东北大学学报（自然科学版）

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一种可用于分类型属性数据的多变量决策树算法

刘振宇，宋晓莹

2020, 41 (11): 1521-1527. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.001

摘要 ( 729 )

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PDF(409KB) ( 951 )

针对绝大部分多变量决策树只能联合数值型属性，而不能直接为带有分类型属性数据集进行分类的问题，提出一种可联合多种类型属性的多变量决策树算法(CMDT).该算法通过统计各个分类型属性的属性值在各个类别或各个簇中的频率分布，来定义样本集合在分类型属性上的中心，以及样本到中心的距离.然后，使用加权k-means算法划分决策树中的非终端结点.使用这种结点划分方法构建的决策树可用于数值型数据、分类型数据以及混合型数据.实验结果表明，该算法建立的分类模型在各种类型的数据集上均获得比经典决策树算法更好的泛化正确率和更简洁的树结构.

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基于采样数据的大规模储能系统一致性控制

闫士杰，王立华，闫伟航，高文忠

2020, 41 (11): 1528-1534. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.002

摘要 ( 566 )

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PDF(518KB) ( 633 )

针对大规模储能系统中储能电池的荷电状态(SOC)不一致问题，提出了一种储能多智能体系统一致性控制方法，实现了SOC和输出功率的一致性.该方法应用简化的大规模储能系统模型，基于采样数据进行了一致性控制协议设计，并进行了收敛性分析.从而使本地储能单元智能体仅在特定采样时间点接收邻接储能单元智能体的状态信息，就能够产生本地储能单元控制信号，解决了大规模储能多智能体系统因通讯复杂而带来的计算量过大的问题.考虑了采样数据和系统需求，进行了系统控制参数设计.同时，对瞬时功率过大的问题，进行了带功率限制的一致性控制改进.最后，在满足定理条件、不满足定理条件和功率限制等三种场景下进行了仿真，验证了该方法的有效性.

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面向OD客流的高速列车开行方案的优化

田慧欣，王帝，帅民伟，李坤

2020, 41 (11): 1535-1542. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.003

摘要 ( 671 )

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PDF(683KB) ( 764 )

满足旅客出行需求的列车开行方案能够更好地吸引客流，提高高速铁路的核心竞争力.以最大化经济收益和最小化出行费用为目标函数，以高速铁路开行方案为研究对象，以旅客出行需求等作为约束条件，将列车开行方案与OD客流量结合起来，同时考虑旅客的购票心理和列车购票的时效性，建立了一种基于动态客流的列车开行方案的多目标优化模型，并设计一种基于个体信息和改进变异算子的多目标差分(SG-MOSaDE)算法进行求解.以广州市某线路为例进行实验，结果表明，优化后的开行方案不仅最大化满足了旅客出行需求，而且在提高铁路部门经济收益的同时降低了旅客的出行花费，并且优化后的列车总停站次数较原来有所下降，停站方案更加均衡.

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基于模型参数在线辨识技术的SOC估算方法

刘芳，马杰，苏卫星，何茂伟

2020, 41 (11): 1543-1549. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.004

摘要 ( 710 )

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PDF(790KB) ( 831 )

针对遗传算法(genetic algorithm，GA)存在收敛速度慢、易陷入局部最优以及难以实现在线应用的问题，面向如动力电池等效电路模型一类非线性较强、实时性要求高的模型辨识问题，提出一种能够快速缩小搜索空间，且有效避免陷入局部最优的在线快速搜索的优化辨识框架，实现电动汽车动力电池等效电路模型参数在线快速辨识，扩展全局搜索优化算法的应用范围.进一步，将此算法应用于电池剩余荷电状态(SOC)估算问题，提出基于改进GA参数辨识技术的无迹粒子滤波SOC估算方法(IGA-UPF).并将此SOC估算方法与基于最小二乘参数辨识技术的无迹粒子滤波的SOC估算算法(LS-UPF)作比较，结果验证了本文提出的在线快速参数辨识框架具有更好的模型参数辨识精度.

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基于新冗余度的特征选择方法

李占山，吕艾娜

2020, 41 (11): 1550-1556. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.005

摘要 ( 643 )

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PDF(401KB) ( 712 )

现有过滤式特征选择模型采用贪心策略结合互信息评价特征子集，容易陷入局部最优陷阱.考虑标签信息对冗余度的影响，利用一种改进的MIFS-U方法在给定标签的条件下衡量冗余度，采用基于分解的多目标优化框架结合引入多项式突变的差分进化算子进行全局搜索，避免搜索陷入局部最优.引入l₁正则化项来保证特征子集的稀疏性，并提出了新的特征选择算法MOEA/D-DEFS.实验阶段使用knn-5分类器来验证学习效果，并在多组来自不同领域的数据集上进行测试.结果表明，将特征选择视为多目标问题采用全局搜索策略搜索可以在特征子集维度和分类准确性方面提供更好的性能.

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基于自适应UKF的锂离子动力电池状态联合估计

章军辉，李庆，陈大鹏，赵野

2020, 41 (11): 1557-1563. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.006

摘要 ( 608 )

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PDF(584KB) ( 752 )

针对由静态的电池模型参数而造成的状态估计累计误差、噪声统计特性的时变不确定性等实用化的问题，基于无迹卡尔曼滤波(unscented Kalman filter， UKF)框架设计了一种自适应UKF的电池状态联合估计算法.在无迹变换(unscented transform，UT)时，对量测方程进行准线性化处理，降低了循环迭代过程中的计算开销；利用带遗忘因子的Sage-Husa自适应估计方法对过程噪声的统计特性参数进行递推估计与修正，提高了UKF估计算法的自适应容错能力；实时跟踪滤波的收敛性，若呈发散趋势时，通过自适应衰减因子对误差协方差进行调整以抑制滤波发散，保证了滤波过程的数值稳定性；采用联合估计策略对一阶Thevenim电池欧姆内阻模型参数进行在线更新，以确保动态测试工况下电池模型的准确性，从而提高了电池荷电状态(state of charge，SOC)以及电池健康状态(state of health，SOH)的估计精度.实验与仿真结果验证了该电池状态联合估计算法的可行性与有效性.

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双通道多感知卷积神经网络图像超分辨率重建

王鑫，王翠荣，王聪，苑迎

2020, 41 (11): 1564-1570. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.007

摘要 ( 785 )

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PDF(806KB) ( 767 )

基于深度卷积神经网络的单幅图像超分辨率重建取得了显著研究成果.但随着深度卷积神经网络规模的不断扩大，如何降低网络构建难度和计算成本成为一个难点.为此，提出了一种双通道多感知卷积神经网络(DMCN)模型.该模型在两条具有不同卷积核的通道上建立了稠密连接，并构建了带有动态调节能力的层间融合结构.这种结构的设计使得小规模卷积神经网络便能获得图片特征信息的全面感知能力.实验结果表明，DMCN重建效果优于目前多数具有代表性的重建算法.

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CTA图像冠状动脉开口层与开口点的全自动定位方法

罗洋，齐林，徐礼胜

2020, 41 (11): 1570-1576. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.008

摘要 ( 995 )

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PDF(1218KB) ( 716 )

首先在基于多条件区域增长和解剖结构的基础上通过圆度的变化确定左冠脉开口层，并在指定范围内确定左冠脉开口点；其次计算升主动脉中心和右冠脉开口范围，利用距离曲线的波峰和波谷，并结合解剖结构的特征来确定右冠脉开口层和开口点.该方法中的各种参数得到了统计学验证.最后对57个对象进行测试，左右冠脉开口层定位准确率分别达到98.2%和96.5%.定位的左右冠脉开口点到金标准点的平均距离分别是(1.22±0.37)mm和(1.76±0.49)mm.实验验证了该方法的有效性.

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输电线巡检机器人位姿变化的柔性关节控制策略

李小彭，尚东阳，李凡杰，闻邦椿

2020, 41 (11): 1577-1583. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.009

摘要 ( 1316 )

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PDF(1773KB) ( 797 )

为降低输电线巡检机器人的柔性关节输出速度的波动程度，采用极点配置方法设计柔性关节伺服驱动系统控制器参数.该参数的选择随机器人位姿变化而变化，从而使机器人柔性关节伺服驱动系统能够获得平稳的输出速度.首先建立了机器人柔性关节伺服驱动系统动力学方程，并求得电机转速到电机电磁转矩的传递函数；接下来将PI控制策略应用于柔性关节伺服控制，求得控制系统闭环传递函数；然后采用相同阻尼系数的极点配置策略设计控制器参数；最后开展了巡检机器人越障情况下变位姿工况的柔性关节控制实验，结果说明可通过适当选择极点配置参数使柔性关节获得良好的输出速度.

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基于三点法和ICP算法的手术导航系统患者配准

张春雷，戴丽，刘宇，李鹤

2020, 41 (11): 1584-1590. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.010

摘要 ( 640 )

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PDF(1350KB) ( 966 )

为提升手术导航系统的患者配准精度和操作效率，提出一种将三点法与迭代最近点(iterative closest point，ICP)算法相结合的配准策略.首先，定义患者配准问题，并介绍术前和术中数据获取方法；然后，以光学定位标记球心为患者空间与图像空间的共同特征，并利用三点法完成初始配准；最后，以经初始映射后的患者点云中各点为球心，建立半径为r的球形区域，并仅保留位于该区域内的图像点云以实现抽样，再利用改进ICP算法对两片点云执行精确配准.实验结果表明，采用所提方法对猪股骨和猪髂骨执行配准的平均误差分别为(0.83±0.10)mm和(0.86±0.09)mm，其精度和稳定性均优于传统ICP算法，且具备高效、易操作的特点以及潜在的临床应用价值.

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数字全息显微中的相位像差自动补偿算法

马树军，方锐

2020, 41 (11): 1591-1595. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.011

摘要 ( 898 )

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PDF(1130KB) ( 707 )

结合图像分割技术提出了一种用于数字全息显微成像的相位像差自动补偿算法.首先，采用最小二乘拟合算法对包含被测物体的解包裹相位图进行粗略的补偿，在此基础上，利用图像分割算法对其背景区域进行分割，获得不含被测物体的解包裹相位图.最后，对其进行最小二乘拟合从而实现相位像差的精确补偿.传统的数字全息显微技术需要通过手工检测背景区域来解决相位像差补偿的问题.然而，本文方法既不需要人工干预，也不需要光学设置的先验知识，即可实现相位像差的自动补偿.通过搭建的数字全息显微实验平台验证了所提算法的可行性和准确性.

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一种在线测量竖直平行平面位置关系的检测机构

卢泽宸，赵春雨，李朕均

2020, 41 (11): 1596-1602. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.012

摘要 ( 608 )

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PDF(979KB) ( 658 )

由于机床具有质量大且不易移动的特点，因此对其竖直定位面位置误差进行现场测量一直是个难题.为此，设计了可以现场测量竖直平行面位置关系的检测机构.该检测机构可以利用自身与平行平面形状轮廓间的几何关系，将已知基准平面形状轮廓分离，从而计算出被测平面的形状轮廓.依据计算出的形状轮廓与已知被测平面形状轮廓间的差异，可以确定两平行平面的位置关系.同时介绍了检测机构原理，给出了检测方案，开发了位置关系描述算法，并进行了测量试验.试验结果表明:该检测机构能够准确获得两竖直平行平面的位置关系.

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球头铣刀螺旋铣孔材料去除及孔形成过程分析

王海艳，陶克新，金天

2020, 41 (11): 1602-1608. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.013

摘要 ( 707 )

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PDF(1168KB) ( 684 )

根据螺旋铣孔加工机理，考虑钛合金难加工特性及球头铣刀头部的几何特征，分析球头铣刀完成钛合金螺旋铣孔加工过程中不同特征时刻刀具和工件的形态及相对位置关系，选取四个典型时刻研究球头铣刀螺旋铣孔过程中的孔壁形成机理.对去除的未变形切削材料的截面特征和横截面面积进行讨论，通过典型时刻分析球头铣刀螺旋铣孔过程中的材料去除行为，在数控机床上开展钛合金螺旋铣孔试验，并测量切削力，分析刀具磨损和螺旋铣孔质量.结果显示球头铣刀在钛合金螺旋铣孔加工过程中材料去除均匀平稳，与仿真过程基本一致，同时切削力逐步增加或减小，刀具磨损小，孔质量较高.

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不对中工况下的修形齿轮副啮合特性分析

马辉，赵百顺，皇甫一樊，韩晨怡

2020, 41 (11): 1609-1614. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.014

摘要 ( 563 )

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PDF(1568KB) ( 746 )

由于对齿轮进行鼓向修形可以有效缓解不对中故障对系统的影响，改善啮合状态，提升传动的平稳性.因此，基于轮齿承载接触分析理论建立考虑轮齿修形以及不对中的啮合特性分析模型，并通过ANSYS对模型的有效性进行了验证；基于本文模型分析了不同接触状态下的齿轮副时变啮合刚度与接触应力；最后以降低齿面接触应力为优化目标，对不对中齿轮副的鼓向修形量进行了优化.本文方法在保证计算精度的前提下极大地提升了计算效率，可为不对中齿轮副的修形优化设计提供理论依据.

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骨材料微铣削刀刃温度预测模型

刘宇，陈启森，董秋实

2020, 41 (11): 1615-1622. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.015

摘要 ( 458 )

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PDF(876KB) ( 632 )

由于骨材料的脆硬性和微铣削加工特点，目前还没有有效的骨铣削刀刃温度的理论预测模型，因此，提出一种骨材料微铣削刀刃温度预测模型，考虑骨材料在高速微铣削加工中热的产生、传递以及分配的特点，将预测模型划分成铣削产热模型和刀刃温度模型两个子模型.然后，建立骨铣削实验平台，并通过热像仪采集铣削过程中刀刃温度变化.最后，对比实验结果与理论预测，验证已建立的骨材料微铣削刀刃温度预测模型的合理性.该骨材料微铣削刀刃温度预测模型方便指导医生根据不同要求选择合适的加工参数，辅助工程人员进行刀具优化设计.

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基于DSMC方法的涡轮分子泵跨流态抽气性能研究

李博，马兆俊，王晓冬，巴德纯

2020, 41 (11): 1623-1628. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.016

摘要 ( 574 )

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PDF(565KB) ( 729 )

基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法，可以计算获得涡轮分子泵叶列在不同稀薄气体流态下的抽气性能.通过改变涡轮叶列旋转速度、气体入口结构尺寸及被抽气体温度等参数，能够得到涡轮分子泵最大抽气效率和最大压缩比的变化情况.比较各参数在不同流态下对抽气性能的影响程度，并计算不同流态下涡轮叶列返流的变化.计算得出增大叶片速度在分子流态下对涡轮分子泵性能的提升最为明显，缩小气体入口面积可以提升涡轮分子泵压缩比等结论.从而为提升涡轮分子泵抽气性能提供了手段，拓展了涡轮分子泵的工作范围.

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基于深度加权的重力梯度数据联合相关成像反演

侯振隆，郑玉君，巩恩普，程浩

2020, 41 (11): 1628-1632. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.017

摘要 ( 573 )

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PDF(797KB) ( 727 )

针对矿产勘查中相关成像反演存在的纵向分辨率较低的问题，提出了一种基于深度加权的重力梯度数据相关成像反演方法.通过联合多个重力梯度分量、引入基于先验信息的深度加权函数与地下空间分区加权等方法，提高反演的纵向空间分辨率.在数据试验中，利用立方体组合模型证实了提出的方法能够准确反演出目标体的空间位置，计算的密度数值范围与理论模型基本一致，且方法具有一定的抗噪能力.将反演应用于美国文顿盐丘地区的实测重力梯度数据，结果显示出的盖岩位置与已知地质资料相符，证明了本文方法具有可行性和实用性.

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输电塔螺栓节点滞回特性数值模拟研究

李嘉祥，王彪，孙健，王述红

2020, 41 (11): 1633-1639. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.018

摘要 ( 635 )

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PDF(757KB) ( 764 )

输电塔在振动过程中，螺栓节点会发生往复运动，但目前尚缺乏针对螺栓节点动力特性的研究.因此，对螺栓滑移进行了数值模拟，分析了其在循环荷载作用下的滞回性能，并通过参数分析研究了初始间隙、螺栓扭矩、接触面粗糙度对典型螺栓节点滞回性能的影响，为模拟螺栓滑移的动力响应提供了一种可供参考的滞回模型.结果表明，初始间隙越小、摩擦系数越大、初始扭矩越大，滞回曲线的极限变形越小，其中初始间隙对滑移变形的影响最大.

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悬挂式止水帷幕室内模型试验研究

张钦喜，闫金波，王成名，张志红

2020, 41 (11): 1640-1645. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.019

摘要 ( 696 )

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PDF(1916KB) ( 766 )

为了准确揭示设置悬挂式止水帷幕条件下基坑的控水规律，采用自行设计研制的模型试验箱开展了室内地下水渗流模型试验，研究帷幕插入深度对基坑内涌水量、降水影响半径、基坑外水位降深和地表沉降的影响.试验结果表明:以基坑内涌水量、基坑外水位降深和地面沉降为评价指标，帷幕插入深度在90~100cm之间，悬挂式止水帷幕的控水效果较好；以降水影响半径为评价指标，帷幕插入深度在80~90cm之间，悬挂式止水帷幕的控水效果较好；坑内与坑外水头损失占总水头损失的比值接近1∶1，帷幕底部小范围内的水头损失占比很小，受帷幕插入深度的影响也比较小.试验结果可为悬挂式止水帷幕的基坑降水设计提供参考依据.

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基于ABAQUS标准扩展有限元法的不良裂缝构型影响分析

方淑君，王涛，聂念从，张凌瑞

2020, 41 (11): 1646-1653. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.020

摘要 ( 606 )

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PDF(915KB) ( 731 )

在实际应用中，扩展有限元法分析裂纹问题存在总体刚度矩阵高度病态、矩阵奇异等问题，数值模拟没有实现分析结果与网格划分无关的理想要求.基于ABAQUS平台选取三点弯曲梁试验，引入离散弗雷歇距离对具有时程性的裂缝发展路径进行差异评价；分析标准扩展有限元法应用中与网格划分相关的不良裂缝构型对模拟结果的影响.结果表明:数值模拟时初始裂缝端点必须在单元边界处，避免削弱构件；不良裂缝构型会导致裂缝发展路径模拟失真，且随不良系数的减小失真情况加重；不良系数u要控制在0.25~1内；通过引入黏性阻尼可以提高数值模拟的收敛性和路径的准确性.

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大尺寸工程模型试验中的相似材料配比试验研究

李光，马凤山，郭捷，赵海军

2020, 41 (11): 1653-1660. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.021

摘要 ( 861 )

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PDF(1082KB) ( 965 )

大型物理模型试验是研究复杂工程问题的重要方法，如何快速、准确地确定相似材料配比是试验中至关重要的一环.为降低试验成本、简化试验步骤、充分调用原料性能，采用河砂、水泥和石膏这三种最普通的原料，以骨胶比(河砂与水泥石膏的质量比)和水膏比(水泥与石膏的质量比)为变量，进行了45组对比试验，对相似材料的物理及动、静力学参数进行了研究.获得了以河砂、水泥和石膏为原料配制的相似材料各物理量的变化区间；探讨了骨胶比和水膏比对相似材料各物理量的控制作用，并对比了其敏感性；基于多元线性回归分析建立了各因素与物理量间的定量关系，得到的拟合公式能较好地描述相似材料的性质.

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陶瓷细骨料替代方式对混凝土抗压强度的影响

程云虹，杨四辉，张靖瑜，童柏强

2020, 41 (11): 1661-1666. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.022

摘要 ( 559 )

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PDF(498KB) ( 645 )

为了提高废弃陶瓷在混凝土中的利用率，将废弃陶瓷破碎、筛分加工成人工细骨料，按不同比例(10%，20%，30%，40%及50%)，且分别采用“C”替代法(即传统替代方式，要求陶瓷细骨料细度模数与天然河砂细度模数相近即可，等质量取代)、“P”替代法(陶瓷细骨料一对一平均替代对应的不同粒径的天然河砂)、“D”替代法(陶瓷细骨料一对一且仅替代粒径为1.18，2.36和4.75mm粒径相对较大的天然河砂)及“X”替代法(陶瓷细骨料一对一且仅替代粒径为0.15，0.3和0.6mm粒径相对较小的天然河砂)取代天然河砂，制备陶瓷细骨料混凝土.共设计21组混凝土，包括基准混凝土1组，“C”，“P”，“D”及“X”替代法各5组.水胶比均为0.49，进行混凝土28d的抗压强度试验.结果表明:在水胶比为0.49的条件下，陶瓷细骨料掺量不大于50%时，陶瓷细骨料混凝土抗压强度和基准混凝土为同一强度等级，均到达C30强度等级要求；不同的替代方式，对应的陶瓷细骨料最佳掺量不同；不同的陶瓷细骨料掺量，对应的最优替代方式不同.

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w(TiO₂)对高铬型钒钛磁铁矿烧结矿冶金性能的影响

张立恒，高子先，汤卫东，薛向欣

2020, 41 (11): 1667-1672. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2020.11.023

摘要 ( 563 )

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PDF(1854KB) ( 645 )

以高铬型钒钛磁铁矿和普通磁铁矿精矿混合料为原料，通过烧结杯试验考察了TiO₂质量分数对高铬型钒钛磁铁矿烧结矿性能的影响规律.研究结果表明:随着TiO₂质量分数从6.30%增加到11.76%，转鼓指数逐渐降低，烧结矿强度降低，垂直烧结速度、成品率和烧结杯利用系数均呈现上升的趋势；直径小于5mm的小粒径烧结矿的比例逐渐降低，粒度有增大的趋势；随着TiO₂质量分数的增加，赤铁矿含量降低，磁铁矿含量增加，同时，钙钛矿和Fe₉TiO₁₅相也增加.低温还原粉化指数有上升的趋势，相反还原性降低.

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