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1、玻璃退火爐,退火爐的作用:用以消除或減少玻璃制品在成形過(guò)程中形成的各種熱應(yīng)力,提高 玻璃玻璃的光學(xué)性質(zhì)、穩(wěn)定玻璃制品內(nèi)部結(jié)構(gòu)、避免玻璃制品炸裂,從而提高 玻璃制品質(zhì)量與強(qiáng)度。,一、各種應(yīng)力及形成: 1、結(jié)構(gòu)應(yīng)力:是由于玻璃的組成、結(jié)構(gòu)的不均勻性以及一些缺陷所造成。 2、機(jī)械應(yīng)力:是由于作用在玻璃制品上的外力引起的如拉邊機(jī)、牽引機(jī)等。窗框、包邊等。 外力去除后應(yīng)力隨即消除。 3、熱應(yīng)力:是由于冷卻速度差異在玻璃內(nèi)部存在溫度梯度而引起的玻璃制品各部位,特別是內(nèi)、外膨脹收縮不同造成的。熱應(yīng)力又可分為暫時(shí)熱應(yīng)力和永久熱應(yīng)力。 當(dāng)溫度梯度消失,熱應(yīng)力消除的稱為暫時(shí)性熱應(yīng)力。暫時(shí)應(yīng)力只存在 彈性變形溫度范

2、圍內(nèi),這時(shí)玻璃的粘度大約在10e-14.3pa.s左右。 當(dāng)溫度梯度消失時(shí),未消除的那部分熱應(yīng)力稱為永久性熱應(yīng)力。永久性熱應(yīng)力處于玻璃的彈塑應(yīng)變區(qū)內(nèi)。其粘度在10e-14.317pa.s,二、玻璃制品的退火原理: 1、熱應(yīng)力的成因 玻璃熱應(yīng)力的形成是因?yàn)椴Aе破吩诔尚蔚倪^(guò)程中玻璃從液態(tài)變成固態(tài) 時(shí)溫度的變化引起的。如圖所示:,玻璃制品中內(nèi)應(yīng)力的檢驗(yàn):,常用的平板玻璃內(nèi)應(yīng)力的檢驗(yàn)方法有如圖右所示的兩種:表面應(yīng)力和板中應(yīng)力。 原因是:內(nèi)應(yīng)力會(huì)使玻璃在光學(xué)上成為各向異性體,會(huì)影響玻璃的光學(xué)性能,所以就利用這一現(xiàn)象來(lái)測(cè)量玻璃內(nèi)應(yīng)力的大小。這也是玻璃的內(nèi)應(yīng)力常用光程差來(lái)表示的原因,單位為:納米(nm)或

3、毫米(mm)。,如圖所示,在本來(lái)光性均質(zhì)的玻璃上有應(yīng)力存在時(shí),當(dāng)光沿z方向照射到玻璃平面上后,則z方向的折射率nz就會(huì)與x方向的折射率nx、y方向的折射率ny產(chǎn)生差異。因而沿x方向上和沿y方向上通過(guò)的光線就要產(chǎn)生雙折射(俗稱:光變),其大小與玻璃中的內(nèi)應(yīng)力成正比,即: n=nx-ny=B: 式中: n偏振光線通過(guò)玻璃原板單位厚度時(shí)在兩個(gè)垂直方向上的折射率差,無(wú)量綱量; B一偏振光應(yīng)力系數(shù),單位:布(布懦斯特,Brew-ster,l布=l0-12m2N); 光線雙折射的光程差l與n之問(wèn)的關(guān)系是:當(dāng)n=l10-6時(shí)相當(dāng)于l nmmm)的光程差。 因此,可以先用偏光儀測(cè)定出光在玻璃內(nèi)單位行程上的光程

4、差,再根據(jù)不同玻璃的偏振光應(yīng)力系數(shù)B求出玻璃內(nèi)應(yīng)力。 例如普通鈉鈣硅玻璃的B=2.85布(即2 .8510-12m2N),于是1 MNm2內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的光程差285 nmmm,或l nmmm光程差3509 Nm2內(nèi)應(yīng)力。 注意:用偏光儀法測(cè)量的玻璃應(yīng)力較粗略。另外,用干涉色法也可定量測(cè)出玻璃中的內(nèi)應(yīng)力,用補(bǔ)償器法的測(cè)量精度更高,還可以用超聲波干涉法、激光干涉法測(cè)量玻璃內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)然,目前所有應(yīng)力測(cè)試儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)處理工作都可由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。,2、玻璃制品的退火 就是把具有永久應(yīng)力的玻璃制品重新加熱到玻璃制品內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)可以移動(dòng)的溫度,利用質(zhì)點(diǎn)的位移使應(yīng)力分散來(lái)消除或減弱其應(yīng)力。 應(yīng)力松弛的速度在很大程

5、度上取決于玻璃加熱的溫度,溫度越高,松弛速度越快。其理論指導(dǎo)如下式描述:,因此,找一個(gè)合適的退火溫度是玻璃退火處理的關(guān)鍵。有一個(gè)合理的范圍,一 般以保溫3min能消除應(yīng)力95%的溫度為退火溫度的上限,此時(shí)玻璃的粘度為 在10-13.4pa.s。以保溫3min能消除5%的應(yīng)力溫度為退火溫度的下限,此時(shí)玻 璃的粘度在10-14.5pa.s,退火標(biāo)準(zhǔn) 玻璃制品的退火標(biāo)準(zhǔn)是: (即對(duì)玻璃退火程度的要求)根據(jù)退火后的殘余內(nèi)應(yīng)力用光程差 按其用途不同而有所區(qū)別。一般來(lái)說(shuō), 光學(xué)玻璃 退火標(biāo)準(zhǔn)要高一些(航空用玻璃的退火標(biāo)準(zhǔn)更高一些),用退火后的殘余內(nèi)應(yīng)力用光程差來(lái)表示,則要求在0.25.0 nmmm。 鈉鈣

6、硅玻璃 此值相當(dāng)于光程差為10 nmmm。 平板玻璃 退火后的殘余內(nèi)應(yīng)力與其厚度成正比用光程差表示的應(yīng)力計(jì)算公式為: l=K1 (nmmm),式中: 1 一玻璃原板厚度(a一2, 為玻璃原板厚的一半),mm; K應(yīng)力計(jì)算系數(shù),nmmm,一般K=0.30.6。 K 值可視玻璃板的用途而定,當(dāng)5 mm時(shí),K取低值。 普通玻璃制品 F.J.Twyman建議退火后的允許極限殘余內(nèi)應(yīng)力120玻璃破壞強(qiáng)度(一般控制在玻璃極限抗張強(qiáng)度的l%5)。 浮法平板玻璃的退火標(biāo)準(zhǔn)既要考慮成品率又要考慮經(jīng)濟(jì)性,不必消耗太長(zhǎng)時(shí)間來(lái)試圖完全消除內(nèi)應(yīng)力,即允許有一定的殘余內(nèi)應(yīng)力存在。所以,已有人根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐和有關(guān)理論計(jì)算得出

7、浮法玻璃退火后允許殘余內(nèi)應(yīng)力與玻璃原板厚度之間的關(guān)系,如表3 18。 表3 18不同厚度玻璃原板退火后殘余應(yīng)力允許值,3、退火過(guò)程 由以上描述可知,要得到一個(gè)殘余應(yīng)力在允許范圍內(nèi)的玻璃制品,就要有一個(gè)合理退火制度。一個(gè)能消除應(yīng)力不使應(yīng)力再產(chǎn)生的過(guò)程。 (一)加熱過(guò)程 本階段將已冷卻的并具有應(yīng)力的玻璃制品加熱到退火溫度(這種退火叫二次退火),加熱速度應(yīng)保證制品產(chǎn)生的暫時(shí)應(yīng)力不超過(guò)玻璃本身的極限強(qiáng)度,以防制品炸裂。如制品在高于退火溫度時(shí)直接送入退火窯,則不需此階段(這種退火過(guò)程叫一次退火)。 (二)保溫階段 本階段將制品保持在高退火溫度附近,目的是為了消除玻璃中的永久應(yīng)力,同時(shí)使制品整體的溫度均勻

8、。關(guān)鍵點(diǎn)在于:保溫溫度和相應(yīng)的時(shí)間。 (三)慢冷階段 退火區(qū)域?qū)俾潆A段,為的是防止再次產(chǎn)生永久應(yīng)力。一般玻璃的冷速度為210C/min。在這階段,為了使玻璃制品在冷卻后不產(chǎn)生永久應(yīng)力,或減小到制品所要求的應(yīng)力范圍內(nèi),在均熱后進(jìn)行慢冷是必要的,以防止過(guò)大的溫差。 (四)快冷階段 從低退火溫度以下,可以快速冷卻,一直到出窯溫度為止。一般玻璃的快冷速度為15 -25C/min。此時(shí),玻璃在應(yīng)變點(diǎn)以下進(jìn)行冷卻,如前述只產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力,只要它不超過(guò)玻璃的極限強(qiáng)度,就可以加快冷卻速度以縮短整個(gè)退火過(guò)程、降低燃料消耗、提高生產(chǎn)率。,4、退火溫度計(jì)算 (一)根據(jù)玻璃成分確定 玻璃的退火溫度與玻璃成分有關(guān),除可

9、用雙折射檢查儀測(cè)玻璃退火溫度和用 膨脹儀測(cè)退火點(diǎn)溫度外,還可用公式計(jì)算。 根椐應(yīng)力在塑性物體中遞減過(guò)程的研究求出退火溫度 由實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為,應(yīng)力在塑性物體中遞減的過(guò)程隨時(shí)間的變化如下 : 將該式積分,則得: 式中:P。、P1 -開(kāi)始保溫時(shí)和經(jīng)時(shí)間后的內(nèi)應(yīng)力,MPa; -時(shí)間,min; 是取決于玻璃成分和溫度的常數(shù)。 如以雙折射光程差Nm/cm代替式中的應(yīng)力項(xiàng),即1=BP1, 0= BP。 則可得: 式中:A退火常數(shù),等于AB; B偏光應(yīng)力系數(shù),對(duì)鈉鈣硅玻璃B=2. 57。,L.HAdams和E.DWilliamson認(rèn)為退火常數(shù)A是高退火溫度T的指數(shù)函數(shù),即 式中:M1、M2退火常數(shù),與玻璃的粘

10、度特性有關(guān)。 從該式看出:高溫退火溫度為:,生產(chǎn)中各種玻璃與退火常數(shù)見(jiàn)下表所示:,(二)根據(jù)玻璃的組成及各種氧化物含量計(jì)算玻璃的退火溫度 玻璃的性質(zhì)隨其化學(xué)成分而變。在工業(yè)玻璃中增加Pb0、Na2O和K2O的含量可大大降低退火溫度,而增加Al2O3、Ca0、Mg0和Si02的含量會(huì)提高退火溫度。其具體表現(xiàn)見(jiàn)下表所示:,表中列出了玻璃化學(xué)成分對(duì)退火溫度的影響,用加號(hào)(+)表示提高的數(shù)據(jù),用減號(hào)(一)表示降低的數(shù)據(jù),零(o)表示該氧化物對(duì)退火溫度沒(méi)有影響。,表:玻璃化學(xué)組成對(duì)退火溫度的影響,下表中還列出一系列玻璃的高退火溫度。參照該表找到與被退火玻璃化學(xué)成分相近的玻璃的高退火溫度,再按照前一個(gè)表中

11、的組成對(duì)溫度的影響值,就可以近似地計(jì)算出該玻璃的高退火溫度。,表:玻璃的高退火溫度參考表,(三)根椐玻璃粘度()與其化學(xué)成分的關(guān)系來(lái)確定高退火溫度 如果能求得某玻璃組成下的粘度=10-13Pa .s時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度,就接近高退火溫度。,如以x表示玻璃組成中的Na2O的百分含量,以y表示CaO和MgO的百分含量之和,以z表示Al2O3的百分含量,則SiO2的含量為(100-x-y-z)。則可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算與粘度相當(dāng)?shù)臏囟萒 T=Ax-By+Cz+D,式中:A、B、C、D一常散,其數(shù)值列于下表:,表:與玻璃粘度有關(guān)的常數(shù)值,要注意的是:上式是根據(jù)假定玻璃中MgO含量為3時(shí)的某一粘度數(shù)值的

12、溫度。實(shí)際上,玻璃中的MgO百分含量不一定是3,因此,必須根據(jù)實(shí)際玻璃的成分加以校正。其校正值列于下表:,表:當(dāng)玻璃中1的CaO由1Mgo代替時(shí)相應(yīng)的溫度提高值,(四)玻璃制品退火過(guò)程中的加熱、保溫、冷卻時(shí)間(經(jīng)驗(yàn)法),加熱時(shí)間: 1加熱速度和加熱時(shí)間的計(jì)算 眾所周知,玻璃的抗壓強(qiáng)度幾乎是抗張強(qiáng)度的10倍,由于玻璃在加熱過(guò)程中,玻璃表面承受壓應(yīng)力,而內(nèi)部承受張應(yīng)力,因此,玻璃在加熱時(shí)可以用比冷卻時(shí)大得多的速度進(jìn)行根據(jù)玻璃的抗壓和抗張強(qiáng)度,并考慮到當(dāng)玻璃中有溫度梯度存在時(shí)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力制品的加熱速度(min)可以用下式計(jì)算,式中:玻璃制品的厚度,cm。,加熱速度確定后,就可以根據(jù)所需加熱的度數(shù)

13、求得加熱所需的時(shí)間。,式中:t 所確定的退火溫度,。,2保溫時(shí)間的計(jì)算 玻璃制品在退火過(guò)程中也要進(jìn)行保溫,保溫時(shí)間(min)可按下式計(jì)算:,式中:Ao應(yīng)力消失速度系數(shù)。 應(yīng)力消失速度系數(shù)與玻璃成分及溫度有關(guān),對(duì)大多數(shù)普通玻璃而言,可取,代入式:,得:,對(duì)于要得到應(yīng)力不大于10nm_cm的玻璃,其保溫時(shí)間為152 在連續(xù)壓延玻璃和平拉玻璃生產(chǎn)中,進(jìn)入退火窯的玻璃板的溫度往往略高于玻璃的高退火溫度,但玻璃板的表面和內(nèi)層由于冷卻不均而引起溫度不均。所以在這種情況下,玻璃板一方面需要進(jìn)行保溫(實(shí)際上起均熱作用)以使玻璃板斷面溫度均勻;另一方面又要將玻璃板預(yù)先冷卻到玻璃的高退火溫度。這時(shí)就不能用上計(jì)算保

14、溫時(shí)間了,而要按LHAdams的退火公式計(jì)算保溫時(shí)間:,式中:保溫時(shí)間,min; n要求玻璃退火后允許的內(nèi)應(yīng)力的光程差,nmcm。 預(yù)先冷卻所需時(shí)間(min)按下式計(jì)算,因此,從玻璃入窯經(jīng)保溫和預(yù)冷所需的總時(shí)間為:,3. 冷卻速度和冷卻時(shí)間的計(jì)算 玻璃冷卻時(shí),既會(huì)產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力,也會(huì)產(chǎn)生永久應(yīng)力。如冷卻速度大于零,則暫時(shí)應(yīng)力在任何溫度下都會(huì)產(chǎn)生,而永久應(yīng)力的產(chǎn)生是由于熱應(yīng)力松弛的結(jié)果。熱應(yīng)力松弛的部分越大,則冷卻后玻璃制品中的永久應(yīng)力就越大。在退火區(qū)域中的內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生決定于兩個(gè)因素,首先是冷卻速度,其次是玻璃在退火溫度下冷卻過(guò)程中熱應(yīng)力的松馳速度。因此,玻璃的退火關(guān)鍵是如何正確的確定和控制退火區(qū)

15、域內(nèi)的冷卻。,當(dāng)認(rèn)為玻璃冷卻時(shí)熱應(yīng)力的松馳是最大的,為:,式中:玻璃的膨脹系數(shù),1/; E玻璃的彈性模數(shù),MPa; 玻璃的泊松比, tav玻璃冷卻過(guò)程中瞬間平均溫度,; t玻璃冷卻過(guò)程中某點(diǎn)瞬時(shí)溫度,,。,當(dāng)其冷卻為兩面均勻冷卻時(shí),其內(nèi)部某點(diǎn)的溫度為:,則某一瞬間玻璃板的平均溫度為:,由上式可以看出,玻璃在退火過(guò)程中的冷卻時(shí)間與要求的平均溫度有關(guān)。 如果按要求的最終殘余應(yīng)力計(jì)算的話,則將上式適當(dāng)變換代入到:,則能得到合適的冷卻速度:,或:,三、玻璃退火制度的確定:,退火制度:是指退火窯內(nèi)的溫度變化規(guī)律,或稱:退火曲線。如圖3.132所示。玻璃的退火制度是通過(guò)在退火爐的均熱區(qū)出口,退火區(qū)出口、退

16、火后區(qū)出口設(shè)置熱電偶來(lái)測(cè)量溫度,和控制溫度的。 以浮法平板玻璃的退火為例,設(shè)計(jì)浮法玻璃退火窯、制定退火制度,一般按6mm厚玻璃原板為計(jì)算基準(zhǔn)。6 mm厚玻璃原板的退火制度按照玻璃原板能承受應(yīng)力的能力和重要退火區(qū)的降溫能力再進(jìn)行核算,必要時(shí)需降低產(chǎn)量、降低拉引速度,以滿足退火要求。,均熱冷卻階段(均熱區(qū)) 進(jìn)入退火窯的玻璃原板溫度一般為60010tmax。所以該階段主體為冷卻階段。加熱玻璃原扳的邊部、表面是為了減少上、下表面以及板中、邊部存在的溫差,從而創(chuàng)造良好的退火條件,提高退火質(zhì)量。該階段使玻璃原板均勻冷卻到tmax。據(jù)經(jīng)驗(yàn),6mm厚玻璃原板的冷卻速度為2227 min,保溫階段(重要退火區(qū)

17、) 該階段的溫度范圍為tmaxtmin,這是退火過(guò)程中最關(guān)鍵的階段。玻璃原板退火后的殘余內(nèi)應(yīng)力大小及其分布主要取決于玻璃原板在此階段內(nèi)的冷卻速度以及溫度分布。所以,要認(rèn)真確定冷卻速度,并精心組織退火,確保退火質(zhì)量。 慢速冷卻階段(退火后區(qū)) 玻璃原板在此階段(tmin)僅產(chǎn)生暫時(shí)應(yīng)力。但是,暫時(shí)應(yīng)力過(guò)大也會(huì)使玻璃原板炸裂。一般來(lái)說(shuō),暫時(shí)應(yīng)力小于或等于玻璃原板破壞強(qiáng)度的25。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),此階段玻璃原板的降溫速度可為保溫階段(重要退火區(qū))的3.5倍。 快速冷卻階段(強(qiáng)制冷卻階段) 。 此階段玻璃原板的降溫速度既受到玻璃原板所能承受應(yīng)力的限制又受到玻璃原板熱交換能力的限制。玻璃原板是不良導(dǎo)熱體,其熱交

18、換能力只有通過(guò)實(shí)驗(yàn)才能得到。 下圖是某6mm厚浮法玻璃原板的退火曲線,可供參考。需要提醒的是:退火曲線給出的是玻璃原板溫度。而退火窯是窯內(nèi)空間氣體的溫度。測(cè)控溫度與退火曲線溫度之間的差值需要在實(shí)踐中不斷摸索,四、浮法平板玻璃退火窯(輥道式退火窯)的基本結(jié)構(gòu) 退火爐(窯)是實(shí)現(xiàn)玻璃退火原理進(jìn)行退火過(guò)程的專屬設(shè)備。 圖3.134是浮法平板玻璃退火的專用退火窯。窯內(nèi)玻璃原板的傳輸由輥道來(lái)完成。所以,又稱為輥道式退火窯。 其結(jié)構(gòu)有兩種:磚結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)。 磚結(jié)構(gòu):用耐火磚在現(xiàn)場(chǎng)砌筑而成,窯內(nèi)設(shè)有加熱、冷卻裝置。 優(yōu)點(diǎn):投資相對(duì)較小。 缺點(diǎn):由于磚砌筑周期長(zhǎng),占地面積大,不美觀,所以現(xiàn)在不再采用該型式;

19、鋼結(jié)構(gòu):退火窯包括保溫段(熱絕緣區(qū))和非保溫段(非熱絕緣區(qū))兩部分全部用鋼材和保溫材料構(gòu)成。在保溫段,窯體主要由內(nèi)、外兩層金屬殼體組成,中間填充保溫棉。鋼結(jié)構(gòu)一般先在機(jī)械廠預(yù)制,再到現(xiàn)場(chǎng)組裝。,退火窯的基本組成:,為了滿足玻璃原板退火曲線的要求退火窯窯體是一個(gè)具有一定長(zhǎng)度的隧道,沿隧道長(zhǎng)度方向上分為若干區(qū),區(qū)與區(qū)之間用擋簾分隔,每個(gè)區(qū)的溫度范圍不同。,窯體,熱源,輸送裝置,優(yōu)點(diǎn):密封性好,占地面積小,外觀精美,蓄熱較少,可預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)組裝、施工周期短,檢修方便。 缺點(diǎn):投資相對(duì)較大,,整個(gè)退火窯按模數(shù)分為若干節(jié),每節(jié)長(zhǎng)度通常是輥間距的56倍(輥間距一般為0 45 m或05 m)。,隧道內(nèi)設(shè)玻璃輸

20、送裝置輥道。 玻璃板的輸送 輥道的作用: 支承玻璃板使之其雙面均勻退火 另外,在兩側(cè)窯墻上,輥道之上設(shè)置有觀察孔(用于觀察炸板的位置); 輥道之下還設(shè)置有清掃門(便于清除碎玻璃,但清掃后要注意關(guān)門和密封)。 熱源: 熱源位置:設(shè)置在窯體上,在窯 的兩側(cè)或頂?shù)滋帲渥饔檬菫橥嘶鸶G內(nèi)補(bǔ)充必要的熱量。 退火窯的區(qū)域劃分:目的是為更好更便捷的對(duì)退火工藝參數(shù)的控制,以滿足生產(chǎn)要求。 退火窯沿長(zhǎng)度方向上分熱絕緣區(qū)與非熱絕緣區(qū)兩大類區(qū)。 熱絕緣區(qū)(保溫區(qū))包括:均熱加熱區(qū)(A區(qū)溫度600550,冷風(fēng)順流間接換熱)、重要退火區(qū)(B區(qū)550480 ,冷風(fēng)逆流間接換熱)、退火后區(qū)(c區(qū)480380 冷風(fēng)逆流間接換

21、熱)。,電熱源式,燃?xì)馐?熱絕緣區(qū)與非熱絕緣區(qū)的過(guò)渡區(qū)(簡(jiǎn)稱:D區(qū))。 非熱絕緣區(qū)(非保溫區(qū))包括:熱風(fēng)循環(huán)冷卻區(qū)(Ret區(qū))、過(guò)渡區(qū)(E區(qū))、強(qiáng)制冷卻區(qū)(F區(qū))。 其中主要的區(qū)是:A、B、C、Ret、F這五個(gè)區(qū),因?yàn)镈、E這兩個(gè)區(qū)是過(guò)渡區(qū),其長(zhǎng)度較短(243 m)。,熱源設(shè)置在A、B、C區(qū)中,其中,A區(qū)的熱設(shè)置區(qū)域較大,其目的是調(diào)節(jié)玻璃 原板表面的溫度,使之符合退火要求。一般一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)上設(shè)有3個(gè)電加熱裝置。 B、C區(qū)熱源一般設(shè)在玻璃板的邊沿部,以滿足玻璃原板邊緣區(qū)調(diào)溫要求。,冷卻風(fēng)的作用及配置:保溫區(qū)設(shè)置冷卻器,是為了調(diào)節(jié)玻璃原板的冷卻,特別是當(dāng)退火爐與錫槽相聯(lián)接時(shí)。 冷卻器的設(shè)置:A、B區(qū)單層底頂設(shè)置,C區(qū)頂三下二層設(shè)置。

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