创刊于1987年, 双月刊
主管:

江西理工大学

主办:

江西理工大学
江西省有色金属学会

ISSN:1674-9669
CN:36-1311/TF
CODEN YJKYA9

矿井扩能通风系统计算机优化研究

张水平, 黄亮亮, 张驰, 何忠国

张水平, 黄亮亮, 张驰, 何忠国. 矿井扩能通风系统计算机优化研究[J]. 有色金属科学与工程, 2015, (2): 99-103. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.02.019
引用本文: 张水平, 黄亮亮, 张驰, 何忠国. 矿井扩能通风系统计算机优化研究[J]. 有色金属科学与工程, 2015, (2): 99-103. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.02.019
ZHANG Shuiping, HUANG Liangliang, ZHANG Chi, HE Zhongguo. Ventilation system optimization of mining capacity expansion by computer[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2015, (2): 99-103. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.02.019
Citation: ZHANG Shuiping, HUANG Liangliang, ZHANG Chi, HE Zhongguo. Ventilation system optimization of mining capacity expansion by computer[J]. Nonferrous Metals Science and Engineering, 2015, (2): 99-103. DOI: 10.13264/j.cnki.ysjskx.2015.02.019

矿井扩能通风系统计算机优化研究

基金项目: 

国家自然科学基金资助项目 51464016

江西省自然科学基金资助项目 2009GZC0035

详细信息
    作者简介:

    张水平(1965- ),男,教授,主要从事矿井通风、智能计算方面的研究,E-mail:zhsp@mail.jxust.cn

    通讯作者:

    黄亮亮(1989- ),男,硕士研究生,主要从事矿井通风与安全方面的研究,E-mail:wztxhll@163.com

  • 中图分类号: TD724

Ventilation system optimization of mining capacity expansion by computer

  • 摘要: 针对马路坪矿通风系统不完善、通风效率低等问题,提出完善回风系统的不同优化方案,通过经济技术指标对比确定最优方案, 并利用Ventsim 三维仿真软件从理论上分析评价优化方案的可行性.经优化后,建立的通风系统有效地解决了通风系统不完善、通风效率低等问题,各项通风经济技术指标得到明显改善,矿井通风系统合理、有效、稳定运行.
    Abstract: In light of the problems existing in the Ma Luping Mine,such as the incomplete ventilation system, low ventilation efficiency etc. , different optimization schemes for completing return system are put forward, and the best solution is determined by comparing economic and technical indicators. The feasibility of optimization scheme is theoretically analyzed and evaluated by the three-dimensional simulation of Ventsim software. Incomplete return system and low ventilation efficiency are effectively solved after optimization of ventilation system, and the ventilation economic and technical indicators are significantly improved with the reasonable, effective and stable operation of ventilation system.
  • 导电弹性材料广泛应用于航空航天、电子电器、机械仪表、汽车及家用电器等领域.传统的导电弹性材料主要有锡磷青铜和铍青铜.但是锡磷青铜强度低,一般不超过800 MPa;而铍铜合金本身有剧毒元素铍且高温下强度和弹性显著下降,因此已经不能满足需求[1-2].近年来国内外研究人员开展了大量的研究工作以寻求新的导电弹性材料,Cu-Ni-Sn系、Cu-Ni-Zn系、Cu-Ni-Al系和Cu-Ti系合金被相继开发出来,强度在1 000 MPa以上,但是它们的电导率较低,均低于15%IACS,因此也难以满足高端产品的需求[3-4].

    既提高铜材料的强度同时又要保持其较好的导电性能,铜合金中采用的常见方法是沉淀析出强化[5-6].Cu-Ni-Si合金经适当的形变热处理后可以在基体中形成弥散的纳米级粒子[7-9],使材料的强度显著提高,另外,由于溶质原子以纳米级金属间化合物粒子的形式从基体中析出,使其同时具有良好的导电性能.Cu-Ni-Si合金产品已经应用于引线框架材料、高速列车接触线、集成电路、继电器、连接器等工业领域[10-11],但是其强度低于850 MPa,难以满足功率型继电器等高端产品对材料性能的要求 [12].本文作者结合Cu-Ni、Cu-Si和Ni-Si相图,优化选取了Ni、Si元素比例,并添加了微合金化元素Mg和Cr[13-14],设计出一种新型的Cu-Ni-Si-Mg-Cr合金,使其强度超过1 000 MPa,电导率超过25%IACS(QBe2的电导率),以期替代毒性铍青铜合金.本文对该合金制备工艺、组织演变和相关性能进行了系统的研究.

    试验用的Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr(wt%)合金在中频感应炉中进行熔炼,并浇铸成长×宽×厚为150 mm×65 mm× 35 mm的扁坯.经铣面后在940 ℃下均匀化退火处理4 h.然后在900 ℃保温1 h后进行热轧,将30 mm厚板材轧至约6 mm厚(总变形量80%).热轧板材经980 ℃×4 h固溶热处理后再冷轧50%(或80%),冷轧板材样品在450 ℃的盐浴炉中进行时效热处理.利用HV-5型小负荷维氏硬度计、D60K型数字金属电导率涡流测量仪,对时效不同时间样品的硬度和电导率进行了测试,并借助Leica DM ILM HC型金相显微镜、D/max 2500型X射线衍射仪和JEM-2100F透射电镜对合金的微观组织结构进行表征.

    Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr合金的铸态组织如图 1所示.合金铸态组织为发达的枝晶组织,晶粒内部可见白亮的枝晶、灰色过渡区和枝晶间的非平衡凝固相粒子.

    图  1  合金铸态显微组织

    为了确定合金中铸态组织中的物相成分,将预磨抛光的样品进行了XRD分析,结果如图 2所示.由此可见,合金铸态组织中主要含有Cu、Ni2Si和Ni3Si相.熔体在凝固过程中,Ni和Si原子具有较强结合力,易形成金属间化合物.

    图  2  合金铸态X-Ray分析

    图 3为Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr(wt%)合金经过940 ℃均匀化4 h后,再在900 ℃进行热轧变形后的显微组织.由图 3可以看出,合金经过80%热轧变形后,合金发生了再结晶,组织呈等轴状,平均晶粒尺寸约为30~50 μm.

    图  3  合金热轧态显微组织

    图 4所示为热轧合金板材经980 ℃固溶处理2 h和4 h后的显微组织.由图 4可以看出,随着保温时间延长,非平衡凝固相粒子基本固溶入基体之中,形成了过饱和固溶体.同时,再结晶晶粒也随之增大[15],980 ℃/2 h固溶处理,平均晶粒尺寸约为60~80 μm,980 ℃/4 h,平均晶粒尺寸约为90~110 μm.

    图  4  合金固溶处理态显微组织

    图 5是合金的硬度和电导率随时效时间的变化规律.固溶后分别冷轧50%和80%的合金,在450 ℃时效处理的硬度随时效时间的变化规律大致相同,都是先迅速增加并达到峰值,接着缓慢下降.固溶后冷轧50%的合金经过450 ℃时效处理60 min后,硬度由时效前的276 HV增加到峰值时的353 HV;冷轧80%的合金经过450 ℃时效处理50 min后,硬度由时效前的300 HV增加到峰值时的346 HV.由图 5(b)可以看出,合金的电导率随着时效时间的延长增加,早期增加很快,后期增加缓慢.固溶后冷轧50%的合金经过450 ℃时效处理60 min后,合金的电导率约为29.7%IACS,时效20 h后电导率为36.2%IACS.固溶后冷轧80%的合金经过450 ℃时效处理60 min后,合金的电导率约为35.4%IACS,时效20 h后电导率为42.6%IACS.

    图  5  合金硬度和电导率随时效时间的变化曲线

    固溶后冷轧50%的合金板材在450 ℃时效60 min后的透射电子显微分析结果如图 6中所示.图 6(a)的明场像显示出合金在时效过程中共格析出了大量的第二相粒子,图 6(b)图 6(a)的选区电子衍射花样,结合Ni和Si的化合物的相关晶格参数[16],对图 6(b)花样进行了标定,结果如图 6(c)所示.选区电子衍射花样指数化结果表明合金中主要的析出相粒子主要为δ-Ni2Si,其次是β-Ni3Si.

    图  6  合金时效的透射电镜照片

    将经过940 ℃×4 h、900 ℃热轧80%、980 ℃×4 h、冷轧50%、并在450 ℃时效60 min后的Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr合金样品进行室温拉伸结果表明:合金的抗拉强度1 010 MPa,屈服强度930 MPa,伸长率为3.8%.实验设计合金的主要性能接近铍铜合金,有望成为替代铍铜的新型导电弹性材料.

    1)Cu-6.0Ni-1.4Si-0.15Mg-0.1Cr(wt%)合金铸态组织都为发达的树枝晶状组织,并分为白亮的枝晶区、灰色的中间过渡区及非平衡凝固相粒子.非平衡凝固相主要为δ-Ni2Si和β-Ni3Si.

    2)合金铸锭经940 ℃×4 h、900 ℃热轧80%、980 ℃×4 h、冷轧50%、并在450 ℃时效60 min后的样品的硬度为353 HV,抗拉强度为1 010 MPa,屈服强度为930 MPa,伸长率为3.8%,电导率为29.7%IACS.

    3)合金主要的强化机制为时效析出强化,主要强化相为δ-Ni2Si,同时还有少量的β-Ni3Si.

  • 图  1   矿井通风系统立体图

    图  2   马路坪矿Ventsim 系统数值试验模型

    表  1   南回风井优化方案井巷工程量及投资概算比较

    下载: 导出CSV

    表  2   北回风井优化方案井巷工程量及投资概算比较

    下载: 导出CSV

    表  3   各方案井巷工程技术优缺点

    下载: 导出CSV

    表  4   风机选型优化计算数据

    下载: 导出CSV

    表  5   FBCDZ-8-NO26B 主扇的工况点及参数

    下载: 导出CSV

    表  6   优化前后通风系统评价比较

    下载: 导出CSV
  • [1] 王英敏. 矿井通风与除尘[M]. 北京:冶金工业出版社, 1993.
    [2] 袁昌明. 某矿通风系统的改进与优化[J].工业安全与环保, 2004,30(12):28-31. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GYAF200412012.htm
    [3] 文永胜. 金属矿山地下开采通风系统优化的重要性[J]. 金属世界,2009(2):63-66. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSJ200902023.htm
    [4] 汪光鑫, 汪惊奇, 王海宁,等. 技改矿井通风系统优化研究[J]. 矿业研究与开发, 2013(6):76-79. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYYK201306020.htm
    [5] 朱易春, 张继忠, 王海宁. 某金属矿山通风系统的优化研究[J]. 中国矿山工程, 2008, 37(5):1-3. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKS200805005.htm
    [6] 陶树银, 熊正明, 程哲, 等. 金属矿山矿井通风系统优化研究[J].矿业研究与开发, 2012, 32(2):58-60. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYYK201202020.htm
    [7] 陈发明, 陈开岩. 东滩煤矿改扩建通风系统可行性论证与优化[J].矿业安全与环保, 2000, 27(6):33-34. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ENER200006018.htm
    [8] 马骊, 王鹏军, 李晋生. 浅析矿井通风系统的优化[J]. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(4): 188-190. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-LDBK200904059.htm
    [9] 琚和森, 黄寿元. 冬瓜山铜矿大团山采区通风系统优化改造[J]. 现代矿业, 2013(7): 98-100. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KYKB201307036.htm
    [10] 谭允祯. 矿井通风系统优化[M]. 北京:煤炭工业出版社, 1992.
    [11] 柳明明, 谢振华, 张建业. Ventsim 三维通风仿真系统在金属矿山的应用[J]. 金属矿山, 2010, 39(10): 120-122. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS201010038.htm
    [12] 骆贞江, 杨成林. Ventsim 软件在矿井通风中的应用[J]. 有色冶金设计与研究, 2009, 30(3): 7-9. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSYJ200903008.htm
    [13] 杨运良, 史朝晖, 荣向东, 等. 云煤矿矿井通风系统改造研究[J].中州煤炭, 2013(2): 90-92. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZZMT201302034.htm
    [14] 程磊. 薛湖煤矿通风系统优化改造[J]. 煤矿现代化, 2013(4): 24-26. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-MKXD201304012.htm
    [15] 邓红卫, 张瑞, 雷涛, 等. 基于Ventsim 的云锡新山矿段通风系统优化研究[J]. 采矿技术, 2010, 10(4): 74-76. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SJCK201004033.htm
    [16] 王超群. 基于 Ventsim 系统的老矿山通风系统改造研究———以铜兴矿业为例[J]. 有色金属(矿山部分), 2013, 65(1): 87-89. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSKU201301022.htm
    [17] 孔胜利, 王海锋. 基于Ventsim 的金星金矿通风系统优化研究[EB/OL]. [2012-02-20] (2014-12-20).http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201202-716.
图(2)  /  表(6)
计量
  • 文章访问数:  60
  • HTML全文浏览量:  6
  • PDF下载量:  2
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2015-01-29
  • 发布日期:  2015-04-29
  • 刊出日期:  2015-03-31

目录

/

返回文章
返回
x 关闭 永久关闭

敬  告

为进一步规范期刊查阅、引用、统计等,现对我部编辑出版的《有色金属科学与工程》英文刊名全称和英文刊名缩写公告如下:

英文刊名全称为:Nonferrous Metals Science and Engineering

英文刊名缩写为:Nonferr.Met.Sci.Eng.