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2019年  41卷  第4期

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金属矿深部开采现状与发展战略
蔡美峰, 薛鼎龙, 任奋华
2019, 41(4): 417-426. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.001
摘要:
在调研国内外众多金属矿山和收集大量相关文献的基础上,综述了国内外金属矿山开采现状及研究进展,聚焦深部开采主要工程技术难题,从开采动力灾害预测防控、深井高温热害控制治理、深井提升、深井开采方法工艺变革、深部选矿新技术、智能无人采矿这六个方面,提出了解决我国深部开采难题的战略建议.结果表明:(1)5000 m开采深度将会是我国金属矿深部开采中长期战略研究目标;(2)无绳垂直提升技术具有提升效率高、使用限制少的特点,建议我国重点针对此类技术装备研发;(3)将深部矿产资源开采与深部能源开发相结合,可以有效降低深部降温成本,是解决深部采矿经济性的新途径;(4)新一代采矿技术需对原有的采矿模式和开采工艺进行变革,机械连续切割破岩技术是未来超深矿井建设的重要发展方向;(5)充填法是保证深部开采安全最有效的方法之一,应对充填材料、充填工艺进行更深入的研究;(6)我国尚不具备全面推广遥控智能化无人采矿的条件,可以通过产学研联合攻关等方式逐步提高矿山生产自动化和遥控智能作业水平.
基于动力学监测指标的崩塌早期预警研究进展
杜岩, 谢谟文, 蒋宇静, 刘卫南, 刘日成, 刘秋强
2019, 41(4): 427-435. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.002
摘要:
崩塌灾害的早期预警一直是岩土工程领域研究的热点问题之一.传统的监测预警方法监测指标相对单一,更多关注于加速破坏前兆的识别,使得崩塌的早期预警存在诸多困难.本文首先引入动力学监测指标,对岩土体破坏过程中的动力响应进行综述,得出基于固有振动频率等动力学监测指标可以为危岩体的损伤提供数据支持.随后基于最新的实验研究发现动力学监测指标可以有效反应边坡的物理力学特征的变化,进而可以实现岩体损伤与稳定性的动态识别和定量判断.在对国内外现状进行综述发现,基于分离阶段破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路,具有更好的时效性,是未来崩塌早期预警的发展方向,同时对崩塌的早期预警指标体系进行展望,得出基于动力学指标、静力学指标和环境量指标三位一体的早期监测预警指标体系,必将在工程监测与灾害预警方面发挥更大潜力,为从事应对崩塌等脆性破坏灾害预警预防的研究工作者提供有效参考.
基于最小应变能密度因子断裂准则的岩石裂纹水力压裂研究
董卓, 唐世斌, 郎颖娴
2019, 41(4): 436-446. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.003
摘要:
建立了考虑裂纹尖端非奇异项T应力的最小应变能密度因子断裂准则,研究了不同裂纹类型条件下T应力和泊松比对起裂角的影响,结果表明裂纹起裂角不仅与奇异项应力强度因子有关,而且还需要考虑非奇异项T应力和泊松比的影响作用.同时计算了含井筒对称双裂纹水力压裂模型的起裂角和临界水压,表明依据本文断裂准则计算得到理论解与实验结果吻合良好.在此基础上,利用该准则从理论上分析了临界裂纹区尺寸、T应力、比奥系数、侧压系数、泊松比等因素对水力压裂裂纹起裂特性的影响.参数分析表明:临界裂纹区尺寸、T应力和侧压系数对临界水压和临界起裂角有显著影响.临界水压随着泊松比增大而减小,而临界起裂角呈现相反变化趋势.比奥系数对临界起裂角没有影响,但是在高水压条件下对起裂角具有显著影响.
铷云母矿资源的综合利用
邢鹏, 王成彦, 马保中, 陈永强
2019, 41(4): 447-453. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.004
摘要:
针对目前铷矿提取工艺污染严重、资源综合利用率低的现状,本文提出采用酸浸-溶剂萃取工艺提取铷云母矿中的铷.研究了浸出温度、硫酸浓度及浸出时间对铷浸出率的影响,并借助X射线衍射、扫描电镜、能谱分析等手段,研究了浸出过程中铷云母矿的物相转变.实验结果表明,铷云母矿酸浸的最佳条件为浸出温度250℃、H2SO4质量浓度200 g·L-1、浸出时间1.5 h,在此条件下铷浸出率达85.2%.X射线衍射图谱表明铷云母矿的主要矿物组成为石英、黑云母、白云母、正长石及钠长石.扫描电镜-能谱分析结果表明矿石中的铷主要以类质同象取代钾的位置分别存在于黑云母及白云母中.浸出过程中发生的主要反应为载铷云母的溶解.在萃取剂浓度1 mol·L-1、有机相与水相的体积比O/A=3:1、萃取级数为3级条件下进行逆流萃取实验,萃余液中的铷质量浓度为0.003 g·L-1,铷的萃取率达98%.在HCl浓度1 mol·L-1、相比O/A=4:1、反萃级数为2级条件下反萃负载铷的有机相,铷反萃率达99%.以浸出渣为原料,采用碱熔-中和沉淀工艺制备出了白炭黑产品,实现了资源的综合利用.采用X射线衍射、红外光谱分析技术对白炭黑进行了表征,结果表明产品成分为水合二氧化硅,符合非晶态白炭黑的特征.化学定量分析结果表明白炭黑产品含SiO2质量分数91.65%,所制备的白炭黑满足国家化工行业标准.
钙钛矿电池用碘化铅的合成与性能
杜晨, 马瑞新, 王成彦, 王硕, 吴超荣
2019, 41(4): 454-460. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.005
摘要:
碘化铅是有机无机杂化钙钛矿太阳能电池的关键原料,其使用方法为溶解在二甲基甲酰胺(DMF)中然后制成膜.碘化铅在DMF中的溶解性对电池器件的性能有重要影响.本文经实验判断,造成碘化铅在DMF中溶解性差的原因是H2O、PbO、PbO2等氧化物在碘化铅晶体表面形成氧化物薄膜,阻碍其溶解.在一定范围内,碘化铅在DMF中溶解性取决于碘化铅合成过程中反应溶液的pH值.经过扫描电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱等分析检测,确定有机无机杂化钙钛矿太阳能电池用碘化铅最佳合成pH值为2;且在一定范围内反应溶液pH值、滴速和溶液浓度不会影响碘化铅的微观形貌及其在DMF中的溶解性;同时发现重结晶、热反应以及慢滴速反应条件会使碘化铅样品在(001)面择优生长.
ND钢连铸坯两相区内的微观偏析模型
朱立光, 刘震, 韩毅华
2019, 41(4): 461-469. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.006
摘要:
通过构建ND钢连铸坯凝固两相区内溶质的微观偏析模型,不仅研究了C、S和P元素对固液两相区内钢的高温力学参数以及溶质再分配的影响,还对P元素偏析比随冷却速率(CR)的变化规律进行了探究.通过分析模型结果表明:初始C的质量分数在0.075%~0.125%之间时,随着初始C含量的增加,P、S元素的偏析加剧,凝固末端温度下降幅度变大,导致脆性温度区间增大;增加P和S元素的初始含量,P、S元素的偏析比降低,但会加剧其在枝晶间残余液相中的富集,直接导致零塑性温度(ZDT)下降;ND钢中的Cu含量低于显著提高裂纹敏感性的临界含量,且凝固过程中Cu元素的偏析比较低,因此在ND钢凝固过程中Cu元素不能主导裂纹的诱发;在一定的冷却速率波动范围内,P元素的偏析比随着冷却速率(CR)的提高略有下降.
38MnB5热成形钢高温变形行为及本构方程
林利, 李宝顺, 朱国明, 康永林, 刘仁东
2019, 41(4): 470-478. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.007
摘要:
利用Gleeble-3500热模拟试验机对38MnB5热成形钢的高温变形行为进行研究,分别在650~950℃温度区间内,以0.01、0.1、1和10 s-1的应变速率对其进行等温单向拉伸测试,并得到相应条件下的真应力-应变曲线.结果表明:38MnB5热成形钢流变应力随着变形温度的升高而减小,随着应变速率的增大而增大.当应变速率逐渐增加时,热变形时发生的动态回复和动态再结晶效果并不显著,而当温度逐渐升高时,二者作用逐渐加强.考虑了温度、应变速率和应变的综合复杂影响,建立38MnB5热成形钢高温下的本构方程.此本构方程通过对流变应力、应变、应变速率等实验数据的回归分析,得到与变形温度、应变速率和应变相关的材料参数多项式.计算结果与实验结果对比发现,通过本构方程所获得的计算值与试验值吻合良好.
高温合金617B管材热挤压特征及工艺优化控制
江河, 董建新, 张麦仓
2019, 41(4): 479-488. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.008
摘要:
基于高温合金617B的组织演变模型,采用DEFORM-2D有限元软件构建了617B合金管材的热挤压模拟计算过程,对高温合金617B的热挤压特征进行了分析,并实现了管坯温度、晶粒尺寸等的定量预测.在结合生产实际的基础上,提出了包括温度准则、载荷准则、组织精确控制准则等在内的组织可控的可挤出性准则,对准则的控制原理和实施过程进行了阐述,并采用该类准则对617B合金的热挤压工艺参数范围进行优化,顺利得到了轴向形状尺寸均匀,表面质量较好的高温合金617B管材.该方法的提出和验证,为镍基高温合金无缝管材的生产提供了工艺优化的理论依据和研究方法.
具有核壳结构的FeS2微米球与碳纳米管原位复合介孔材料的构建及其在锂离子电池中的应用
官亮亮, 鲁建豪, 连芳
2019, 41(4): 489-496. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.009
摘要:
通过简单的水热反应原位合成了具有核壳结构的FeS2微米球与多壁碳纳米管复合的介孔材料(C-S-FeS2@MWCNT).FeS2微米球表面由纳米片状颗粒堆叠形成的厚度为~350 nm壳层,以及以化学键的形式吸附在微球表面的碳纳米管共同构成了材料保护层.保护层具有丰富的官能团和大量的孔隙结构,保证了锂离子扩散通道,并有效抑制了体积膨胀.C-S-FeS2@MWCNT在200 mA·g-1的电流密度下,250次循环可逆容量达到638 mA·h·g-1,倍率性能也得到明显改善,为过渡金属硫化物电极材料的微米化设计和体积能量密度的提升提供了可能.
Zr—Cu薄膜生长及力学性能的分子动力学模拟
谢璐, 安豪杰, 秦勤, 臧勇
2019, 41(4): 497-504. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.010
摘要:
根据磁控溅射实验条件,采用分子动力学方法,在Si(100)面上模拟沉积了三种ZrxCu100-x(x=50,70和90)合金薄膜.通过计算径向分布函数(RDF)及X射线衍射(XRD)分析了沉积薄膜的形貌结构,并探讨了玻璃形成能力和五重局部对称性之间的关系.最后研究了沉积薄膜的力学性能,及薄膜厚度对拉伸过程的影响.研究结果表明:Zr-Cu合金玻璃形成能力与五重局部对称性之间存在一定的相关性,沉积玻璃薄膜比晶体薄膜表现出更好的延展性,其中Zr50Cu50沉积玻璃薄膜比近共晶成分玻璃薄膜(Zr70Cu30)具有更大的拉伸强度;沉积薄膜存在一定的尺寸效应,薄膜相对厚度越小,其拉伸强度越大.
变极性电弧焊接的电流换向过程影响因素试验研究
朱志明, 符平坡, 杨中宇, 夏铸亮, 程世佳
2019, 41(4): 505-511. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.011
摘要:
采用基于反向再燃弧电压产生电路的变极性焊接电源为试验平台,研究了电源设备及其控制参数、焊接回路电缆寄生电感和焊接工艺参数对变极性焊接电流换向过程的影响规律.试验结果表明,提高反向再燃弧电压值能够提升变极性过程的电流变化速率,而较大的焊接回路电缆寄生电感会降低电流变化速率,同时降低变极性结束时的电流值,不利于变极性过程的电弧可靠再引燃和稳定燃烧.初始焊接电流越小,则变极性过程结束时的电流值越小,增加共同导通时间可以提高变极性结束时的电流值,但同时降低变极性开始时的电流大小.因此小电流变极性焊接时可采用较大的反向稳压值并适当增加共同导通时间,以增强变极性过程中的电弧稳定性.
一种光敏树脂结构的力学性能
朱冬梅, 丁峰, 刘海平, 刘国勇
2019, 41(4): 512-520. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.012
摘要:
新设计三维打印光敏树脂结构,其主要用在减震隔震组合结构中作为阻尼元件.首先利用微机控制电子试验机对其进行静力加载试验,得到静载下载荷-位移特性曲线,并计算得到特定点处等效弹性模量,利用疲劳机进行动力加载试验,得到结构件在从5 Hz到20 Hz不同频率下滞回曲线,并计算出相应等效阻尼系数.基于有限元法,建立光敏树脂结构有限元模型,并以和实验相同的工况进行静力学和动力学计算分析,并对试验数据和数值计算结果进行对比,得到计算结果与实测结果吻合良好,从而验证有限元模型的可行性.在此基础上通过有限元计算方法,研究不同几何参数缝隙宽度、内弧半径、外弧半径、厚度对光敏树脂结构特定点等效弹性模量以及等效阻尼系数的影响.此结构受力时,纵向保持刚度输出,维持小变形,横向位移放大,具有良好的减振和抵抗变形的能力.
基于函数型数字孪生模型的转炉炼钢终点碳控制技术
徐钢, 黎敏, 徐金梧, 贾春辉, 陈兆富
2019, 41(4): 521-527. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.013
摘要:
由于转炉冶炼过程中的热力学和动力学反应复杂,副枪控制模型和传统的烟气分析模型存在很大的局限性,导致了转炉冶炼终点碳含量的预测精度偏低,是实现智能炼钢的主要技术瓶颈.针对上述问题,提出了基于烟气分析的炼钢过程函数型数字孪生模型.首先,利用烟气分析得到连续监测的实时数据,以此来实时监控转炉熔池内钢水的碳氧反应状态;然后,根据熔池反应所处的不同阶段,利用函数型数据分析方法建立吹炼前期和吹炼后期的函数型预测模型;在此基础上,按照吹炼前期和吹炼后期这两个阶段来分别自动修正模型中的系数函数,从而能在复杂的实际工况条件下完成对熔池碳含量的准确预测.通过260 t氧气转炉的工业应用实例,证实函数型数字孪生模型具有良好的自学习和自适应能力,对异常冶炼状态具有良好的鲁棒性,可以实现全过程的熔池碳含量动态预测,终点碳质量分数在±0.02%范围内的命中率为95%.利用函数型数字孪生模型在拉碳阶段对钢水中碳含量的预测值来控制终吹点.更为重要的是,在保证入炉原料成分、温度、质量等参数稳定的前提下,采用该模型可以有望取消基于副枪的停吹取样步骤,从而降低生产成本,提高产品质量和生产效率,具有广泛的工业应用前景.
安装时间和机器受限的订单接受与并行机调度
王柏琳, 李铁克, 王海凤
2019, 41(4): 528-538. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.014
摘要:
订单接受与不相关并行机调度是订单接受与订单调度的联合决策,广泛存在于面向定制的多品种混合生产环境中.针对这一问题,考虑了顺序与机器依赖的安装时间以及可加工机器限制,并以最小化总成本为优化目标.其中,总成本由被接受订单的总拖期成本和被拒绝订单的总拒绝成本构成.通过分析订单拒绝对目标的影响,提出了列表拒绝方法和订单拒绝规则,进而设计了协同进化遗传算法.算法将染色体编码分解为订单列表和订单指派两个个体,提出了基于列表拒绝方法的解码方案来进行订单拒绝决策.由于两个个体相互独立,且二者的进化约束不同,因而引入协同进化策略,并根据个体的编码特征,分别采用单亲遗传算子和传统遗传算子进行遗传操作.数据实验验证了算法的有效性和求解效率,并对问题规模和订单拒绝成本对算法性能的影响进行了分析.
基于免疫遗传形态学的视网膜光学相干断层图像边缘检测方法
童何俊, 付冬梅
2019, 41(4): 539-545. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.04.015
摘要:
提出了基于免疫遗传算法的形态学自适应结构元素生成算法,并将其用于光学相干断层成像(optical coherence tomography,OCT)图像中视网膜组织边缘检测.首先将图像进行去噪和粗分割的预处理,并将图像划分为若干子图像;其次对每一子图利用免疫遗传算法求取自适应结构元,初始随机生成固定长度的二进制数串作为抗体,并将其转化为结构元素格式,以图像二维熵定义抗体适应度,根据子图像本身结构特征信息,寻找最优抗体结构元素;最后利用寻优得到的各结构元素对子图进行形态学边缘检测,合并各子图的分割结果,实现整体图像目标边界提取.实验结果表明了该方法在图像目标边界提取的有效性.