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工程科学学报
北京科技大学
工程科学学报

北京科技大学

徐金梧

月刊

2095-9389

xuebaozr@ustb.edu.cn

010-62332875

100083

北京海淀区学院路30号

工程科学学报/Journal Chinese Journal of EngineeringCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊是由教育部主管、北京科技大学主办的学术类科技期刊。国内外公开发行，主要刊载矿业与环境工程、冶金工程、材料科学与工程、机械工程等与冶金工业相关的学科领域的最新研究成果，为中文核心期刊（冶金工业类）及中国科技论文统计源期刊。目前，已经被EI、CA、MA、《剑桥科学文摘社网站》、俄罗斯《文摘杂志》、德国《数学文摘》等国内外著名检索刊物或数据库列为收录源期刊，先后荣获首届国家期刊奖、中国期刊方阵“双高期刊”、第二、三届国家期刊奖百种重点期刊等多项大奖。
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    煤矿地下空间定位技术研究进展

    王国庆赵鑫杨春雨马磊...
    1713-1727页
    查看更多>>摘要：我国以煤为主的能源结构决定了煤炭资源的高效开采事关国家能源安全,煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的必由之路.地下空间定位技术是实现煤矿智能化的基础,准确的定位信息可用于保障矿工生命安全,优化采矿作业,提高设备利用率,降低运行成本.矿井中卫星导航信号不可用,作业空间封闭受限,电磁环境复杂,光照条件不良,这对于定位技术提出了新要求.围绕煤矿井下特殊场景的定位问题,首先系统介绍了基于距离交会、基于数据库匹配、基于航位推算以及多源信息融合的四类基本定位技术,随后对于这四类定位技术的具体实施方案进行了详细评述,分析并归纳了煤矿地下定位系统面临绝对定位方式误差增大、推算式定位校正困难、多源融合式定位方法性能下降、缺乏全面的标准指导等挑战.未来可以考虑采用多系统协同提高定位能力,引入类脑仿生导航探索新的定位方案,提升无缝定位、应急定位能力,加强定位信息的隐私保护.

    煤矿智能化煤矿地下定位受限空间导航定位卫星拒止环境

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    地震多发区尾矿抗液化强度与动力变形特性试验

    刘春康王洪江尚向凡李浩...
    1728-1738页
    查看更多>>摘要：为了研究地震多发区尾矿的抗液化强度和动力变形特性,以某上游法尾矿库中尾矿为研究对象,首先探究沉积固结方式与尾矿细粒含量(FC)的关系;此外,通过开展动三轴试验研究FC对尾矿抗液化性能和动力变形特性的影响,并从尾矿的微观结构特征出发,分析FC对尾矿动力变形特性的作用机制.结果表明:上层尾矿主要经历淋滤固结和化学固结,下层尾矿主要经历自重固结,而FC随取样深度非线性增加.对数坐标下的动剪应力随动循环次数增加近似线性减小,而有效固结围压(σ'3c)增大使尾矿颗粒接触更加紧密,导致尾矿结构破坏需要更强的动载荷.尾矿的抗液化强度随FC增加先降低后升高,FC越小,尾矿的抗液化强度越高、循环应力比衰减越快,而FC变化对动孔隙水压比的影响较小.尾矿的动孔隙水压比-振次比曲线呈现"减速增长—稳定增长—加速增长"的 3 阶段发展趋势,而较大的固结压力能够在一定程度上抑制动孔隙水压增长,此外,基于三参数动孔隙水压模型,得到了适用于本文尾矿的两参数动孔隙水压简化模型.随着FC增大,尾矿的动剪切模量先减小后增大、阻尼比先增大后减小,尾矿的动力变形特性逐渐由粗颗粒控制向细颗粒控制转变,该过程细粒含量存在临界值.研究结果可为地震多发区尾矿库稳定性评价及尾矿动力分析提供理论依据.

    地震多发区尾矿细粒含量(FC)抗液化强度动力变形特性

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    LF精炼工艺智能控制与决策模型研究进展

    王欢王敏刘庆邢立东...
    1739-1752页
    查看更多>>摘要：LF精炼能有效控制钢水成分和温度,并且在炼钢-连铸之间起缓冲协调生产节奏的作用.在LF精炼中运用模型进行控制与决策,可以进一步规范精炼操作,提高钢水质量和稳定性,同时结合自动控制,将有力推动智能精炼的发展,实现炼钢流程的优化和效率提升.在钢铁行业智能制造的背景下,LF精炼工艺模型不再局限于单功能模型的建立和部署,开始朝着集成化、自动化和智能化的方向发展,同时其功能也由单一的预测和推荐转变为整体的智能控制和决策.因此,建立集成化模型,规范现场工艺,改善数据质量,同时结合自动化控制和闭环反馈,进一步来实现智能控制模型成为LF控制模型未来研究和应用的重要方向.本文总结了LF精炼控制与决策模型中关于合金化模型、造渣模型、温度模型、吹氩控制模型、钙处理模型等单功能模型以及智能精炼技术的发展与研究现状.系统梳理了不同模型的建模原理和实现功能,展望了未来LF工艺智能控制与决策模型的发展方向,为后续LF智能精炼技术的开发和应用提供参考.

    LF精炼控制与决策自动化集成化模型智能精炼

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    基于解析法CFD-DEM的烧结矿立式固定床气固接触特性

    张宇李承志郭嘉敏张伟...
    1753-1763页
    查看更多>>摘要：烧结矿与冷却气体充分接触是实现烧结矿立式冷却工艺的关键.采用解析计算流体力学-离散元法(CFD-DEM)方法对烧结矿立式固定床的气固接触特性进行了研究,主要模拟了非规则烧结矿在固定床内的堆积过程,并采用浸没边界法和动态网格细化技术获得颗粒表面的流场信息.结果表明,双粒径均匀混合料床的平均空隙率主要取决于小粒径颗粒,大粒径颗粒主要影响料床的大空隙结构及分布."A型"偏析(中心区域堆积小粒径颗粒,近壁面区域堆积大粒径颗粒)料床压降显著低于均匀混合料床,但颗粒与气体接触不充分;"B型"偏析(偏析方式与"A型"相反)料床兼顾了低压降和气固充分接触的特点.料床实验压降与模拟压降随气体表观流速的变化趋势保持一致,验证了解析CFD-DEM方法的准确性.

    计算流体力学-离散元法耦合计算浸没边界法网格细化烧结矿立式冷却气固接触

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    基于SSA-LSTM的转炉炼钢终点锰含量预测

    马帅印高丽丽贺锦峰殷磊...
    1764-1775页
    查看更多>>摘要：锰是钢铁中重要的合金元素,加入适量锰元素能提高钢铁的性能.在转炉炼钢过程中锰元素的含量直接影响钢铁质量,锰元素加入过少会导致钢铁产品的硬度和强度不足,锰元素加入过量会导致钢铁过脆和生产成本增加.因此,合适的锰元素添加量对提升钢铁质量与减少冶炼成本具有重要意义.转炉炼钢过程中锰元素的添加量主要通过终点锰预测的结果来确定,然而,终点锰含量多少受到多个因素的综合影响,其中包括氧化反应进程和合金中其他元素的添加量,影响因素呈现非线性、高耦合的特征,导致终点锰预测难度大.针对转炉炼钢终点锰预测过程中数据有含噪声、强耦合性等问题,提出了一个转炉炼钢终点锰含量预测研究架构,基于长短期记忆网络(Long Short-term memory,LSTM)预测模型,引入奇异谱分析(Singular spectral analysis,SSA)方法去除终点锰预测过程中非线性、非平稳序列的高频噪声,提出了一种基于SSA-LSTM的终点锰含量预测方法.利用河北敬业钢铁有限公司转炉炼钢生产数据验证所提预测方法的平均绝对误差为 1.19%,均方根误差为1.48%.结果表明,该方法能够解决数据存在较多噪声及非线性等问题;与已有的时间序列预测方法相比,经过SSA处理的预测误差均有所减小,证明了该方法的有效性,为实际生产过程中精准加入合金提供了依据.

    转炉炼钢终点锰预测奇异谱分析长短期记忆网络预测方法

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    CO2熔盐捕集与电解单质碳过程调节

    贾亚东吴涛陈云飞朱钊海潭...
    1776-1785页
    查看更多>>摘要：CO2熔盐捕集与电解制备单质碳材料由于具有良好的选择性,被认为是一种极有前景的碳捕集利用与封存(CCUS)技术.然而,目前关于CO2 在熔盐体系下的动力学捕集机理研究尚显不足,并且电解过程中电耗较高,生产成本偏大,因此CO2 高效捕集与低电耗电解是关键.本文计算了CO2 熔盐捕集转换碳酸盐热力学和碳酸盐电解理论电压与电耗,通过在线气体质谱仪、碳硫分析仪等研究了典型CaCl2 基熔盐中CO2 捕集动力学规律.通过恒电压电解、扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱(Raman)等,在典型三元Na2CO3-K2CO3-Li2CO3 熔盐和三元CaCl2-NaCl-CaO熔盐中考察了温度和电压对CO2 电解制备单质碳材料电解过程、电耗和产物结构的影响规律.结果表明,相比于碱金属氧化物,CaO是较佳的CO2 捕集剂,捕集转化获得的CaCO3 具有最低的理论分解电压和电耗;在典型CaCl2-3.0%CaO(质量分数)熔盐中,CO2 的捕集容量为0.016 gCO2·g-1;相比于Na2CO3-K2CO3-Li2CO3 熔盐,CaCl2-NaCl-CaO熔盐捕集CO2 具有更低的电解电压和电耗,750℃和 1.5 V最佳条件下,电解单质碳材料电流效率达到 95.3%,电解电耗最低仅为 14.1 kW·h·kg-1.本研究不仅为寻找性能优异、价格低廉、环境友好的CO2 熔盐捕集材料提供了基础,也为实际电解优化工艺指标提供理论依据.

    二氧化碳捕集电解高温熔盐单质碳电耗

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    不同晶化温度对硅锰渣铸石的内部温差、析晶和物理性能的影响规律

    程昭阳李宇黄燚
    1786-1796页
    查看更多>>摘要：以硅锰渣为主要原料,采用熔渣冷却析晶一步法(铸石浇铸法),在 800、900、1000 和 1050℃四个不同晶化温度,分别制备了规格为ϕ100 mm×20 mm的铸石样品CT-800、CT-900、CT-1000 和CT-1050,通过构建实验装置,测试了熔渣在成型和热处理全过程中心与边缘温度变化规律,并结合X射线衍射(XRD)、差示扫描量热分析(DSC)、扫描电子显微镜和能谱(SEM-EDS)等手段,分析了不同晶化温度对铸石中心和边缘的温差、析晶与物理性能的影响规律.研究表明:以硅锰渣为主要原料在 900～1050℃保温析晶可以制备出满足天然花岗岩建筑板材标准(GB/T18601-2009)的铸石,晶相为辉石、黄长石以及硫化锰.CT-1000 和CT-1050 铸石析出更多和更大尺寸的晶相,存在微观孔隙和宏观缩孔,降低了其力学性能.CT-900具有最佳性能,而CT-800 以玻璃相为主,热处理后发生断裂.在本实验条件下,最大温差(32℃)发生在把熔渣倒入模具的凝固成型阶段,且晶化温度越低,温差越大.CT-1000 和CT-1050 析晶阶段存在的大量析晶放热导致温差二次增大,延长了中心和边缘温度一致的时间.硫化锰是高温熔融态下析出晶相,易于氧化分解,快速冷却的边缘存在更多硫化锰相.黄长石较辉石在更高的温度下析出,较高的晶化温度处理样品和相同晶化温度下样品的中心部分均存在相对更多的黄长石相.

    硅锰渣热处理制度改质温度梯度析晶

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    机器学习在镁合金应用中的研究进展

    吴铮李全安陈晓亚郑泽宇...
    1797-1811页
    查看更多>>摘要：在材料基因工程的背景下,基于数据驱动的机器学习技术作为一种强大的新型工具在镁合金的研究领域得到了广泛的关注.机器学习可以绕过几乎任何复杂的实验过程,只要确定描述符和目标属性之间的联系,就能以较低的成本,快捷地预测材料的性能.传统的实验试错法和基于密度泛函理论的方法由于时间成本高、效率低,难以满足材料科学的不断发展需求.本文综述了机器学习在镁合金应用中的研究进展.首先简述了机器学习的基本流程和各种方法,主要包括数据集收集、数据预处理、模型构建和性能评估,并对机器学习算法的分类进行了总结.重点介绍了机器学习在镁合金加工工艺、显微组织、力学性能、耐蚀性能、储氢性能、固有属性(强化机制、各向异性等)和逆向设计等诸多方面应用的研究成就.机器学习模型不仅加速了新型高性能镁合金的设计过程,而且推动了镁合金塑性变形机理的深入研究.最后,分析了机器学习在镁合金研究应用中一些亟待解决的问题,并据此提出了机器学习在镁合金应用方面未来的研究方向和发展趋势.

    机器学习镁合金性能预测合金设计数据驱动

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    P91钢在高流速液态铅铋介质中的冲蚀行为

    李季声王彦斐王显宗
    1812-1825页
    查看更多>>摘要：基于第四代核能系统的发展和需求,铅冷快中子反应堆(Lead-cooled fast reactor,LFR)是下一步优先发展的 6 种主要堆型之一.铅冷快堆以液态纯铅(Lead)或铅铋共晶合金(Lead-bismuth eutectic,LBE)作为冷却剂,然而在高温、高流速条件下,LBE与结构材料的冲刷腐蚀磨损严重限制了其工程应用.本文以P91 钢为研究对象,在相对流速为 5 m·s-1,温度分别为350℃和 450℃,不进行控氧处理的LBE中进行了 3000 h的动态测试.研究发现,350℃时P91 钢表面生成的氧化层为多层结构:从外到内分别为疏松的Fe3O4 层、Fe-Cr尖晶石层、内氧化区(Internal oxidation zone,IOZ),合金表面氧化层经历了"生成—剥落—再生成"的动态平衡过程.当介质温度为 450℃时,试样表面氧化腐蚀现象更加严重,但是不同冲击迎角区域的试样表面腐蚀特征有较大差异.试样表面损伤的严重程度排序为:30°>90°>-90°.30°迎角区域氧化层完全剥落,且LBE渗透入基体;90°迎角区域部分氧化层剥落,内部基体未受到LBE侵蚀;-90°迎角区域氧化层结构保持完整.本文分析了P91钢在高流速(5 m·s-1)LBE中的冲蚀行为,阐明了合金氧化层的生成和剥落机制,可以为我国第四代核反应堆LFR结构或包壳材料研发及其在LBE中腐蚀机制研究提供一定实验数据与参考.

    铅冷快中子反应堆铅铋共晶合金P91钢氧化冲蚀迎角

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    TNM钛铝合金高温抗氧化行为研究

    邸士雄欧白羽李维赵春玲...
    1826-1833页
    查看更多>>摘要：TNM(Ti-43Al-4Nb-1Mo-0.1B)钛铝合金具有较低的密度、优异的高温力学性能和较好的高温变形能力,其长期服役温度可达 750℃左右,是备受瞩目的新一代航空发动机低压涡轮叶片用材料.选取热暴露温度时间不同的两个热暴露条件对TNM合金在空气中进行氧化实验,采用扫描电子显微镜、能谱仪及X射线光电子能谱分析仪对试样的表面形貌、氧化物组成进行分析,系统研究了TNM合金在不同温度、不同时间热暴露条件下的氧化规律.结果 表明,在700℃和760℃下,TNM合金抗氧化级别分别为完全抗氧化和抗氧化等级.700℃下,TNM合金在氧化初期先生成TiO2,随后Al2O3 逐渐增加,直至覆盖整个样品,在氧化进行200 h时,表面生成的氧化物主要为Al2O3,含有少量的MoO2、MoO3,能保持较好的抗氧化性;760℃条件下,合金在氧化初期即形成不稳定的Al的氧化物与Ti的氧化物,表面生成的氧化物主要为TiO2 和少量的MoO2、MoO3与MoOx的氧化物.

    钛铝合金高温氧化X射线光电子能谱氧化行为氧化物

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