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2020年  42卷  第8期

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长水口对连铸中间包钢液保护浇注作用的研究进展
张江山, 刘青, 杨树峰, 李京社
2020, 42(8): 939-948. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.15.001
摘要:
全球钢铁产品很大比例上是通过连铸工艺生产的,而中间包保护浇注是连铸生产高品质洁净钢的关键环节之一。长水口是连接于钢包和中间包之间的耐材质通道,长水口的发明和使用在连铸技术发展过程中起到了重要的作用,并与中间包的保护浇注效果有着紧密的联系,具体包括防止稳态和非稳态浇注过程中的二次氧化和来源于空气/渣/耐材/引流砂等的污染。本文基于中间包钢液污染的来源和形式,引申出了长水口在这些方面可以起到的潜在作用,并回顾了长水口在连铸发展早期的发明、工业实验效果和不断优化的历程。工业实践证实了长水口优良的保护浇注功能,但其实际效果与长水口的结构和操作工艺紧密相关。因此,分析了不同的长水口结构(包括工业化的长水口和一些新的设计理念)对保护浇注的影响,重点评述了喇叭型长水口在改善钢液洁净度和提高生产效率方面的优势。讨论了长水口的浸入深度和偏斜等操作工艺参数与保护浇注之间的关系。结合新时期炼钢−连铸的发展形势,指出了未来长水口结构功能一体化的发展方向,具体表现在长寿化、轻量化、多功能化和绿色化等方面。
Fe−Mn−(Al)−C高强韧性钢氢脆微观机制的研究进展
章小峰, 万亚雄, 武学俊, 阚中伟, 黄贞益
2020, 42(8): 949-962. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.05.005
摘要:
随着汽车行业的快速发展,轻量化汽车用钢的研发和应用越来越广泛。抗拉强度超过1000 MPa的第二、三代汽车用钢往往是复相组织,通过固溶、析出、变形、细晶强化等各种强化方式,在基体中形成大量缺陷,导致钢材服役过程中对氢更加敏感,容易在很小的氢溶解条件下发生氢脆。Fe−Mn−C系、Fe−Mn−Al−C系等含Mn量高的汽车结构用钢因层错能较高,不仅直接决定了其强韧性机制,还对其服役性能有重要影响。在Fe−Mn−C系TWIP钢的成分基础上,添加少量Al元素,形成Fe−Mn−(Al)−C钢,不仅能降低钢材密度,提高钢材的强韧性,也因Al元素改变了钢材的微观组织构成,一定程度上令氢脆得到缓解。但当Al含量较高时,形成低密度钢,其组织构成更加复杂,析出物更多,导致氢脆敏感性更显著。本文从Fe−Mn−(Al)−C高强韧性钢的组织构成、第二相、晶体缺陷等特征出发,综述了H在Fe−Mn−(Al)−C钢中的渗透、溶解和扩散行为,H与基体组织、析出相、晶格缺陷的交互作用,H在钢中的作用模型、氢脆机制、氢脆评价手段和方法等。并评述了Fe−Mn−(Al)−C高强韧性钢氢脆问题开展的相关研究工作和最新发展动态,指出通过第一性原理计算、分子动力学模拟和借助氢原子微印技术、三维原子探针等物理实验相结合的方法是从微观层面揭示高强韧性钢氢脆机制的未来发展方向。
碱激发水泥−磷渣固化性能及与含硫尾砂的相容性
姜关照, 吴爱祥, 王贻明
2020, 42(8): 963-971. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.12.19.002
摘要:
基于磷渣材料水化特性和矿山充填应用条件,研究碱激发水泥−磷渣共同作为胶凝材料(CPCM)胶结含硫尾砂的可行性。选取生石灰、NaOH、Na2SiO3作为激发剂,开展CPCM固化性能试验,并评价CPCM与含硫尾砂相容性。研究结果表明:磷渣掺量为水泥的100%、生石灰为3%时,CPCM终凝时间300 min,28 d抗压强度40.6 MPa,基本可等量替代P.O 42.5水泥应用于矿山嗣后充填。Na2SiO3掺量4%时,CPCM终凝时间比水泥缩短39.3%,7 d强度提高31.1%。与水泥相比,CPCM使充填体凝结时间缩短8 h左右,且固化28 d后强度未出现劣化,表明CPCM与含硫尾砂相容性好。X射线衍射、扫描电镜和电子能谱分析表明,CPCM水化产物主要为Ca(OH)2和C−S−H。磷渣不断水化,导致Ca(OH)2含量下降,逐渐形成致密的低Ca/Si摩尔比C−S−H,这不仅保证了CPCM后期强度增加,而且避免了充填体强度劣化。
矿石颗粒级配对堆浸体系三维孔隙结构的影响
尹升华, 陈勋, 刘超, 王雷鸣, 严荣富
2020, 42(8): 972-979. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.01.17.002
摘要:
为研究堆浸体系矿石粒径分布对孔隙结构的影响,对不同级配矿岩散体构成的浸柱开展显微CT扫描测试,得到浸柱内部结构图像。通过阈值分割算法对孔隙结构进行提取,建立浸柱三维孔隙模型,对浸柱体孔隙率和面孔隙率的空间分布特征进行研究。利用最大球算法构建浸柱孔隙网络模型,进而分析矿石粒径分布对孔喉半径、喉道长度、孔喉体积、形状因子和配位数等参数的影响规律。结果表明:矿石颗粒级配性越好,矿堆孔隙率越低;矿石粒径越均匀,矿堆不同区域孔隙率差异越小;矿石粒径分布对孔隙尺寸和连通性影响较为显著,对孔喉形状因子影响较小。随着细颗粒矿石的减少,大孔隙增多,孔喉半径、喉道长度和孔喉体积相应增大;随着矿石粒径均匀性的增加,堆浸体系中孤立孔隙所占比例减少,高配位数孔隙所占比例增大,即矿堆内的孔隙空间具有更好的连通性。
基于絮团弦长测定的全尾砂絮凝沉降行为
阮竹恩, 吴爱祥, 王建栋, 尹升华, 王勇
2020, 42(8): 980-987. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.29.004
摘要:
基于全尾砂絮凝过程中絮团弦长的测定,分别研究絮凝和沉降两个过程:首先以絮团平均弦长为指标研究不同絮凝条件下全尾砂絮凝行为,再以固液界面初始沉降速率为指标分析不同絮凝全尾砂料浆的沉降行为。探明了不同絮凝条件下全尾砂尺寸演化规律,全尾砂均快速絮凝形成絮团,絮团的平均弦长增长达到峰值后随着剪切时间逐渐下降,直至达到稳定状态。发现全尾砂絮团的平均弦长与絮凝全尾砂料浆固液界面的初始沉降速率随着不同的絮凝条件而不断改变,确定了在本文研究范围内的最优絮凝条件:Magnafloc 5250絮凝剂,全尾砂料浆固相质量分数10%,絮凝剂单耗10 g·t−1,絮凝剂溶液中絮凝剂质量分数0.025%,剪切速率94.8 s−1。最优条件下絮凝过程中絮团平均弦长峰值为620.63 μm,絮凝结束时絮团平均弦长为399.57 μm,絮凝全尾砂料浆固液界面初始沉降速率为4.61 mm·s−1。初步建立了适用于本文全尾砂的基于絮团平均弦长的固液界面初始沉降速率模型,固液界面初始沉降速率随着絮团平均弦长的增加而增加,为实际生产中控制全尾砂絮凝沉降参数以及设备结构优化、提高全尾砂料浆的絮凝沉降效率提供参考。
不同荷载条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验的声发射特性
吴顺川, 孙伟, 成子桥
2020, 42(8): 988-998. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.12.004
摘要:
针对巴西圆盘荷载接触条件对巴西劈裂试验影响的问题,采用声发射监测系统开展线/非线荷载接触条件下低孔隙率砂岩巴西劈裂试验。直径为50 mm,厚度为25 mm的标准巴西圆盘按照同一种传感器三维布设方式布置8个Nano30传感器。在相同的荷载速率下,声发射监测Richter8系统对线/非线荷载两种荷载条件下的巴西圆盘进行准静态加载的波形信号连续记录。通过P波自动到时及网格坍塌搜索算法进行定位,在线/非线荷载条件下分别有1131和931个声发射事件被成功定位。圆盘的起裂位置均在圆盘非中心位置,对于非中心起裂的试验值可能低估了巴西抗拉强度。裂纹下半球极点密度投影分析表明,非线荷载条件下破裂面的局部扭曲程度大于线荷载。试样三维损伤演化结果表明,圆盘所受荷载面积大小,显著影响圆盘损伤累计的时间、释放能量的大小和裂纹扩展的稳定性。对有效声发射定位事件进行矩张量分解获取了两种荷载条件下各向同性部分(ISO)、纯双力偶(DC)和补偿线性矢量偶极成分(CLVD)频率百分比,并采用微裂纹破裂类型分类方法来定量分析震源机制,结果表明巴西劈裂对荷载条件并不敏感,两者均可以解释为近似平行于荷载方向上的张拉裂纹的萌生、扩展及贯通。
酸性含汞溶液中电沉积回收汞的研究
李子良, 徐志峰, 张溪, 昝苗苗, 刘志楼
2020, 42(8): 999-1006. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.03.15.001
摘要:
针对有色金属冶炼烟气中湿法脱汞过程产生的硫脲汞溶液难处置的问题,研究提出了电沉积从硫脲汞溶液中回收汞的新工艺。采用线性电位扫描法得到汞电沉积过程的阴极极化曲线,考察了不同杂质离子对硫脲汞溶液阴极极化曲线的影响。结果显示,在控制阴极电位为−0.55~−0.45 V的条件下,溶液中的汞可选择性沉积,溶液中Fe3+、Cu2+和H2SO3并不会影响溶液中汞的电沉积,即汞选择性电沉积的电位为−0.55~−0.45 V。采用控电位技术对硫脲汞溶液电解回收汞工艺进行研究,探究了电解质种类和浓度、电解液温度、搅拌速率、电解时间等因素对汞回收效率的影响。得到在阴极材料为铜片的条件下,最佳的电解工艺参数:电解质为0.24 mol·L−1 Na2SO4,电解液温度为30~40 ℃,搅拌速度为100~300 r·min−1\begin{document}$ {\rm{SO}}^{2-}_{3}$\end{document}浓度为8 mmol·L−1,电解时间为5 h。最佳工艺条件下,溶液中汞的回收效率可达98%以上。对阴极电解产物进行分析,阴极上的汞为单质汞,且纯度超过99%。
电镀Cr涂层对TC4钛合金燃烧性能的影响
熊家帅, 黄进峰, 解国良, 喻嘉彬, 张诚, 邵磊, 王亚宇, 李洪莹, 何光宇
2020, 42(8): 1007-1017. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.10.001
摘要:
通过对镀有不同厚度(0、15、30、60 μm)Cr涂层的TC4钛合金在不同氧压下进行的富氧点燃试验,研究了镀Cr层厚度对TC4钛合金燃烧性能的影响规律,并通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)、能谱分析(Energy dispersive spectrometer,EDS)和X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)等手段进行显微组织分析。结果表明:当Cr层厚度为15 μm和30 μm时,对TC4的燃烧临界氧压无明显影响,而Cr层厚度增加到60 μm时,可将TC4的燃烧临界氧压由0.07 MPa提高至0.15 MPa。同时,燃烧速率随Cr层厚度的增加而降低,说明Cr层厚度的增加能有效抑制火焰传播速度。其作用机理可能是在燃烧的过程中,表层Cr元素通过固相扩散、熔化等方式进入熔池,与合金中的Al、V元素共同析出,形成了弥散分布的富Cr、Al、V相,并减少了Al与O的结合,对O元素的扩散有阻碍作用,从而降低了燃烧速率。
V2O5/MXene纳米复合材料制备及储能性能
黄莹莹, 李庚辉, 赵博, 路金林, 亢淑梅, 陈书文
2020, 42(8): 1018-1028. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.11.07.002
摘要:
利用氢氟酸(HF)刻蚀MAX(Ti3AlC2)相获得一种新型二维层状材料MXene(Ti3C2Tx),利用液相插层法扩大MXene材料层间距,然后在MXene表面分别负载纳米片状(NSV)和纳米带状(NBV)的五氧化二钒(V2O5)。利用X射线衍射(XRD)、比表面积测试分析(BET)和高分辨场发射扫描电镜(FESEM)等手段对复合材料进行了结构表征。结果表明:MXene层间距增加;且两种形貌的五氧化二钒均匀的负载在MXene表面。这两种纳米复合材料的比表面积比MXene高,意味着它们可以为电化学反应提供更多的活性位点。利用多种电化学技术对V2O5,MXene和不同V2O5/MXene纳米复合材料在1.0 mol·L−1 Na2SO4和1.0 mol·L−1 LiNO3电解液中进行了电化学性能测试。结果表明:当电流密度为1 A·g−1时,在1.0 mol·L−1 Na2SO4电解液中MXene,V2O5,NSV/MXene和NBV/MXene的比电容分别为8.1,15.7,96.8和88.5 F·g−1;在1.0 mol·L−1 LiNO3电解液中NSV/MXene和NBV/MXene的比电容分别为64.6,46.7,180.0和114.0 F·g−1。表明所制备的NSV/MXene纳米复合材料是一种有研究和开发潜力的超级电容器电极材料。
3Cr钢在油水两相层流工况下的腐蚀行为
孟凡娟, 王清, 李慧心, 向婉倩, 姚海元, 王赟, 李清平, 王贝, 路民旭, 张雷
2020, 42(8): 1029-1039. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.27.003
摘要:
油水两相是海底管道和集输管线常见的腐蚀工况之一。以3Cr钢为代表的低Cr合金钢是目前具有良好耐蚀性能的重要材料,但是,在油水两相层流工况下,特别是加注了一定缓蚀剂的条件下,3Cr钢的适用性尚不明确。通过高温高压反应釜模拟了油水两相层流工况的腐蚀环境,结合扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射谱(XRD)、激光共聚焦拉曼光谱、电化学交流阻抗等测试表征方法,研究了3Cr钢的腐蚀行为及缓蚀剂对其耐蚀性能的影响。结果表明,在油水分层工况下,3Cr钢的腐蚀产物膜为明显的双层膜结构,其内层腐蚀产物膜为结构致密的富Cr层,表现出良好的抗CO2腐蚀性能,但加入100 mg·L−1十七烯基胺乙基咪唑啉季铵盐缓蚀剂后,3Cr钢并未得到有效的缓蚀保护。腐蚀产物分析和电化学研究表明,烷烃分子、缓蚀剂分子及富Cr层间存在竞争关系,烷烃分子干扰了缓蚀剂分子的有序排列,影响了3Cr钢的耐蚀性。
基于多场耦合碳/碳复合材料传热及烧蚀响应
孙学文, 杨海波, 米涛
2020, 42(8): 1040-1047. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.06.30.002
摘要:
碳/碳复合材料作为热防护材料多用在高超声速飞行器鼻锥、机翼前缘等位置。为准确预测其传热及烧蚀响应,采用多场耦合策略,考虑外部流场热化学非平衡效应、固体材料传热以及材料表面烧蚀,建立高超声速气动热环境下碳/碳复合材料的流−热−烧蚀多场耦合模型,预测碳/碳复合材料瞬态温度场分布、烧蚀速率以及烧蚀外形变化等。计算得到材料模型驻点区壁面温度和热流值随着时间的推移发生了显著的变化,初始时刻热流值较大,1 s时驻点热流密度为17.22 MW·m−2,随着时间推移,壁面温度增大,驻点区温度梯度减小,热流值也减小,30 s时驻点热流密度为10.22 MW·m−2。材料模型驻点区的温度较高,材料表面反应活跃,烧蚀较为严重,而模型侧面只发生少量烧蚀,烧蚀前后材料模型外形发生一定的变化,前缘半径增大,30 s时材料驻点烧蚀深度为17.47 mm。结果表明:在高超声速气动热环境下,碳/碳材料模型发生一定的烧蚀后退,导致外部流场以及热载荷发生变化,采用流−热−烧蚀多场耦合模型可有效预测不同时刻材料的传热及烧蚀响应,为热防护系统的设计提供一定的参考。
基于高阶同步压缩变换的行星齿轮箱声音信号共振频带特征提取
张郑武, 冯志鹏, 陈小旺
2020, 42(8): 1048-1054. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.18.002
摘要:
建立了非平稳运行工况下行星齿轮箱共振频带内的声音信号解析模型,揭示了齿轮故障特征在声音信号共振频带内的分布规律。根据共振频率不随转速变化的特点定位了齿轮箱共振频率,为在共振频带内提取齿轮故障特征奠定基础。针对传统时频分析方法时频分辨率低的缺陷,研究了基于高阶同步压缩变换的时变故障特征提取方法。通过数值仿真和实验信号分析,验证了所提出的声音信号模型与行星齿轮箱故障特征分布规律的正确性,以及利用高阶同步压缩变换方法提取共振频带内行星齿轮箱故障特征的有效性。
基于双齿面传动误差的侧隙连续测量与预测
王光建, 周磊, 邹帅东
2020, 42(8): 1055-1064. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.10.18.004
摘要:
提出了基于双偏心误差齿轮副的驱动齿面与齿背面(双齿面)无负载传动误差计算模型,建立与时变侧隙计算公式的等价关系,从理论上证明了基于双齿面传动误差的侧隙测量方法。通过实验方法测量不同负载力矩、不同初始啮合面的双面传动误差并获得相应载荷下的初始回差。基于双齿面传动误差实验曲线,实现了对齿轮副整个大周期侧隙的连续测量与预测。结果表明,连续侧隙曲线与机械滞后回差法测量结果吻合良好,而侧隙预测较好地反应了侧隙值变化范围和变化趋势。同时,侧隙连续测量方法及侧隙预测均证明了理论模型的正确性,提高了侧隙测量效率并获得了更全面的侧隙数据,对齿轮传动的非线性研究、消隙控制以及齿轮精度研究等均具有指导意义和参考价值。
基于摆幅恢复传输管逻辑的高性能全加器设计
韩金亮, 张跃军, 温亮, 张会红
2020, 42(8): 1065-1073. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.03.001
摘要:
为了降低硬件开销,越来越多的加法器电路采用传输管逻辑来减少晶体管数量,同时导致阈值损失、性能降低等问题。本文通过对摆幅恢复逻辑与全加器电路的研究,提出一种基于摆幅恢复传输管逻辑(Swing restored pass transistor logic, SRPL)的全加器设计方案。该方案首先分析电路的阈值损失机理,结合晶体管传输高、低电平的特性,提出一种摆幅恢复传输管逻辑的设计方法;然后,采用对称结构设计无延时偏差输出的异或/同或电路,利用MOS管补偿阈值损失的方式,实现异或/同或电路的全摆幅输出;最后,将异或/同或电路融合于全加器结构,结合4T XOR求和电路与改进的传输门进位电路实现摆幅恢复的高性能全加器。在TSMC 65 nm工艺下,本文采用HSPICE仿真验证所设计的逻辑功能,与文献相比延时降低10.8%,功耗延时积(Power-delay product, PDP)减少13.5%以上。
弱光照条件下交通标志检测与识别
赵坤, 刘立, 孟宇, 孙若灿
2020, 42(8): 1074-1084. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.08.14.003
摘要:
针对弱光照条件下交通标志易发生漏检和定位不准的问题,本文提出了增强YOLOv3(You only look once)检测算法,一种实时自适应图像增强与优化YOLOv3网络结合的交通标志检测与识别方法。首先构建了大型复杂光照中国交通标志数据集;然后针对复杂的弱光照图像提出自适应增强算法,通过调整图像亮度和对比度强化交通标志与背景之间的差异;最后采用YOLOv3网络框架检测交通标志。为了降低先验锚点框设置精度以及图像中背景与前景比例严重失衡对检测精度造成的影响,优化了先验锚点框聚类算法和网络的损失函数。对比实验结果表明,在实时性大致相当的情况下,本文提出的增强YOLOv3检测算法较标准YOLOv3算法对交通标志有更高的回归精度和置信度,召回率和准确率分别提高0.96%和0.48%。