
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文檔簡(jiǎn)介
1、鋁電解預(yù)焙陽(yáng)極生塊裂紋問(wèn)題的探討丁邦平摘 要:根據(jù)四川啟明星鋁業(yè)公司鋁用陽(yáng)極生產(chǎn)新線特點(diǎn), 對(duì)陽(yáng)極生塊生產(chǎn)中經(jīng) 常出現(xiàn)的幾種裂紋以及陽(yáng)極焙燒后較大的抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了原因分析, 并 提出了一些具體措施,以期對(duì)生塊生產(chǎn)有所指導(dǎo)。關(guān)鍵詞 :預(yù)焙陽(yáng)極、生塊、裂紋 、抗壓強(qiáng)度1、前言目前世界鋁產(chǎn)量 3500萬(wàn)噸,國(guó)內(nèi)產(chǎn)量已達(dá) 900 萬(wàn)噸以上,產(chǎn)能已超過(guò) 1000 萬(wàn)噸。預(yù)焙陽(yáng)極的需求將達(dá) 600 萬(wàn) t。生塊經(jīng)焙燒而成預(yù)焙陽(yáng)極,因而生塊質(zhì)量 對(duì)預(yù)焙陽(yáng)極的質(zhì)量至關(guān)重要。 就四川啟明星鋁業(yè)有限責(zé)任公司陽(yáng)極生產(chǎn)而言, 生 塊經(jīng)常出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷主要缺損、掉棱、尺寸超標(biāo)、裂紋、表面粗糙等,其中裂 紋出現(xiàn)最多, 也
2、最難解決。本文就生塊裂紋以及陽(yáng)極焙燒后較大的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生 的原因進(jìn)行探討,并提出一些措施,供參考。2、鋁用陽(yáng)極生產(chǎn)新線簡(jiǎn)介2.1 生產(chǎn)工藝流程新配置? 陽(yáng)極混捏成型新工藝配置抽真空高溫振動(dòng)成型160 170 中碎系統(tǒng)生產(chǎn)的四種不同粒級(jí)通過(guò)七臺(tái)配料秤配料形成骨料,由集合螺旋、 斗式提升機(jī)及過(guò)渡螺旋輸送到四周預(yù)熱螺旋加熱到 180 190,熱骨料與 180 190液體瀝青連續(xù)進(jìn)入到強(qiáng)力混捏機(jī)混捏 45 分鐘,一般混捏溫度在 200 210,高溫混捏后的糊料進(jìn)入強(qiáng)力冷卻機(jī)由噴入的冷卻水均勻冷卻到160165,冷卻后糊料通過(guò)振動(dòng)給料機(jī)送到真空型成型機(jī)振動(dòng)成型,成型制品由懸 鏈帶入冷卻水池經(jīng)過(guò)兩小時(shí)左右
3、水浴冷卻,制品繼續(xù)被懸鏈帶入到輸送輥道處, 再由推進(jìn)器推到輥道上輸送到制品庫(kù)。22 生產(chǎn)工藝新線特點(diǎn) 該新線特點(diǎn)較多,這里僅列出可能產(chǎn)生裂紋有關(guān)系的工藝新線特點(diǎn): 選用 EIRICH立式高速混捏機(jī)作為糊料混捏設(shè)備,替代傳統(tǒng)的低速單軸或 雙軸臥式混捏機(jī)。采用真空型振型機(jī),振型溫度可達(dá) 1605,高于非真空型溫度混捏溫 度( 1455),高溫振型要求高溫混捏,因此混捏溫度遠(yuǎn)高于非真空 型混捏溫度?;炷髾C(jī)雖無(wú)加熱裝置,但因混捏機(jī)高速運(yùn)行發(fā)熱,由此帶來(lái)混捏溫度高 于熱骨料和瀝青的混合溫度。強(qiáng)力冷卻機(jī)不僅起到冷卻作用, 還對(duì)混捏后的糊料在冷卻過(guò)程中再混捏。 真空成型機(jī)的真空度能達(dá)到 730745mmHg
4、。真空成型機(jī)的預(yù)壓氣囊可以在振動(dòng)前充進(jìn) 35kg 壓力的壓縮空氣對(duì)糊 料提前預(yù)壓實(shí)。3、問(wèn)題的由來(lái)啟明星自 2005年 1 月 28日投產(chǎn)以來(lái)生產(chǎn)近兩年半的時(shí)間,產(chǎn)量已達(dá) 25萬(wàn) 噸,期間除生產(chǎn)自用產(chǎn)品以外, 還生產(chǎn)有不同規(guī)格的國(guó)內(nèi)鋁電解需求的產(chǎn)品以及 國(guó)外俄羅斯鋁電解需求的產(chǎn)品, 各類產(chǎn)品都出現(xiàn)過(guò)不同類型的裂紋, 以下列出不 同階段一些典型裂紋案例,包括焙燒后出現(xiàn)的可能是上工序引起的生塊暗裂紋。( 1) 生產(chǎn)初期,成型后的生塊經(jīng)冷卻水池冷卻后出現(xiàn)較多的裂紋,并伴有 爆裂聲,一般出現(xiàn)在長(zhǎng)側(cè)面的垂直裂紋,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)生塊斷裂。(2) 2006 年年初,焙燒制品出現(xiàn)大面積的裂紋, 焙燒廢品率超過(guò) 3
5、0,同 時(shí)這批制品在組裝過(guò)程中也產(chǎn)生裂紋,進(jìn)入電解槽出現(xiàn)較多的陽(yáng)極垂 直斷裂而化爪現(xiàn)象,導(dǎo)致電解槽生產(chǎn)不正常。(3) 2007 年年初,生產(chǎn)外銷制品時(shí),生塊出冷卻水池放置幾天后出現(xiàn)數(shù)量 較多的炭碗內(nèi)部各向裂紋,并伴有爆裂聲。( 4) 生產(chǎn)過(guò)程中有時(shí)發(fā)生長(zhǎng)側(cè)面橫向裂紋,裂紋處非常光潔。4、預(yù)焙陽(yáng)極生塊裂紋種類預(yù)焙陽(yáng)極生塊經(jīng)振動(dòng)成型、脫模后,裂紋出現(xiàn)的位置、粗細(xì) (寬 窄 )、深度 各不相同, 按出現(xiàn)的部位大致可分為碗裂、 側(cè)面裂紋和不規(guī)則裂紋, 其中碗裂又 分為碗邊緣裂紋、碗間裂紋和碗底部裂紋,側(cè)面裂紋分為水平和垂直兩種裂紋, 見(jiàn)表 1。表 1 預(yù)焙陽(yáng)極生塊裂紋種類序號(hào)裂紋類型定義特征1炭 碗
6、裂 紋碗邊緣裂紋由炭碗指向斜面邊坡的裂紋長(zhǎng)度不一,可有一條或數(shù)條裂紋2碗間裂紋兩個(gè)炭碗之間的 裂紋一般出現(xiàn)在生塊上表面中部的 兩個(gè)炭碗, 沿生塊長(zhǎng)度方向, 貫 穿于兩個(gè)炭碗3碗底部裂紋單個(gè)炭碗底部各 方向裂紋一塊炭塊至少出現(xiàn)一個(gè)有裂紋 的炭碗, 其長(zhǎng)度不一, 有貫穿性 裂紋,可有一條或數(shù)條裂紋,4側(cè) 面 裂 紋水平裂紋出現(xiàn)在四個(gè)側(cè)面 的平行底平面裂 紋多為水平裂紋,沿生塊長(zhǎng)度方 向,較細(xì),長(zhǎng)度從 2 10cm 不 等,一般為連續(xù)裂紋5垂直裂紋出現(xiàn)在四個(gè)側(cè)面 的垂直底平面裂 紋多為水平裂紋,沿生塊長(zhǎng)度方 向,較細(xì),長(zhǎng)度從 2 10cm 不 等,一般為連續(xù)裂紋6不規(guī)則裂紋包括網(wǎng)裂和斜面 與側(cè)面交線
7、處的 裂紋如蜘蛛網(wǎng)或放射線一樣沿各方 向;多發(fā)生在斜面與面積較小的 側(cè)面交界處5、生塊裂紋產(chǎn)生原因及采取的措施不同類型的裂紋, 其產(chǎn)生的原因不同, 所采取的措施也不盡相同, 下面分別 探討 。5.1 炭碗裂紋5.1.1 碗邊緣裂紋預(yù)焙陽(yáng)極生塊在成型過(guò)程中, 受到振動(dòng)力、 摩擦力以及其他力的作用, 在生塊內(nèi)部的某些部位殘余一些相互作用的力, 這些應(yīng)力使生塊內(nèi)部存在細(xì)微的松裂 和外脹,生塊脫模后由于彈性后效作用而出現(xiàn)裂紋。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 這種力的作用主 要來(lái)源于兩方面 :( 1) 一方面與成型機(jī)的模頭是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活有關(guān), 如模頭轉(zhuǎn)動(dòng)靈活, 模頭很容易 從生塊的炭碗中脫出; 若模頭轉(zhuǎn)動(dòng)失靈, 脫模時(shí)模頭
8、將對(duì)炭碗施加力的作 用,從而造成碗邊緣裂紋;( 2) 另一方面與成型機(jī)重錘是否處于水平狀態(tài)有關(guān),當(dāng)重錘水平偏差過(guò)大時(shí), 模頭對(duì)炭碗的作用力不均勻, 某處作用力超出糊料的粘結(jié)力時(shí), 產(chǎn)生碗邊 緣裂紋。針對(duì)這種裂紋,采取的措施:成型工在生塊成型前必須認(rèn)真檢查每個(gè)模頭, 保證模頭轉(zhuǎn)動(dòng)靈活;經(jīng)常檢查并調(diào)整成型機(jī)的重錘,使之處于水平狀態(tài) 。5.1.2 碗間裂紋及碗底部裂紋 形成碗間裂紋和碗底部裂紋的因素基本相同,可以歸到一起來(lái)討論。( 1) 與生塊外形尺寸和炭碗分布有關(guān) 碗間裂紋根據(jù)制品形狀不同和碳碗排布方式不同,其造成廢品量明顯有差 異。一般來(lái)講:炭陽(yáng)極窄而長(zhǎng); 碳碗(棒孔 )呈一條直線分布,有較多的
9、碗間裂紋, 相對(duì)較寬類型的炭陽(yáng)極; 碳碗呈對(duì)稱分布, 碳碗間距較大, 則極少有碗間裂紋出 現(xiàn)。碳碗間距小,強(qiáng)度低,在彈性后效作用下易形成中間開(kāi)裂。( 2) 臺(tái)階高度炭陽(yáng)極外型因?yàn)橐獪p少電解殘極量和工藝上考慮, 一般將其外型上部設(shè)計(jì)為 斜面。如圖 1所示。圖1因此在振動(dòng)成型過(guò)程中, 將改變力的分布狀態(tài), 因物料為塑性材料, 外力將 均勻分布向下傳遞,這樣在斜面上產(chǎn)生了反支力,使力在水平方向有分力作用。設(shè):外作用力分布密度為: f則水平分力分布密度: f平=aftg b=f而水平分力: F=bf由上分析說(shuō)明: 當(dāng)有斜面時(shí), 水平方向分布密度與垂直方向分布密度相等, 與斜面斜角大小無(wú)關(guān),斜面高度越大
10、,水平方向力越大,撤去外力后,被改變位 置的顆粒力圖恢復(fù)原位, 形成的彈性后效越大, 尤其是糊料塑性較差時(shí), 彈性后 效力體現(xiàn)更為顯著。 當(dāng)彈性后效力超過(guò)顆粒之間粘結(jié)力時(shí), 出現(xiàn)中間裂紋。另外, 物料總是沿垂直于力的方向分層, 使物料之間的粘結(jié)力變小, 是產(chǎn)生裂紋的另一 原因。由此可見(jiàn):炭陽(yáng)極生坯臺(tái)階越高,糊料塑性差,糊料粘結(jié)力小則易出現(xiàn)碗 間和碗底部裂紋。( 3) 與糊料特性有關(guān)膠料論指出: 將焦碳顆粒粘結(jié)在一起的不是瀝青, 而是膠料, 膠料在制品中 是連續(xù)相,是制品的基質(zhì),焦碳顆粒分散在膠料中,膠料的性質(zhì)由膠胞決定,小 顆粒之間的粘結(jié)力大于顆粒之間的粘結(jié)力。 在生產(chǎn)中若配方中粉子純度低,
11、碳粉 顆粒直徑大,則形成的膠料粘結(jié)力?。?0.075mm 含量小,則混捏時(shí)產(chǎn)生的膠 料少,糊料塑性差、 顆粒之間的粘結(jié)力小, 振動(dòng)成型時(shí)易形成碳碗間的貫通性大 裂紋。反之,形成的膠料粘結(jié)力強(qiáng),但細(xì)粉形成的彈性后效力增大,碳碗間形成 細(xì)小裂紋。 另外,當(dāng)融化好的瀝青長(zhǎng)時(shí)間在較高溫度下靜置不用時(shí), 瀝青發(fā)生一 定程度的老化(氧化) ,瀝青的軟化點(diǎn)升高,在混捏溫度不變的情況下,糊料塑 性變差,瀝青粘結(jié)力下降, 生塊易形成裂紋; 混捏過(guò)程若瀝青量小形成的糊料塑 料差,同樣也形成碗間或碗底部裂紋。( 4) 振動(dòng)臺(tái)的頻率影響目前啟明星使用的振動(dòng)成型機(jī)是真空型預(yù)壓式, 結(jié)構(gòu)主要是振動(dòng)臺(tái)、 帶真空 罩和預(yù)壓氣
12、囊的重錘、 底部裝有密封的模具等部分組成。 其中振動(dòng)臺(tái)是雙軸振動(dòng) 臺(tái),由激振器、 減震氣囊和固定夾具等部件組成, 激振器一組兩個(gè)偏心塊與另一 組兩個(gè)偏心塊旋轉(zhuǎn)方向相反,但保持同樣的旋轉(zhuǎn)速度,兩組偏心塊的質(zhì)量相同, 它們?cè)谒椒较虍a(chǎn)生的慣性離心力分力在任何角度下都是大小相同,方向相反, 因而互相抵消為零, 而垂直方向的分力則疊加作用在振動(dòng)臺(tái)上。 因此偏心軸振動(dòng) 臺(tái)只具有垂直方向的定向振動(dòng)。 工作時(shí)的定向振動(dòng)引起振動(dòng)臺(tái)連同上面的物料顆 粒是沿一直線往復(fù)運(yùn)動(dòng), 所經(jīng)過(guò)的路程是從一個(gè)邊緣位置到另一個(gè)邊緣位置 (可 稱為幅度),其振幅是幅度的二分之一。由于振動(dòng)臺(tái)不同組成部件的影響,如:八個(gè)減震氣囊減震性
13、能的不同四組固定夾具固定壓力不平衡模具、真空罩密封破壞而局部失出彈性模具內(nèi)糊料不均勻分布引起重錘的傾斜 等等因素都會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)臺(tái)不同部位所受的激振力不一樣,振動(dòng)頻率不同步, 甚至是相反,使振動(dòng)臺(tái)的某些部位形成振幅極小, 甚至是零振幅, 某些部位 振幅大,整體表現(xiàn)上下為非直線運(yùn)動(dòng), 而是一種橢圓或圓形運(yùn)動(dòng), 致使糊料 沒(méi)有被均勻振實(shí)而產(chǎn)生碗間或碗底部裂紋裂紋。碗間和碗底部裂紋應(yīng)采取的措施 :( 1) 預(yù)焙陽(yáng)極外型設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使炭碗對(duì)稱分布于上表面, 并盡量避免碗間距 較小。避免臺(tái)階高度過(guò)高。( 2) 生產(chǎn)中保持配方和瀝青用量及混捏過(guò)程穩(wěn)定。( 3) 瀝青溫度不宜過(guò)高,控制在 180 185。( 4
14、) 振動(dòng)成型時(shí)合理布料,糊料堆積與生塊外型相吻合,以減少糊料遷移量, 減少中間部位內(nèi)應(yīng)力。( 5) 經(jīng)常檢查振動(dòng)臺(tái)各部位,使振動(dòng)臺(tái)處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。5.3 側(cè)面裂紋側(cè)面裂紋是指發(fā)生在炭陽(yáng)極四周側(cè)面的裂紋, 其基本上為水平方向和縱向裂 紋。振動(dòng)成型生產(chǎn)炭陽(yáng)極, 炭陽(yáng)極四周總是與模具間有力的作用, 在提模過(guò)程中 產(chǎn)生摩擦力,當(dāng)摩擦力大于物料間的粘結(jié)力時(shí),即發(fā)生側(cè)面裂紋。此外,物料沿 垂直于激振力方向分層是產(chǎn)生側(cè)面裂紋的另一因素。產(chǎn)生裂紋具體原因如下: 糊料溫度的影響一般來(lái)講,糊料塑性越好,越有利于成型,制品有較高的密實(shí)度。在干料組 成和瀝青量一定的條件下, 提高糊料的溫度可提高糊料塑性, 因?yàn)槊?/p>
15、瀝青粘度隨 溫度變化很大, 提高溫度使煤瀝青粘度下降, 瀝青的粘結(jié)力下降具體講是膠料粘 結(jié)力下降,當(dāng)達(dá)到一定程度, 使物料與模壁間的摩擦力大于物料的粘結(jié)力而形成 提模裂紋。 同時(shí)糊料溫度高, 有大量煙氣存在是導(dǎo)致裂紋的另一原因。 當(dāng)繼續(xù)提 高糊料溫度,將使瀝青氧化、縮聚作用加劇,使糊料變硬,塑性很快變差,從而 形成碗間裂紋,同時(shí)制品密度降低, 增加振動(dòng)時(shí)間會(huì)引起內(nèi)部粒子結(jié)構(gòu)破壞形成 制品表面裂紋。 因此可以說(shuō): 振動(dòng)成型機(jī)對(duì)糊料的塑性是有一定范圍要求, 對(duì)糊 料成型有一定溫度要求。 糊料溫度低不利于成型, 溫度高同樣不利于成型。 生產(chǎn) 實(shí)踐證明: 用石油焦和改質(zhì)煤瀝青生產(chǎn)炭陽(yáng)極, 當(dāng)糊料溫度超
16、過(guò) 170或者混 捏溫度超過(guò) 205以后 ,側(cè)面裂紋明顯增加, 最佳混捏溫度 190200、成型溫 度160165 。糊料溫度較高而瀝青沒(méi)有老化 (氧化 )時(shí),提高冷卻機(jī)冷卻能力, 同時(shí)排除糊料中的煙氣, 這樣既有利于在冷卻機(jī)中二次混捏功能保證瀝青對(duì)糊料 的潤(rùn)濕和滲透,提高糊料質(zhì)量,也有利于成型。5.3.2 物料組成影響在物料組成中, 對(duì)側(cè)面裂紋產(chǎn)生的主要影響是細(xì)粉和瀝青相對(duì)比例, 當(dāng)粉予 較粗時(shí),配方中一 0.075mm粒級(jí)含量偏少,為獲得相應(yīng)塑性糊料,瀝青用量總是 相對(duì)細(xì)粉來(lái)講是偏大的, 糊料中膠料油量偏大, 引起顆粒粘結(jié)力下降, 而引起裂 紋。當(dāng)粉子較細(xì),配方中一 0 075mm粒級(jí)含量
17、較多,瀝青用量增大,糊料中膠 料多,糊料塑性提高,同樣在振動(dòng)成型時(shí)容易產(chǎn)生裂紋。另外當(dāng)粉料較細(xì),配方 中-0.075 mm料較多時(shí),糊料比表面積增大,顆粒間的摩擦面增大,成型時(shí)生塊 中儲(chǔ)存的內(nèi)應(yīng)力相應(yīng)加大,這種情況也易出現(xiàn)側(cè)面裂紋。經(jīng)實(shí)踐, -0.075mm粉 料最佳用量控制在 24 27。5.3.3 瀝青的影響按經(jīng)驗(yàn),混捏溫度應(yīng)比瀝青軟化點(diǎn)高 5070,瀝青軟化點(diǎn)改變,混捏溫 度應(yīng)及時(shí)作出調(diào)整 。相同軟化點(diǎn)的瀝青,其甲苯不溶物含量也不盡相同,由于 甲苯不溶物是瀝青中起粘結(jié)作用的主要成分, 因此甲苯不溶物含量高的瀝青, 混 捏溫度也應(yīng)適當(dāng)提高, 否則,混捏溫度不滿足瀝青要求, 容易使生塊產(chǎn)生側(cè)
18、面裂 紋。針對(duì)側(cè)面裂紋采取的措施:1)0.075mm 粉料和瀝青用量盡可能地保持穩(wěn)定 。2)加強(qiáng)瀝青軟化點(diǎn)和甲苯不溶物含量的監(jiān)測(cè)力度, 根據(jù)瀝青性能的變化及時(shí)調(diào)整混捏溫度3) 振動(dòng)成型時(shí),重錘施加的壓力足以從狹窄的孔和溝縫中排出氣體,并在部分 連接顆粒間的具有高粘結(jié)力的薄膜內(nèi)產(chǎn)生粘滯流動(dòng)。 采用的成型條件必須妥善處 理好粘結(jié)力最小粘度與產(chǎn)品剛度足以抵抗其內(nèi)應(yīng)力的關(guān)系。54 不規(guī)則裂紋 造成這種裂紋的主要原因是生塊冷卻時(shí)間不充足, 生塊外部雖然得到冷卻 但內(nèi)部沒(méi)有得到足夠的冷卻, 溫度仍然較高, 從冷卻池中撈出堆垛時(shí)在生塊不同 部位產(chǎn)生應(yīng)力,達(dá) 到一定程度時(shí)生塊出現(xiàn)不規(guī)則裂紋。采取的措施 :制定
19、合理的生塊冷卻制度,保證生塊具有足夠的冷卻時(shí)間,并嚴(yán) 格執(zhí)行。6、焙燒后陽(yáng)極高抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的原因分析 6.1抗壓強(qiáng)度值對(duì)比四川啟明星焙燒后的陽(yáng)極抗壓強(qiáng)度的性能與標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)對(duì)比:國(guó)外預(yù)焙陽(yáng)極抗壓強(qiáng)度指標(biāo) Mpa4055國(guó)內(nèi)一級(jí)品預(yù)焙陽(yáng)極抗壓強(qiáng)度指標(biāo) Mpa不小于 32四川啟明星預(yù)焙陽(yáng)極抗壓強(qiáng)度平均值5560四川啟明星預(yù)焙陽(yáng)極抗壓強(qiáng)度平均值已遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)一級(jí)品的標(biāo)準(zhǔn)并高于國(guó)外 標(biāo)準(zhǔn)。6.2高抗壓強(qiáng)度帶來(lái)的危害從生產(chǎn)實(shí)際情況發(fā)現(xiàn), 高抗壓強(qiáng)度陽(yáng)極在成型和焙燒的廢品率較高, 特別是 在強(qiáng)度高于 58Mpa,焙燒塊更容易出現(xiàn)裂紋。這種高抗壓強(qiáng)度制品體積密度、導(dǎo) 熱率較高,彈性模量較好,也有較低的空氣滲透性和 CO2反應(yīng)性以及較低的電阻 率,這些性質(zhì)看起來(lái)對(duì)陽(yáng)極有利,但有一指標(biāo)抗熱震因子低導(dǎo)致抗熱震性差, 陽(yáng)極在電解槽易產(chǎn)生裂紋降低陽(yáng)極使用壽命,嚴(yán)重引起化爪。6.3形成高抗壓強(qiáng)度的可能原因 在炭素原料的生成和制品的制造過(guò)程中,都會(huì)發(fā)生有機(jī)物的熱解和聚合反 應(yīng),因此,有不少氣體作為反應(yīng)產(chǎn)物而溢出。這樣,在制品的內(nèi)部就產(chǎn)生大大小 小多少不定的孔隙??紫斗N類有分子間隙、超微孔、過(guò)渡氣孔和粗大孔,孔隙的 存在對(duì)于材料的機(jī)械強(qiáng)度、 熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率及熱膨脹系數(shù)等一系列性能有著重大影響尤其是過(guò)渡氣孔, 如果其是平滑的圓形孔或橢圓形, 則對(duì)制品的機(jī)械強(qiáng)度下 降影響不大;但如果是銳角裂紋孔, 則
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