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文檔簡介

1、 本科畢業(yè)設(shè)計外文翻譯外文譯文題目(中文) :低碳中厚板以及熱軋帶鋼生產(chǎn)過程概述學 院:專 業(yè):學 號:學生姓名:指導(dǎo)教師:日 期: processing of low carbon steel plate and hot stripan overview b k panigrahir&d centre for iron and steel, steel authority of india ltd., ranchi 834 002, india 低碳中厚板以及熱軋帶鋼生產(chǎn)過程概述b k panigrahir&d centre for iron and steel, steel

2、 authority of india ltd., ranchi 834 002, india摘要:均熱溫度、壓下規(guī)程、終軋溫度以及卷取溫度在低碳中厚板和熱軋帶鋼的生產(chǎn)過程中起著重要的作用。這些因素控制了各種物理和冶金的過程的動力學,即奧氏體化、再結(jié)晶以及沉淀的過程。最終轉(zhuǎn)變后的微觀組織取決于這幾個過程以及它們之間的相互作用??紤]到原料成本的增加,人們開發(fā)了新的生產(chǎn)技術(shù)如再結(jié)晶控軋、溫軋可用來生產(chǎn)中厚板以及較薄的熱軋帶鋼,它們都有很好的延伸性。除此之外,混合電腦建模技術(shù)可以用來生產(chǎn)具有特定性能的帶鋼產(chǎn)品。雖然以前就有人對低碳微合金鋼進行過探討,但本文所討論的是新的技術(shù)。關(guān)鍵詞:微合金鋼;熱力學

3、過程;溫軋;工藝參數(shù)建模1.引言中厚板和熱軋帶鋼在國家鋼鐵產(chǎn)品中占很大比例。其屈服應(yīng)力在250到300 mpa間可以滿足不同的需求。這些產(chǎn)品在生產(chǎn)時適量地加入了多種微合金元素以獲得需要的屈服強度和韌性。熱軋中厚板和帶鋼過程就是重新加熱半成品,也就是厚板坯,通過軋機連續(xù)減小材料的厚度,將終軋溫度控制在一定值再加上在運出棍道上急速水冷。通過這些步驟,使單一的合金鋼可以具有良好的化學組成以及優(yōu)秀的屈服應(yīng)力和抗沖擊能力。因為加入合金成分的成本的增加這種軋制方式現(xiàn)在比以前任何時候都適合。這種控制可以運用到多種現(xiàn)代中厚板和帶鋼軋機上使其獲得更高的機械和微結(jié)構(gòu)強度。受到后續(xù)工序成本的增加,溫軋和鐵素體軋制工

4、藝的發(fā)展有了重大的突破,直接的影響是在對高可紡性和表面平整度要求較低的市場領(lǐng)域取代了冷軋和退火產(chǎn)品。計算機模擬和過程模型使鋼鐵在沒有真實生產(chǎn)具有的性能完全可見。本文旨在列出各種處理的順序,就是均熱終軋溫度,卷曲溫度,壓下規(guī)程和他們帶來的影響相較于包括微合金剛在內(nèi)的低碳鋼的機械性能以及自動控制熱軋生產(chǎn)線的發(fā)展。微合金剛是高力學結(jié)構(gòu)鋼,它擁有的屈服應(yīng)力最低為350 mpa,加入了很少量的鈮、釩或者鈦。它們是可焊的,在總量比、韌性、柔軟性以及焊接能力上都具有很好的強化。它們的強化受不同的機制影響,就是固溶強化、細化晶粒、沉淀強化、位錯強化以及基粒強化。2.均熱溫度的作用均熱溫度十分重要是由于它會影響

5、產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。液態(tài)鋼背澆注成鋼錠或者厚板。如果鋼錠的均熱溫度和在均熱爐中持續(xù)的時間使鑄錠中心處在熔化狀態(tài)就會影響半成品的產(chǎn)量和質(zhì)量。當均熱溫度低于( 1280°c)并且在均熱爐中長期放置將會促進鑄錠的完全凝固為接下來的軋制做準備以提高產(chǎn)品的產(chǎn)量與質(zhì)量。均熱溫度的另外一個重要作用在于均一半成品中的化學成分。這個是通過重新加熱到預(yù)先設(shè)定的溫度來完成的。低碳鋼的在重新加熱的各個不同階段發(fā)生的變化的示意圖見圖1。這些是(a) 單碳體的增加、 (b) 滲碳體的擴散 (c) 鐵素體轉(zhuǎn)化為奧氏體 (d) 奧氏體晶粒長大以及 (e) 沉淀物的分解。加熱低碳鋼到ac1點的過程中一部分碳被釋放出來。

6、在ac1點奧氏體開始形核。理論上存在2種不同的形核位置:鐵素體和鐵素體晶界和鐵素體與滲碳體的接觸表面(speich et al 1969)。奧氏體在鐵素體與滲碳體的表面的形核是靠本身的碳和猛的熱力學動力推動的(lenel and honeycombe 1984)。微合金元素的沉淀不能抑制奧氏體形核(hirsch and parker 1981)。當奧氏體晶核與滲碳體萬千融合以形成奧氏體時,它將會迅速吞并周圍的滲碳體晶粒。如果t是90%的半徑為r的滲碳體分解的時間,那么t = 10 r2/dc (hillert et al 1971),其中dc是碳在奧氏體中的擴散系數(shù)。給定r = 1 µ

7、;m, dc = 2.5*107 cm2/s (大約 0 1% c) 在1000°c (smith 1953), t = 1/4 s。但是,眾所周知碳很容易被溶解在其中的溶質(zhì)元素mn, mo, cr等取代從而使?jié)B碳體變成(fe, mn, cr, mo)3c而不是fe3c (thomson and bhadeshia 1994; thomson and miller 1998)。滲碳體中的替換元素的高穩(wěn)定能量使其溶解性降低(speich et al 1981)。因此,滲碳體轉(zhuǎn)換成奧氏體的能力減小的現(xiàn)象便顯而易見。 圖1 再加熱溫度對微的結(jié)構(gòu)影響 圖2 析出物的分解動力學類似的,其他沉淀

8、物的分解尤其是aln, vc, vn, nb(cn), tin也取決于溫度與時間(圖2)(easterling 1992).當調(diào)整重新加熱溫度的時候這些因素都需要被考慮進去。未溶解的沉淀物,尤其是溶解溫度> 1250°c以及 1150°c的nb(cn),通過連接奧氏體晶界抑制奧氏體晶粒長大(cuddy 1985)。影響最大的是tin (表3)。不同碳和鈮含量水平的鋼中nb(cn) 的分解溫度在表1中給出(lamberigts and greday 1974)。數(shù)據(jù)顯示在1150°c以上的低碳鋼中未溶解的沉淀物是不能夠連接奧氏體晶界的。表1 奧氏體中鈮的分解溫

9、度3壓下規(guī)程的影響壓下規(guī)程是厚板變成中厚板和帶鋼的一系列壓縮次序。壓下規(guī)程由于影響再結(jié)晶與沉淀動力學通過一個大的寬展影響產(chǎn)品最終的特性。之前奧氏體的熱應(yīng)力(流動應(yīng)力)知識推算出了厚板的壓下規(guī)程公式,用它來調(diào)整軋機的壓下螺絲以獲得一個精確地尺寸,從而避免軋制失誤。當奧氏體變形時,它的位錯密度增加。動態(tài)靜態(tài)回復(fù)伴隨著奧氏體中的二次晶粒長大而發(fā)生(mcqueen and jonas 1973)。微合金元素由于阻礙了位錯的運動從而提高了奧氏體(圖4)的熱應(yīng)力(zidek et al 1969; tamura et al 1988)。大量關(guān)于鐵原子尺寸的不同最大化的使熱應(yīng)力增加(表 2) (mcquee

10、n and jonas 1973)從而導(dǎo)致局部扭曲。數(shù)據(jù)同時顯示當壓下溫度較低時會引起熱應(yīng)力的顯著增加。間隙碳在900°c時由于它的高擴散率,其對熱應(yīng)力的影響不大。之后分解的沉淀物由于與位錯的交互作用,同樣增加熱應(yīng)力。如圖4所示鈮,碳氮化合物在一個含0 06% c, 1 25% mn, 0 32% si, 0 075% nb, 0 024% ti,0 035% al的鋼中(siciliano and jonas 2000)。圖4 微合金元素和析出物對奧氏體熱應(yīng)力的影響在計算奧氏體的熱應(yīng)力的文獻中有許多公式清楚給出了計算不同軋制溫度時奧氏體應(yīng)力方式。下面給出了兩個著名的公式用來分別計算

11、中厚板(mctegart and gattins 1976)和帶鋼(siciliano and jonas 2000)在不同應(yīng)變水平時的狀態(tài)。表2 尺寸系數(shù)對奧氏體熱應(yīng)力的影響 (1) 其中,kp是奧氏體的熱應(yīng)力,r是壓縮比(0.10.4),n是工件硬化系數(shù)( 0.2),是軋制時的真實應(yīng)變率(220 s1),t是軋制溫度(°k)。a0, a1, a2以及a3的值見表3(mcqueen and jonas 1973)。另外一個用來計算cmn和微合金熱軋帶鋼平均流動應(yīng)力的公式是 (2)其中t是軋制溫度(°k),是真應(yīng)變,是真應(yīng)變率,為動態(tài)再結(jié)晶軟化系數(shù),是靜態(tài)應(yīng)力。k是一個吧流

12、動應(yīng)力轉(zhuǎn)換成為平均流動應(yīng)力的參數(shù)=1.14.表3 平均屈服應(yīng)力系數(shù)鋼a0a1a2a3低碳鋼0.49516.621.3-357.2低合金鋼-1.78564.619.9-368.5不銹鋼1.40745.322.2-485.53.1回復(fù)過程回復(fù)過程,發(fā)生在奧氏體在一定的溫度范圍變形的時候,與其圍觀結(jié)構(gòu)的變化有很重要的聯(lián)系。在中厚板和帶鋼的生產(chǎn)中,動態(tài)回復(fù)、靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶是重要的恢復(fù)過程(mctegart and gattins 1976)。在熱力學上,當金屬變形后,它處在一個高能級并且不穩(wěn)定的狀態(tài)。如果可能的話,它會它會盡量通過一系列恢復(fù)過程來降低點缺陷的密度來降低自身的自由能從而回到平衡狀態(tài)

13、。即動態(tài)回復(fù)、靜態(tài)回復(fù)和靜態(tài)再結(jié)晶如圖5所示(hensel and lehnert 1973)。假設(shè)位錯的消失是回復(fù)與再結(jié)晶的驅(qū)動力,那么靜態(tài)再結(jié)晶的驅(qū)動力則來自再結(jié)晶晶界遷移所帶來的單位體積儲存能的降低(hansen et al 1980)。這里給出了公式 (3)圖 5 回復(fù)過程示意圖其中µ是切變模量=7*104 mpa, b是伯格斯矢量=2.5*1010還有r是變形區(qū)域位錯密度的改變和再結(jié)晶晶界的遷移2*1014對于每種材料都有靜態(tài)回復(fù)的停止溫度(borato et al 1988)如公式 (4) 圖6 低碳鋼和elc鋼的軋制規(guī)程示意圖圖7 鈮微合金鋼再結(jié)晶(a)和析出(b)的動

14、力如果變形溫度高于tnr將會得到由靜態(tài)再結(jié)晶產(chǎn)生的等軸晶奧氏體結(jié)構(gòu)。(圖6)。低于tnr再結(jié)晶將會變得遲緩。合金元素和沉淀物通過牽制效應(yīng)和鏈接作用分別影響奧氏體晶界從而阻礙靜態(tài)再結(jié)晶(meyer et al 1971)。當條件有利于應(yīng)變誘導(dǎo)沉淀的時候?qū)畲蟪潭鹊淖璧K再結(jié)晶(圖7)(lebon and rofes vernis 1976; ouchi and sampei 1976)。對于鈮化鋼,引起最大程度的誘導(dǎo)沉淀的溫度是 900°c(圖7)。應(yīng)變誘導(dǎo)的沉淀是非常細膩的(37 nm)。它與屈服應(yīng)力沒有多大的關(guān)系因為當熱加工時它會變得粗糙。除此之外,通常在熱軋帶鋼軋制過程中前2架精

15、軋機處的高應(yīng)變和溫度會引發(fā)動態(tài)回復(fù)(robiller and meyer 1980)。動態(tài)應(yīng)變重要的應(yīng)變(kwon et al 1998)是: (5)其中是原始尺寸,e是真應(yīng)變,z是zener-holomon參數(shù)=exp(312000/rt),是真應(yīng)變率,r是氣體常數(shù),t是溫度,單位是°k,當應(yīng)變積聚到時,輥縫間便發(fā)生動態(tài)回復(fù)。4.精軋溫度的作用精軋溫度(frt)影響著中厚板和熱軋帶鋼的鐵素體晶粒度和機械性能。frt根據(jù)化學和最終的機械性能進行設(shè)定。frt有5種可能(圖6):(a)奧氏體再結(jié)晶區(qū)域的frt(再結(jié)晶控制軋制),(b)非奧氏體再結(jié)晶區(qū)域,(c)在(a)和(b)邊界上的fr

16、t(d)奧氏體鐵素體區(qū)域的frt以及(e)鐵素體區(qū)域的frt。(a)當frt是在再結(jié)晶控制軋制的奧氏體再結(jié)晶區(qū)域的時候,將會由于將會轉(zhuǎn)變產(chǎn)生再結(jié)晶微觀結(jié)構(gòu)從而得到一個完全奧氏體再結(jié)晶結(jié)構(gòu)。鐵素體在奧氏體晶界形核。轉(zhuǎn)變的鐵素體(da)的尺寸取決于奧氏體晶粒度和從frt的冷卻速率。如果sv是單位體積有效地晶界區(qū)域,sv 1/0 5 dg (underwood1970)則da = 3 75 + 0 18 dg + 1 4 (dt/dt)1/2, (6) dt/dt是750550°c的冷卻速率單位是°c/s,da是轉(zhuǎn)變鐵素體晶粒度單位是µm,dg是冷卻前的奧氏體晶粒度單位

17、是µm。通過再結(jié)晶控制軋制在很多情況下可以免去軋后正火的工序,從而節(jié)省了能源提高了產(chǎn)量。這些在圖8中示意性表示出(最上方曲線)。圖8 鈮微合金鋼的軋制規(guī)程 圖9 微結(jié)構(gòu)顯示鐵素體在nb+v微合金鋼。樣本在未再結(jié)晶奧氏體區(qū)域精軋,冷鹽水淬火,用 2%的nital腐蝕磨光(g奧氏體晶界 d變形帶)(b)如果frt是在非奧氏體結(jié)晶區(qū)域(圖8中間曲線),在微合金鋼中就會產(chǎn)生含有變形帶和孿生帶的伸長奧氏體結(jié)構(gòu) (deardo 1984) 。變形帶在多相上形核將會在鄰近滑移線上產(chǎn)生阻塞從而導(dǎo)致帶的橫向增長(frank and stroh 1952)。在這種情況中鐵素體形核不僅僅在奧氏體晶界上,同

18、時也在變形帶和孿生帶上(inagaki 1983; tanaka 1984; panigrahi et al 1984)。當微合金鋼的非變形奧氏體區(qū)域減少了20%以上的時候就會觀察到變形帶和孿生(圖9)(panigrahi 1981)。在這個條件下sv應(yīng)該包含兩個部分,其中是單位體積的晶界,是變形帶和孿生的表面區(qū)域。由于鐵素體在奧氏體晶界變形帶和孿生帶的形核,將會使轉(zhuǎn)變鐵素體晶粒變得更好(圖9)(panigrahi 1981).。(c)當frt在再結(jié)晶和非再結(jié)晶奧氏體邊界區(qū)域(figure 6)的時候,將會導(dǎo)致鐵素體晶粒度的混合(jones and rothwell 1968)。這個是由于不同

19、種類的奧氏體晶粒的變形(lebon and rofes vernis 1976)。一個在變形中間階段的奧氏體 1050°c,如果在之后不充分變形也能是鐵素體晶?;旌希ㄔ?050°c時厚度減小大約50%)?;旌暇Я?dǎo)致材料缺乏沖進韌性(tanaka 1981)。(d)當frt在兩相區(qū)域(g + a)時(圖8,底部曲線),將會形成變形鐵素體(可能回復(fù)或再結(jié)晶),軟化鐵素體(即再結(jié)晶鐵素體)和珠光體(tanaka 1981)。這些在圖10中示意表示出。可以推定在精軋到兩相區(qū)之前奧氏體已經(jīng)再結(jié)晶成了等軸晶。當溫度降到鋼的ar3線以下的時候鐵素體開始在奧氏體晶界上形核。兩相區(qū)的變

20、形使奧氏體形變硬化,并且重新產(chǎn)生鐵素體晶粒。在溫度的影響下,回復(fù)過程開始,奧氏體和鐵素體同時發(fā)展亞結(jié)構(gòu)(dunne et al 1991)。新形成的奧氏體在變形奧氏體晶界上和奧氏體晶粒內(nèi)的位錯上(priestner and de los rios 1976)。應(yīng)變硬化的鐵素體受溫度、壓下程度和微合金元素影響可以通過再結(jié)晶得到更好的鐵素體晶粒,或者保持在回復(fù)階段或者非回復(fù)階段。微合金元素的沉淀物使亞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定從而延緩再結(jié)晶。由于二次晶粒的晶界墻的作用,奧氏體晶界上新形成的鐵素體將會向內(nèi)生長。當溫度降到ar1的時候,圖10 微合金鋼中鐵素體在兩相軋制區(qū)形核(p, pearlite) 圖11溫軋的含碳

21、量和溫度范圍參與奧氏體轉(zhuǎn)變成珠光體。因此在室溫下將會得到一個擁有良好軟性鐵素體,回復(fù)鐵素體以及有可能有硬化鐵素體和珠光體的結(jié)構(gòu)。這種微結(jié)構(gòu)將會產(chǎn)生最高的應(yīng)力但是由于<110>/rd結(jié)構(gòu)的發(fā)展會產(chǎn)生一定程度的屈服應(yīng)力各向異性(bramfitt and marder 1973)。此外,由于<100>/nd結(jié)構(gòu)的發(fā)展同樣會產(chǎn)生厚度脆化。由于回復(fù)與再結(jié)晶的程度不同其韌性趨于多樣化。由于大角度的晶界的再結(jié)晶鐵素體的存在,將會加強韌性。回復(fù)鐵素體對于對于韌性沒有反作用但是硬化鐵素體將會降低韌性(tanaka 1984)。(e)在鐵素體階段的精軋就是所謂的鐵素體軋制或溫軋(perry

22、 et al 2000; tomitz and kaspar 2000)。它主要運用于特殊低碳鋼( 0 01%)和縫隙自由鋼(hoile 2000)??p隙自由鋼是一種碳含量極端低(30 ppm)低氮(30 ppm)并可附加一些nb/ti的鋼。溫軋有幾個優(yōu)點。特殊低碳鋼(elc)的鐵素體區(qū)域在600800°c時延展(圖11)(barnet and jonas 1999)。精軋溫度線在這個區(qū)域內(nèi)。奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變使軋制符合降低(圖12)(barnet and jonas 1999)。其他的優(yōu)點有提高爐子生產(chǎn)能力、節(jié)省能耗、低浪費和板坯損傷、低軋輥磨損、低冷卻水消耗等。其產(chǎn)品呈現(xiàn)低屈服應(yīng)

23、力、高的延展和低的常態(tài)各向異性。要獲得這些特性就需要在卷曲時完全再結(jié)晶。較低的卷曲溫度提供了不完全的再結(jié)晶和具有低r硬質(zhì)熱帶鋼。較低的板坯重新加熱溫度 1100°c在不影響卷曲過程的的再結(jié)晶的前提下只溶解了少量先前存在的aln沉淀物(jabs 1995)來確保了高的r值。代表性的值1.5并不是罕見的。薄的熱板帶(1 mm)可以在鐵素體軋制中得到。這樣可以通過表面精整來代替后續(xù)的冷軋和退火并且不需要太高的值。通過溫軋得到的鋼的典型成分、機械性能和微觀結(jié)構(gòu)在表4中給出(harlet et al 1993)。圖12 變形溫度對塔蘇低碳鋼(elc)流動 圖13 熱軋帶鋼的軋制規(guī)程應(yīng)力的影響5

24、. 卷曲溫度的影響熱軋帶鋼的卷曲溫度影響鐵素體晶粒大小和尺寸,珠光體的間距層,珠光體層的厚度,晶界滲碳體形態(tài),晶界滲碳體薄層結(jié)構(gòu)以及沉淀物形態(tài)。通過改變精軋溫度和出軋棍道冷卻速率可以控制卷曲溫度。這里有兩種可能(i)低卷曲溫度以及(ii)高卷曲溫度。(i)低的卷曲溫度是在650550°c范圍內(nèi)的。熱軋帶鋼的目的之一就是避免晶粒結(jié)構(gòu)的混合。為了避免晶粒結(jié)構(gòu)的混合,奧氏體在離開精軋機之前需要獲得足夠的儲存能(mctegart and gattins 1976)。圖13示意性的表示出了奧氏體在離開精軋機后的 通過水冷來抑制再結(jié)晶可以保護伸長的奧氏體晶粒尤其是對于鈮合金鋼,盡管受溫度的影響,

25、帶鋼在進入卷曲前的地溫度仍然會在出軋棍道上發(fā)生回復(fù)。在卷曲時,鐵素體在奧氏體晶界上形核并且由于熱力學的過冷它也會在奧氏體內(nèi)部的缺陷上形核 (deardo 1984) 。這個將會導(dǎo)致等軸鐵素體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ы鐫B碳體。更快的卷曲速度和更低的卷曲溫度( 550°c)將會有利于al和n在熱軋帶鋼中保持溶解狀態(tài)(wilson and gladman 1988)和形成非常良好的鐵素體晶粒,更好的晶界碳化物(圖14 a)以及低體積百分比的微合金碳氮化合物。當卷曲溫度在690°c左右的時候晶粒尺寸和碳化物沉淀并不理想(圖 14b)。對于含鈮的低碳鋼(c 0 04%),并不需要太快的出軋棍道冷

26、卻。因為微合金碳化物的存在,奧氏體的再結(jié)晶被延緩了(lebon and rofes vernis 1976),以至于帶鋼在進入卷取機的時候任然能保持伸長奧氏體形態(tài)。這個將會保證熱軋帶鋼得到良好的鐵素體晶粒尺寸以及良好的鈮炭化合物析出(meyer and deboer 1977)。表4 溫軋鋼的化學過程參量和特性圖14卷曲溫度對熱軋帶鋼微結(jié)構(gòu)的影響(ct:低)(p, cementite)圖15卷曲溫度對熱軋帶鋼微結(jié)構(gòu)的影響(ct:高)(ii)高卷曲溫度將會高于a1線。這個是為了一些低碳鋼冷軋和爐箱式退火的需要。(van cauter et al 2000)。當溫度高于a1線的時候,鐵素體和奧氏體

27、在卷曲前并存,此外鋁和氮作為ain析出物出現(xiàn)于熱軋帶鋼中。奧氏體具有更高的炭溶解性將會有很高的含碳量并且在轉(zhuǎn)變成鐵素體后,晶界上開始積聚粗糙滲碳體。其原理在圖15a中表示出。熱軋帶鋼的這種晶界上的通過ain析出形成的粗糙滲碳體對于晶粒的延伸和值都有不利的影響(pickering 1978)。滲碳體組織將會更好,并且通過出軋輥道的精確控冷(圖 16)來保持a1溫度(圖15)可以使鋁和氮保持在固溶體狀態(tài)(houdremont 1956)。這種方式可以減少熱軋帶鋼的卷曲溫度使其低于a1溫度6080°c(721°c)并且仍然保持它在a + g兩相區(qū)域(圖16)為了保證得到足夠的滲碳

28、體層厚度。這種技術(shù)可以保證冷軋和分批退火鋼良好的伸長和值。典型的熱軋板帶鋼的值6 mm (c 0 048, mn 0 22, p 0 01, n 0 006, al 0 02%; frt > ar3, ct : 625°c),冷軋是2.7mm,分批退火是1.40mm (van cauter et al 2000)。圖16 低于a3和a1溫度所增加的冷卻率6.機械性能的過程參數(shù)的影響機械性能的過程參數(shù)對鈮微合金板材和帶材的影響在圖17中表示出。隨著厚板坯重新加熱溫度的增加,鈮鋼的屈服應(yīng)力臨界值(meyer and deboer 1977)會因為nb(cn)的溶解溫度而增加。因為一些nb(cn)

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