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高強(qiáng)度鋼的質(zhì)量控制

0塑性低區(qū)主要產(chǎn)生的問(wèn)題2008年,世界鉻鐵產(chǎn)量超過(guò)1萬(wàn)噸。世界上100多家造船廠正在生產(chǎn)含有鉻的板、帶板和棒板。其中一些車間受到嚴(yán)格控制,進(jìn)行了彎曲和連壓操作,可以確保表面質(zhì)量的高質(zhì)量,沒有裂紋缺陷。在已經(jīng)發(fā)表的有關(guān)傳統(tǒng)塑性低谷區(qū)的研究中,很多人認(rèn)為塑性低谷區(qū)與高碳當(dāng)量有關(guān),而與是否含有微合金化元素(Nb、V和/或Ti)無(wú)關(guān)。然而,對(duì)于普通碳錳鋼,如果某些煉鋼和連鑄參數(shù)不合理,塑性低谷區(qū)同樣可以引起表面和內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。比較了不同鋼廠的煉鋼和操作規(guī)程后發(fā)現(xiàn),有些鋼廠可以穩(wěn)定地生產(chǎn)無(wú)缺陷含鈮鋼坯,而有些鋼廠卻總是遇到一些困難。一般來(lái)說(shuō),能夠穩(wěn)定生產(chǎn)無(wú)缺陷坯的鋼廠在其整個(gè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中總體質(zhì)量評(píng)價(jià)也較好。對(duì)于那些遇到困難的鋼廠,他們通常將問(wèn)題產(chǎn)生的原因歸結(jié)于高溫塑性低谷區(qū)。許多研究表明塑性低谷區(qū)是普通碳錳鋼和微合金化鋼等各種成分鋼的一種固有性質(zhì)。然而,相同成分的含鈮鋼可在其他鋼廠成功地生產(chǎn)。通常,在連鑄過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋是煉鋼和連鑄生產(chǎn)過(guò)程中的一些不合理的操作引起的,比如殘余元素的含量、過(guò)熱度的波動(dòng)、轉(zhuǎn)包溫度分層、結(jié)晶器保護(hù)渣不匹配、拉坯速度的波動(dòng)、和/或過(guò)度二次冷卻。本文將探討其中的一些根源,改進(jìn)措施,減少或消除鑄坯裂紋的產(chǎn)生辦法,從而提高鋼的表面和內(nèi)部質(zhì)量。對(duì)于那些將自己定位于生產(chǎn)高品質(zhì)含鈮鋼的鋼廠,有機(jī)會(huì)享有生產(chǎn)附加值產(chǎn)品帶來(lái)的更高的產(chǎn)品利潤(rùn)空間。從熔煉到連鑄,嚴(yán)格的過(guò)程控制是影響熱軋產(chǎn)品最終性能的一個(gè)非常關(guān)鍵的因素,可使鋼材獲得:①更好的低溫韌性;②較高的屈服強(qiáng)度,以降低結(jié)構(gòu)的橫截面積;③改善擴(kuò)孔成形性能;④更好的可焊性,以減少施工時(shí)間;⑤改善熱影響區(qū)(HAZ組織)韌性;⑥改善高溫性能;⑦改善抗疲勞性能。1殘余元素的處理在生產(chǎn)高品質(zhì)鋼時(shí),由于去除有害殘留元素的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)條件在煉鋼和精煉過(guò)程不同,有時(shí)甚至是相互矛盾的,所以可以采取不同策略來(lái)控制殘留元素的含量。每個(gè)鋼廠都需要徹底了解自身的過(guò)程冶金變量,形成自己的操作實(shí)踐,才能生產(chǎn)所需成分的鋼種。鋼中殘余元素是一個(gè)非常重要的基礎(chǔ)條件。通常,鋼廠在生產(chǎn)復(fù)雜的微合金鋼初期,由于鋼中殘余元素高,可能導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋、表面質(zhì)量差和偏析問(wèn)題。造成熱塑性降低的根本原因是殘余元素含量高,但在某些情況下,缺陷或裂紋產(chǎn)生的根源被錯(cuò)誤地歸因于Nb對(duì)塑性低谷區(qū)的影響。在生產(chǎn)高附加值的品質(zhì)鋼材時(shí),殘余元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)至少應(yīng)符合以下標(biāo)準(zhǔn):·wP:≤0.015%;·wS:0.010%~0.015%,非關(guān)鍵鋼種;0.005%~0.010%,鈣處理鋼;0.002%~0.005%,鈣處理的重要鋼種;·wO:≤0.0015%;·wH:≤0.0002%,關(guān)鍵鋼種;·wN:盡可能低(轉(zhuǎn)爐煉鋼中wN通常低于0.0050%,而電爐煉鋼中wN要低于0.0065%)。在解決含鈮鋼表面質(zhì)量問(wèn)題時(shí),建議優(yōu)先采取的操作是:用鈣處理,將S質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.002%~0.010%水平。鈣處理并不能確保獲得無(wú)缺陷鑄坯,卻能極大地增加改善表面質(zhì)量和內(nèi)部純凈度的可能性。下一節(jié)將介紹殘余元素對(duì)熱塑性的影響,如N、H、S、P、Cu等。1.1文化元素及微量元素在含Al的微合金化鋼中,通常認(rèn)為N不利于鋼的熱塑性。為了避免橫向裂縫,N含量應(yīng)保持盡可能低的水平。在某些情況下,Ti的加入對(duì)熱塑性也是有害的。然而,在低冷卻速度下,在低N(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.005%)的C-Mn鋼中添加Ti,又有助于獲得更好的熱塑性。當(dāng)Ti∶N為4.5∶1時(shí),可以獲得最佳的熱塑性。對(duì)于高N鋼(電爐煉鋼典型的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.010%),建議Ti的加入量不要太高(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.010%),以減少含Ti粒子的數(shù)量。此外,鋼中溶解的Al含量要低,以防止與過(guò)量N元素結(jié)合形成AlN。對(duì)于C-Mn-Nb-Al鋼,Ti的影響與C-Mn鋼類似。這些鋼中存在的Nb和Al元素會(huì)粗化含Ti粒子,因而對(duì)熱塑性低谷區(qū)的影響一般不大。因?yàn)樵谳^高的溫度下高N含量會(huì)促進(jìn)析出行為,Ti與N結(jié)合后,剩余的N可能對(duì)熱塑性有利。鋼中的S含量應(yīng)保持在盡可能低的合理水平,以降低有害的細(xì)小硫化物在奧氏體晶界析出傾向。鈣夾雜物形貌控制處理將球化硫化錳夾雜并改善連鑄機(jī)矯直段鑄坯的塑性。鋼中殘留的Cu通常來(lái)自廢鋼料,其殘留的Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)小于0.15%。殘留Cu對(duì)鑄坯的表面質(zhì)量有害,促使發(fā)生橫向開裂。Sn的影響與Cu類似。雖然Cu對(duì)熱塑性有害,但是加入少量的Ni可以抵消引起的熱塑性損失(wNi∶wCu通??刂圃?.5~2.0范圍內(nèi))。P是大量研究工作關(guān)注的一種元素。過(guò)去的一些研究表明,在某些情況下,鋼中P的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.25%可改善700~1200℃區(qū)間鑄坯的塑性。這種改善的結(jié)果是在偏析減少的前提下獲得的。如果有較多的P發(fā)生偏析,枝晶間液體將在低于固相線下的某一溫度出現(xiàn)。在奧氏體晶界上出現(xiàn)這種液膜將嚴(yán)重降低鑄坯的熱塑性。這種狀況將使鑄鋼容易在連鑄早期和結(jié)晶器后的鑄造階段產(chǎn)生開裂。雖然已經(jīng)證實(shí)少量P可改善C-Mn鋼和C-Mn-Al-Nb鋼的熱塑性,但不建議采用這種方法改善熱塑性。1.2減少轉(zhuǎn)爐鋼板n含量的措施圖1顯示了鋁鎮(zhèn)靜鋼中隨N含量的提高鑄坯裂紋敏感性增加,在連鑄汽車用鋼和結(jié)構(gòu)鋼中這種現(xiàn)象更為明顯。通過(guò)使用低氮的原料及結(jié)合實(shí)際操作,可以盡量減少在煉鋼過(guò)程中和隨后工序中N的吸入,從而達(dá)到降低鋼中N含量的目的。采用以下操作可使板坯連鑄機(jī)中間包的N質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.006%:(1)對(duì)于聯(lián)合煉鋼,保持鐵水中的Ti質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.10%。從高爐出來(lái)的鐵水中的Ti含量越高,鐵水中N含量就越低;(2)避免轉(zhuǎn)爐煉鋼后吹操作。在C含量低的情況下,后吹操作的增加會(huì)使N含量急劇上升。如果后吹時(shí)間超過(guò)60s,會(huì)吸入相當(dāng)含量的N;(3)由于出鋼溫度的提高會(huì)引起N含量的增加,所以降低出鋼溫度有利于降低N含量。在較高溫度下出鋼,N含量的波動(dòng)要明顯大一些;(4)在出鋼過(guò)程中,進(jìn)行部分脫氧和使用石灰石屑可減少N質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加(高達(dá)0.001%);(5)鋼水?dāng)嚢璨僮鞅仨毞€(wěn)定一致,一定要盡可能避免鋼包爐(LF爐)底部強(qiáng)攪拌。大部分N的吸入是由于吹開鋼液頂部的渣層,鋼液表面直接暴露到大氣中而產(chǎn)生的;(6)氬封長(zhǎng)水口系統(tǒng)應(yīng)取代氮封。成本效益分析表明,改善表面質(zhì)量和減少缺陷帶來(lái)的好處超過(guò)使用氬氣帶來(lái)的較高成本。1.3h含量的影響氫主要是影響中、高碳鋼和含高M(jìn)n、Cr、Ni的鋼種,特別是大型型鋼。在Mn-Cr、Cr-B和Cr-Mo系鋼中,必須控制H含量。H含量的控制是至關(guān)重要的,對(duì)于這些裂紋敏感的鋼種,wH限于0.0002%。1.4與晶間斷裂相關(guān)高溫下硫不但會(huì)擴(kuò)大鋼的表面裂紋傾向,它還會(huì)增加鋼中夾雜物的數(shù)量,危害鋼材的物理和力學(xué)性能,因此,鋼中的硫含量必須嚴(yán)格控制,盡可能低(除切削加工鋼外)。對(duì)于高等級(jí)鋼種,高爐鐵水中的S質(zhì)量分?jǐn)?shù)不易高于0.015%。經(jīng)過(guò)鋼包SiCa脫硫后,S質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常要降至0.003%~0.009%。對(duì)于含鈮鋼的澆鑄,有些情況下,MnS夾雜是造成熱塑性降低的根本原因。一般來(lái)說(shuō),MnS與晶間斷裂有關(guān)。含鈮鋼的熱塑性對(duì)鋼中的固溶S含量非常敏感,固溶S易于晶界偏析。隨著S含量的提高,熱塑性下降(圖2)。正如圖2所示,在850℃下矯直低硫鋼的斷面收縮率接近50%,熱塑性明顯高于高S的含鈮鋼。如果S含量過(guò)高,S會(huì)使晶界上的Nb(CN)與奧氏體間的界面產(chǎn)生大量的空位。雖然降低S含量會(huì)改善韌性,但是也有證據(jù)表明,含鈮鋼的最低S質(zhì)量分?jǐn)?shù)不應(yīng)小于0.001%。這是因?yàn)榱蚧锪W涌勺鳛楦邷叵翹b(C,N)的形核位,過(guò)低的S含量將減少Nb析出。鈣處理操作過(guò)程中必須考慮到這一點(diǎn),極低的S(質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.001%)可能會(huì)阻止在矯直前的鈮析出。1.5增強(qiáng)鋼的熱穩(wěn)定性在顯微結(jié)構(gòu)層面上,有4個(gè)控制熱塑性的主要因素。它們也是最重要的4個(gè)因素:①應(yīng)變率;②晶粒尺寸;③析出;④夾雜物含量。提高矯直應(yīng)變速率和細(xì)化晶粒尺寸(一般小于200μm)都可以改善韌性。提高應(yīng)變速率將減少晶界滑移,細(xì)化的晶粒使得裂紋沿晶界擴(kuò)展變得更加困難。其他兩個(gè)影響熱塑性的重要因素是沉淀物和夾雜物。晶界沉淀物和非常細(xì)小的沉淀物會(huì)降低熱塑性。例如,對(duì)于某一特定體積分?jǐn)?shù)的沉淀物和/或夾雜物,晶界上的顆粒越細(xì),它們之間的聯(lián)絡(luò)越近,裂紋也就更容易連結(jié)。因此,通過(guò)控制S和P含量來(lái)改善鋼的潔凈度,可以降低夾雜物整體的體積分?jǐn)?shù)。其次,采用連鑄機(jī)二冷段的弱冷工藝將有助于優(yōu)化沉淀物的體積分?jǐn)?shù)和尺寸,改善鑄坯的熱塑性。1.6連鑄機(jī)的操作分析和裂紋機(jī)理這項(xiàng)研究工作將進(jìn)行大量的熱塑性試驗(yàn)分析研究,試樣樣品來(lái)自世界各地的鋼廠,包括中國(guó)、巴西、北美洲和歐洲等地區(qū)的鋼廠。這些試樣組將包括不同S和P含量情況下的微合金化(Nb、V和/或Ti)低碳鋼、包晶鋼和中碳鋼,它們的成分范圍將涵蓋一些鋼廠經(jīng)歷裂紋產(chǎn)生的情況。世界各地的鋼鐵公司將提供鋼樣,以促進(jìn)該熱塑性試驗(yàn)方案的進(jìn)行。各鋼廠還需要提供相應(yīng)試樣的連鑄機(jī)及軋制工藝參數(shù),從而使熱塑性測(cè)試可以模擬實(shí)際的操作特點(diǎn)和裂紋機(jī)理。對(duì)于含鈮鋼生產(chǎn)企業(yè),這一研究課題將達(dá)到三個(gè)目的:①加強(qiáng)對(duì)裂紋產(chǎn)生機(jī)制的認(rèn)知;②確定相應(yīng)操作要點(diǎn),以保證獲得無(wú)裂紋含鈮鋼連鑄坯;③提供操作指南,以盡量減少連鑄過(guò)程發(fā)生裂紋的概率。由此產(chǎn)生的學(xué)位論文和相應(yīng)的文章,將成為客戶發(fā)表技術(shù)報(bào)告的國(guó)際平臺(tái)和基礎(chǔ)。熱塑性試驗(yàn)結(jié)果分析將與連鑄機(jī)操作的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái),這些參數(shù)可影響連鑄過(guò)程中的應(yīng)力及裂紋的萌生和擴(kuò)展行為。操作數(shù)據(jù)由提供樣品的鋼廠給出。根據(jù)理論和經(jīng)驗(yàn),需要考量下面的連鑄機(jī)參數(shù):①結(jié)晶器傳熱特性;②結(jié)晶器振動(dòng)頻率和振幅;③二次冷卻水的流量和分布;④連鑄速度,由碳當(dāng)量決定;⑤輕壓下;⑥扇形段對(duì)中;⑦連鑄機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)(即冶金長(zhǎng)度和彎曲半徑)。有些客戶聲稱含鈮鋼在連鑄過(guò)程(即方坯、板坯或近終形結(jié)構(gòu)型鋼鑄坯等)遇到裂紋問(wèn)題,通過(guò)與他們的技術(shù)訪問(wèn)發(fā)現(xiàn),他們將塑性低谷區(qū)視為引起鑄坯裂紋的根源。然而,還有許多其他生產(chǎn)操作因素會(huì)導(dǎo)致鑄坯表面和/或內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題。例如,圖3是根據(jù)作者的經(jīng)驗(yàn)做出輕型和中型S355異形坯熱塑性參考曲線,該鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為wC0.10%,wMn1.00%,wNb0.02%~0.04%、wS0.010%和wP0.015%的。矯直溫度在850~900℃范圍內(nèi),并沒有產(chǎn)生裂紋。從圖中還可以看出,這個(gè)溫度范圍內(nèi)的最小面縮率約30%,如此的熱塑性卻能令人滿意地生產(chǎn)出無(wú)裂紋的輕型和中型型鋼。2鑄機(jī)的鋼水溫度消除裂紋的兩個(gè)最有效措施是控制鋼水澆鑄溫度和降低二冷的冷卻速率。對(duì)于優(yōu)質(zhì)鋼種,要嚴(yán)格控制進(jìn)入連鑄機(jī)的鋼水溫度。如果鋼過(guò)熱度太高,會(huì)造成嚴(yán)重的中心偏析,甚者還會(huì)增加發(fā)生漏鋼的概率。如果過(guò)熱度太低,又可能引起水口堵塞,甚至鋼水在中間包內(nèi)凝結(jié),造成鋼水回爐等問(wèn)題。因此,必須在獲得良好鑄造性能、產(chǎn)量和鑄坯內(nèi)部和表面質(zhì)量之間取得平衡。連續(xù)澆鑄要求供給的鋼水溫度保證在澆鑄周期內(nèi)順行。2.1鑄機(jī)維護(hù)的改進(jìn)某鋼廠生產(chǎn)含鈮型鋼時(shí)翼緣處出現(xiàn)裂紋問(wèn)題,將其歸因于含鈮鋼在750~900℃溫度范圍熱塑性的降低。但是,另外有一家鋼廠生產(chǎn)相同的含鈮結(jié)構(gòu)鋼種和異型坯尺寸卻沒有發(fā)生裂紋。鋼廠A的試驗(yàn)鋼異型坯的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)列于表1。從下面的煉鋼、連鑄參數(shù)、對(duì)含鈮鋼冶煉/澆鑄之間的認(rèn)識(shí)等方面,展開了冶煉和工藝操作的分析。(1)過(guò)熱度的波動(dòng);(2)鋼包溫度不均(透氣磚的位置和數(shù)量);(3)異形坯裂紋和二冷冷卻條件之間的關(guān)系(象限圖);(4)為避免裂紋,連鑄機(jī)維護(hù)的重要性。各部分的對(duì)準(zhǔn)波動(dòng)范圍為±0.2mm。通過(guò)措施調(diào)整控制偏差;(5)根據(jù)圖表顯示的熱塑性低谷區(qū)探求在理想的900℃以上進(jìn)行矯直的可行性(在850℃以上,也取得了一些成功操作);(6)在實(shí)驗(yàn)室用金相分析異形坯的橫向截面。測(cè)量異形坯四個(gè)圓腳處的奧氏體晶粒尺寸(混晶會(huì)對(duì)熱塑性產(chǎn)生不利影響);(7)在滿足力學(xué)性能要求的前提下,降低Mn含量以減少偏析;(8)調(diào)整鋼中S質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上限(不超過(guò)0.015%,最好能控制在0.010%的水平);(9)如果碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.10%,可適當(dāng)調(diào)整Mn含量降低鋼中的C含量。型鋼廠在生產(chǎn)C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的品種時(shí)一般不會(huì)遇到裂紋問(wèn)題;(10)生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)分析越好,越能夠降低工藝波動(dòng);(11)有時(shí),鋼廠在由V改用Nb時(shí)需要降低拉坯速度約5%,但改進(jìn)實(shí)際工藝操作后,完全可以用同一拉速;(12)不同的鋼廠可以采用不盡相同的操作規(guī)范生產(chǎn)成分相同的品種。適合自身工藝的軋制參數(shù)(水和溫度)意味著降低成本;(13)連鑄和軋制參數(shù)關(guān)聯(lián)到冶金質(zhì)量(異形坯裂紋、化學(xué)成分偏析和力學(xué)性能的不穩(wěn)定)。經(jīng)上述各方面的研究分析,形成了如下改進(jìn)建議,而且通過(guò)采取這些改進(jìn)措施后,生產(chǎn)出了無(wú)缺陷的含鈮S355型鋼,連續(xù)澆注50爐含鈮S355型鋼沒有出現(xiàn)裂紋缺陷。改進(jìn)的工藝措施如下:(1)降低過(guò)熱度波動(dòng)范圍,最高不超過(guò)20℃;(2)鋼包內(nèi)鋼水溫度分層是造成過(guò)熱度波動(dòng)的根本原因。同時(shí),完善了鋼包攪拌操作,使得澆鑄過(guò)程中的溫度均勻穩(wěn)定;(3)二次冷卻水流量減少了10%~15%,以實(shí)現(xiàn)軟冷操作。2.2c含量對(duì)astm的影響結(jié)合低碳鋼低合金冶金思路,采用新的冶金工藝技術(shù)和操作可帶來(lái)可觀的成本效益。高附加值含鈮微合金鋼的應(yīng)用和未來(lái)發(fā)展將在改善產(chǎn)品質(zhì)量、性能和工藝操作中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如,表1中C含量較低(B廠),成功地生產(chǎn)出了S355鋼,力學(xué)性能和化學(xué)成分滿足ASTM的要求。同時(shí),B廠生產(chǎn)的低碳鋼具有優(yōu)良的熱塑性,而且沒有出現(xiàn)連鑄缺陷或裂紋問(wèn)題。如有可能,強(qiáng)烈建議C質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.10%。有報(bào)道指出,降低C含量可使奧氏體更易于向鐵素體轉(zhuǎn)變。形變誘導(dǎo)鐵素體的大量形成使得熱塑性低谷區(qū)變窄。碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須低于0.10%是誘發(fā)這一機(jī)制發(fā)生的條件。因此,在低于包晶區(qū)的低碳水平(質(zhì)量分?jǐn)?shù)<0.1%)下,不太可能形成柱狀晶和細(xì)化鑄態(tài)晶粒尺寸。對(duì)于微觀組織,這些條件將有利于縮小塑性低谷區(qū)。2.3含鈮鋼坯的質(zhì)量控制通過(guò)采用適當(dāng)?shù)倪B鑄操作和化學(xué)成分,完全可以生產(chǎn)出無(wú)裂紋缺陷的低碳和高碳當(dāng)量含鈮鋼坯。如果在含鈮鋼坯上(或任何其他鋼種)出現(xiàn)表面或內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題,建議參考下面相關(guān)工藝操作和設(shè)備維護(hù)項(xiàng)目進(jìn)行檢查分析。如果已經(jīng)采用了本報(bào)告前面討論的成分建議和冶煉操作,但仍有鑄坯質(zhì)量問(wèn)題,那么,其根本原因可能會(huì)與下面的一個(gè)或多個(gè)因素有關(guān):(1)面控制性能·結(jié)晶器保護(hù)渣的熱傳輸;·結(jié)晶器液面控制性能;·保護(hù)渣加入的連續(xù)性;·減少二次冷卻水,確保板坯/方坯/異型坯的角部溫度在900℃以上。(2)連鑄機(jī)和晶體裝置的設(shè)計(jì)·結(jié)晶器表面錐度;·振痕深度和降低裂紋深度的關(guān)系。(3)預(yù)防維修問(wèn)題·冷卻頭和噴嘴(即壓力和體積的變化);·水的質(zhì)量和溫度;·各段對(duì)準(zhǔn)度;·輥縫和磨損情況;·輕壓下效果。(4)對(duì)精煉和鋼包溫度的控制·與含硫量高有關(guān)的熱塑性低谷區(qū)問(wèn)題;·澆鑄中鋼包溫度分層;·過(guò)熱度過(guò)高(>20℃)。(5)清潔并觸發(fā)裂縫·非標(biāo)準(zhǔn)操作;·在高碳當(dāng)量鋼種中缺乏經(jīng)驗(yàn)的

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