补偿方法
黄煜, 黄翔, 李泷杲, 江一帆
2018, 40(3): 381-388. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.015
摘要:
无论Eye-in-Hand或Eye-to-Hand型式的机器视觉控制系统,均存在视场受限、丢失等情况,从而无法在一定距离、角度内对目标进行在线视觉测量,进而无法建立全闭环的伺服控制.基于Eye-in-Hand型式的机器视觉控制系统,以及最短测量距离Lmin,提出一种闭环与开环相结合的伺服控制系统:即测量距离大于Lmin时为位置反馈型闭环控制的原位调姿,在测量距离小于Lmin时为位置给定型开环控制,机器人以相对线性运动进给到目标位置.针对该过程中的偏移问题,提出了前馈补偿模型,即利用前期运动数据对运动误差进行估计.实验证明,该方法能有效地补偿定位误差.