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2020年  42卷  第7期

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全尾砂膏体流变学研究现状与展望(上):概念、特性与模型
吴爱祥, 李红, 程海勇, 王贻明, 李翠平, 阮竹恩
2020, 42(7): 803-813. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.001
摘要:
膏体充填为矿产资源的深部开采及可持续发展提供了安全、绿色、高效的技术保障,已成为矿业领域的研究热点和发展趋势之一。全尾砂膏体流变学是膏体充填全套工艺流程的重要理论基础,深刻影响着膏体充填技术的发展。本文从膏体的内涵出发,系统性地论述了膏体流变学研究的必要性、特殊性及复杂性。并以膏体流变实验结果为基础,分析了全尾砂膏体的典型流变特性及最新研究成果。总结了常用的屈服型非牛顿流体流变模型,并探讨了常用流变本构方程对膏体料浆的适用性,对其实际应用提出合理建议。同时对膏体流变特性的关键影响因素进行了概述。根据膏体流变学的研究现状,归纳总结并提出了膏体流变学研究的重点与难点,指出现阶段膏体流变学须从测试标准、本构方程、微观机理及工程应用等方面深入研究。
Fe−Mn−Al−C系中锰钢的研究现状与发展前景
宋仁伯, 霍巍丰, 周乃鹏, 李佳佳, 张哲睿, 王永金
2020, 42(7): 814-828. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.27.002
摘要:
随着汽车保有量的提高,能源消耗和环境问题对汽车用钢提出了轻量化的要求。目前正在发展的第三代汽车用钢的研究思路是将加入轻量元素以“轻”和增强增塑以“薄”相结合。Fe−Mn−Al−C系中锰钢作为第三代汽车用钢的主要组成部分,是当今的研究热点之一。本文总结了近些年国内外Fe−Mn−Al−C系中锰钢的研究文献,从生产成本、力学性能等方面介绍了Fe−Mn−Al−C系中锰钢的优势。从成分设计、工艺设计、组织特征、变形及断裂机制等多个方面出发,对文献进行分析,总结出了合金成分、工艺路线和组织特征对性能的影响规律。阐述了奥氏体层错能及其稳定性对中锰钢变形机制,尤其是相变诱导塑性(TRIP效应)的影响规律。最后对目前Fe−Mn−Al−C系中锰钢研究过程中存在的争议问题进行了总结,展望了未来的发展趋势,以期为中锰钢的后续研究和实际生产提供参考。
不同粗骨料对膏体凝结性能的影响及配比优化
尹升华, 刘家明, 陈威, 邹龙, 寇永渊, 李希雯
2020, 42(7): 829-837. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.14.005
摘要:
甘肃金川铜镍矿似膏体充填料浆水化凝结时间迟缓、粗骨料离析程度大,严重影响充填浆体的质量。本文以金川二矿区全尾砂、废石和棒磨砂为实验材料,采用全面实验设计法,研究不同质量分数、粗骨料及尾骨比(全尾砂与粗骨料质量比)对膏体充填凝结性能、抗压强度和流变特性的影响规律。实验结果表明:全尾砂–粗骨料膏体中,粗骨料的比表面积和化学成分(活性MgO和CaO)是影响凝结时间的主要因素;凝结时间随尾骨比增加而缩短,屈服应力随尾骨比增加而增加,塑性黏度(全尾砂–废石、全尾砂–棒磨砂膏体)随尾骨比增加而增加;全尾砂–废石膏体抗压强度优于全尾砂–废石–棒磨砂膏体抗压强度;最短凝结时间及最佳抗压强度(全尾砂–废石膏体、尾骨比5∶5)比矿用凝结时间和抗压强度分别缩短2.1 h和增加33%以上。最后对凝结性能进行单目标及多目标回归优化,多目标回归优化表明:全尾砂–废石–棒磨砂膏体最佳凝结时间为270~300 min、尾骨比10∶6∶6~10∶7∶7、屈服应力为167.0~169.0 Pa;全尾砂–棒磨砂膏体最佳凝结时间为300~330 min、尾骨比10∶14~10∶16、屈服应力为164.0~167.0 Pa,满足矿山生产要求。
CaO对海滨钛磁铁矿精矿直接还原−磁选工艺中还原气氛的影响
赵永强, 孙体昌, 李正要, 徐承焱, 吴世超
2020, 42(7): 838-845. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.25.006
摘要:
以铁品位为58.58%、TiO2品位为12.04%的海滨钛磁铁矿精矿为试样,进行煤基直接还原–磁选试验。从反应产生的CO和CO2气体组成、总反应的气化速率、CO分压值、金属化率、矿物组成等角度进行分析,查明了CaO在海滨钛磁铁矿精矿直接还原−磁选工艺中的作用机理。研究结果表明,CaO可以提高还原剂的气化速率,促进钛磁铁矿的还原,增加CO2气体的产生量,从而降低CO分压值。同时发现CaO可以参与固固反应,降低含钛矿物中的FeO含量,也有利于钛、铁组分的迁移和富集,促进金属铁颗粒的聚集长大。因此,添加CaO有利于通过磨矿−磁选促进钛铁分离与回收。
RH精炼过程中吹氧量对IF钢洁净度的影响
潘明, 于会香, 季晨曦, 刘延强, 冀云卿
2020, 42(7): 846-853. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.19.002
摘要:
无间隙原子钢(IF钢)主要用于汽车、家电等行业,除需要极低的C、N含量外,对最终产品的表面质量也有严格要求。钢中O含量和夹杂物对产品的表面质量影响很大。快速降低钢中C含量、同时保证钢的高洁净度是非常重要的。为此,通过在Ruhrstahl Hereaeus(RH)精炼−连铸过程密集取样,采用ASPEX扫描电镜详细研究了RH吹氧强制脱碳工艺下吹氧量对IF钢洁净度的影响。结果表明,本实验条件下,吹氧量对精炼−连铸过程中夹杂物的类型和形貌没有影响。吹氧量对RH精炼前期(加Al后4 min内)钢液洁净度影响较大,而对后期生产过程中钢液的洁净度影响不大;精炼前期,吹氧量高,钢液中总氧(T.O)含量和夹杂物的量增加。簇群状夹杂物主要出现在RH破空之前,真空精炼结束后钢液中很难发现簇群状夹杂物。中间包钢液洁净度与RH吹氧量相关性不大,而与加Al脱氧前钢液中O含量相关性很大,加Al脱氧前钢液中O含量高,中间包钢液洁净度差;为提高中间包钢液的洁净度,应尽量减少加Al脱氧前钢液中的O含量。随着生产的进行,钢液中T.O含量、夹杂物的量呈下降趋势,洁净度逐渐提高。
转炉吹炼后期碳含量预报的改进指数模型
林文辉, 焦树强, 孙建坤, 周凯啸, 刘敏, 苏醒, 刘青
2020, 42(7): 854-861. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.23.001
摘要:
介绍了几种主要的转炉烟气分析碳含量预报模型,并分析了其中的指数衰减模型及其三种改进算法的基本原理和优缺点。在综合三种模型优点的基础上,提出了基于“极限碳含量拟合+曲线同步更新”算法的改进指数模型。首先,利用历史炉次吹炼后期的脱碳氧效率和碳含量数据,通过指数拟合得到“历史脱碳曲线”和极限碳含量参数;其次,使用当前炉次吹炼中期的最大脱碳氧效率值对“历史脱碳曲线”的特征参数进行替换,得到当前炉次吹炼后期的“参考脱碳曲线”,再对其进行归一化处理,得到归一化的“参考脱碳曲线”;然后,采用多点校正的方法,计算当前炉次吹炼至各等距离校正点时“参考脱碳曲线”的脱碳量,并根据计算脱碳量与转炉实际脱碳量的偏差,对熔池碳含量及脱碳曲线参数进行计算与校正,得到“计算脱碳曲线”;最后,通过逐次迭代计算对“参考脱碳曲线”和“计算脱碳曲线”进行同步更新,进而实现对转炉吹炼后期熔池碳含量的精准预报。研究表明,改进的指数模型具有较高的准确率,终点碳含量预报误差在±0.02%范围内的命中率达到90%。
连铸坯脱氢退火数值模拟
姜东滨, 智建国, 宋海, 高勇, 张立峰
2020, 42(7): 862-868. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.16.003
摘要:
采用数学模拟方法研究钢轨钢连铸坯脱氢退火行为,分析不同退火温度、退火时间条件下连铸坯脱氢效果,优化了脱氢退火工艺。在脱氢退火过程中,连铸坯角部和边部的氢含量快速降低,而连铸坯中心氢含量在加热段后期开始降低;随着退火温度的升高,连铸坯中心脱氢的起始点明显提前,最大脱氢速率显著增加。随着均热段时间逐渐延长,连铸坯中心氢含量明显降低,但脱氢速率的增加幅度逐渐减小。通过优化脱氢退火工艺参数,连铸坯中心氢的质量分数能够降低至0.6×10−6,脱氢效果显著。
纳米锰方硼石的合成与结构性能表征
曹诗瑶, 武秋池, 闫小琴, 纪箴, 曹林
2020, 42(7): 869-874. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.02.19.001
摘要:
通过溶胶−凝胶(Sol−Gel)法成功合成了纳米锰方硼石并对其进行了稀土Eu3+掺杂。使用X射线衍射、透射电子显微镜和高分辨透射电子显微镜等表征了锰方硼石晶体结构,并通过荧光光谱测试对其发光性能进行了研究。结果表明:合成纳米锰方硼石为粒径小于50 nm的球状颗粒,与天然锰方硼石的物相结构相同,属于斜方晶系,与尖晶石类似,(010)晶面的晶面间距为0.8565 nm。在490 nm激发光激发下,天然锰方硼石、合成锰方硼石和稀土Eu3+掺杂锰方硼石晶体中的Mn2+发光,其中发绿光的Mn2+在晶体中占据四面体格位中心,发红光的Mn2+在晶体占据八面体格位中心。合成的锰方硼石随激发波长变长,产生发射光谱的红移现象,有利于实现冷暖发光转换;在稀土Eu3+掺杂的纳米锰方硼石光谱的发光强度得到了提升。
掺杂氧化铝对纳米钨粉烧结过程的影响
宋成民, 张国华, 周国治
2020, 42(7): 875-883. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.13.001
摘要:
以碳热预还原和氢气深还原两步制备的纳米钨粉作为烧结原料,即先通过碳黑还原脱除三氧化钨中的大部分氧,再以氢还原脱除残留的氧。该方法制备的钨粉颗粒呈球形形貌,平均晶粒度可达90 nm。同时,向钨粉中掺杂质量分数为1%和2%的氧化铝,探究了氧化铝对钨粉烧结行为的影响。通过烧结样品的断口形貌和晶粒的平均尺寸分析发现,氧化铝对烧结后期的晶粒长大有明显的抑制作用,相同的烧结温度下晶粒的尺寸随着氧化铝含量的上升而减小。在1600 ℃时,纯钨粉烧结坯的晶粒平均尺寸为2.75 μm,但添加质量分数为1%和2%氧化铝的烧结样品晶粒平均尺寸约为1.5 μm,这是由于氧化铝能有效地抑制烧结后期的钨粉晶粒长大。纯钨粉和掺杂氧化铝钨粉的烧结坯的硬度随温度升高具有不同的趋势。掺杂钨粉烧结坯的硬度随着温度的升高而升高,且其最大值高于800 HV。但是,纯钨粉烧结坯的硬度随烧结温度增加而先增加后降低,在1400 ℃时取得最大值(473.6 HV),这是由纯钨粉烧结坯的晶粒在高温下急剧长大所导致。在烧结温度为1600 ℃时,纯钨粉、掺杂质量分数1%和2%的氧化铝掺杂的钨粉的烧结坯的相对密度依次为98.52%、95.43%和93.5%。
无烟煤制备高性能锂离子电池负极材料的研究
王晶晶, 赵洪亮, 胡韬, 刘风琴
2020, 42(7): 884-893. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.11.005
摘要:
以我国资源丰富的低成本优质无烟煤为原料,经过2800 ℃高温纯化、石墨化处理,制备出锂电池用负极材料,用相同手段处理商业化石墨的前体石油焦与石墨化无烟煤作对比。通过X射线衍射(XRD),扫描电子显微镜(SEM),透射电子显微镜(TEM),拉曼光谱(Roman)和氮吸附−解吸等手段对无烟煤基负极材料进行微观结构的表征。采用恒流充放电(GCD),循环伏安(CV)表征其电化学性能。实验结果表明,无烟煤基石墨化负极材料的石墨化度可达95.44%,比表面积为1.1319 m2·g−1,石墨片层结构平整光滑。该石墨化无烟煤作为锂离子电池的负极材料首次库伦效率为87%,在0.1C的电流密度下具有345.3 mA·h·g−1的可逆容量,且在高倍率下该材料比石墨化石油焦材料显现出更好储锂性能,这归功于石墨化无烟煤较为规则高度有序的表面结构。在不同倍率循环后电流密度恢复到0.1C时容量基本无衰减,100圈循环后可逆容量保持率高达93.8%,基本与石墨化石油焦负极相当,拥有优异的循环稳定性。无烟煤基石墨在容量、倍率性能及循环稳定性上基本接近甚至超过石墨化石油焦。本研究表明,采用优质无烟煤作为原料生产锂离子电池负极材料具有潜在的研究价值和广阔的商业前景。
交流干扰下X100管线钢及其热影响区在库尔勒土壤模拟液中的腐蚀行为
杨永, 王新华, 陈迎春, 位凯玲
2020, 42(7): 894-901. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.21.002
摘要:
通过Gleeble热模拟实验机模拟了X100管线钢的粗晶热影响区(CGHAZ)及再热临界粗晶热影响区(ICCGHAZ)微观组织。采用电化学测试、浸泡实验及表面分析技术研究了交流干扰下X100管线钢母材、CGHAZ及ICCGHAZ在库尔勒土壤溶液中的腐蚀行为。结果表明:交流干扰下X100管线钢母材、CGHAZ及ICCGHAZ都表现为活性溶解,平均腐蚀速率随交流电流密度的增大而增加。交流干扰造成的极化电位振荡幅值及微观组织对X100管线钢母材、CGHAZ及ICCGHAZ的平均腐蚀速率和腐蚀形貌有着重要影响。在5 mA·cm‒2交流电流密度干扰下,母材的腐蚀电位最负、平均腐蚀速率最大,ICCGHAZ的腐蚀电位最正、平均腐蚀速率最小,CGHAZ的腐蚀电位及平均腐蚀速率都居中;在20 mA·cm‒2及50 mA·cm‒2交流电流密度干扰下,ICCGHAZ腐蚀电位最负、平均腐蚀速率最大,母材的腐蚀电位最正、平均腐蚀速率最小,CGHAZ的腐蚀电位及平均腐蚀速率都仍居中。在20 mA·cm‒2交流电流密度交流干扰下,X100管线钢发生局部腐蚀,CGHAZ、ICCGHAZ发生明显的晶界腐蚀,GCHAZ晶界腐蚀形貌呈缝隙状、ICCGHAZ晶界腐蚀形貌为连续孔洞。
钼钨钒合金化热作模具钢高温回火组织演变
李爽, 时彦林, 杨晓彩, 石永亮, 王真, 张士宪, 施渊吉, 吴晓春
2020, 42(7): 902-911. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.04.003
摘要:
为适应热冲压技术的发展需求,开发了一种新型高热导率高耐磨性能热冲压用模具钢材料。采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等检测手段对钼钨钒合金化新型模具钢的高温回火性能与组织特征进行了研究。阐明了新型热冲压模具钢回火过程碳化物析出与演变规律。实验结果表明:实验用钼钨钒合金化模具钢材料具有良好的回火二次硬化性能,在500~600 ℃温度区间回火时,回火组织硬度上升;在600 ℃回火出现二次硬化峰值;当回火温度超过600 ℃后,组织软化程度明显,回火硬度开始下降。实验模具钢在高温回火过程中的硬度变化与其合金碳化物的偏聚、析出和聚集长大密切相关。当在560 ℃以下回火时,实验钢组织中未有合金碳化物析出;当回火温度大于560 ℃时,回火组织中开始析出M2C型碳化物;当回火温度高于600 ℃后开始析出MC型碳化物;当在620 ℃长时间回火后M2C型碳化物转化为M6C型碳化物,此时实验钢硬度开始明显下降;而当回火温度高于660 ℃时,新型实验钢组织中主要为M6C和MC型合金碳化物。
高洁净度齿轮钢中非金属夹杂物的检测方法
肖娜, 惠卫军, 张永健, 赵晓丽, 陈鹰
2020, 42(7): 912-921. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.005
摘要:
研究了一种方便可靠的夹杂物评估方法:利用合适电化学充氢后的拉伸试样获取夹杂物并与极值统计法相结合估算不同体积钢中非金属夹杂物的最大尺寸并预测疲劳强度。研究选用工业生产的高洁净度20Cr2Ni4A齿轮钢,将淬火+低温回火态的标准拉伸试样进行电化学充氢,使拉伸断口由于氢脆现象存在一些以粗大非金属夹杂物为中心的脆性平台,从而可方便快捷地在扫描电子显微镜下对夹杂物的类型、尺寸和分布进行检测,并利用极值统计法对钢中的最大夹杂物尺寸进行评估。为了验证该方法的准确性,采用传统金相法和旋转弯曲疲劳试验对钢中非金属夹杂物进行了检测,结果表明,使用本文所提出的夹杂物评估方法预测的钢中最大夹杂物尺寸及疲劳强度与疲劳试验结果相吻合。因此,该方法有望成为预测高洁净度高强度钢中最大夹杂物尺寸及其疲劳强度的一种有效方法。
基于图像混合核的列生成PM2.5预测
李晓理, 张博, 杨旭
2020, 42(7): 922-929. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.15.002
摘要:
传统PM2.5预测方法获取污染物浓度数据需要大型精密仪器,成本较高。本文尝试利用图像数据进行PM2.5浓度预测。大气PM2.5浓度的变化与图像的暗通道强度、对比度和HSI(Hue-saturation-intensity)颜色差异有密切联系。大气中PM2.5浓度的升高会导致非天空区域的暗通道强度值下降,图像对比度下降和HSI空间颜色差异变小。通过分析PM2.5浓度与图像特征的关系,提出了一种基于图像混合核的列生成空气质量PM2.5预测模型。首先,以1 h为采样周期,每日8:00~17:00为采样范围,采集多种天气条件下的景物图像,提取图像的对比度、暗通道强度和HSI颜色差异共5个图像特征。其次,数据存在样本规模大、样本不平坦分布等特点,单个核函数构成的预测模型难以满足预测精度需求,因此本文按照核结构从简单到复杂的原则,选择线性核函数、多项式核函数和高斯核函数三种核函数建立组合模型。然后计算每个核基于训练样本的Gram矩阵,并将所有Gram矩阵并列成一个混合核矩阵。利用列生成算法和混合核矩阵建立预测模型,求解模型参数。最后,进行仿真实验,实验结果表明本文提出的可满足预测精度要求,与单核预测模型相比,该预测模型预测精度更高,模型稳定性更好。计算复杂度分析结果显示基于图像混合核的列生成模型与单核预测模型相比计算量无明显增加。
用户属性感知的移动社交网络边缘缓存机制
杨静, 武佳, 李红霞
2020, 42(7): 930-938. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.12.001
摘要:
针对数据流量爆发式增长所引发的网络拥塞、用户体验质量恶化等问题,提出一种用户属性感知的边缘缓存机制。首先,利用隐语义模型获知用户对各类内容的兴趣度,进而估计本地流行内容,然后微基站将预测的本地流行内容协作缓存,并根据用户偏好的变化,将之实时更新。为进一步减少传输时延,根据用户偏好构建兴趣社区,在兴趣社区中基于用户的缓存意愿和缓存能力,选择合适的缓存用户缓存目标内容并分享给普通用户。结果表明,所提机制性能优于随机缓存及最流行内容缓存算法,在提高缓存命中率、降低传输时延的同时,增强了用户体验质量。