CN102471906A - 用于电解池的有沟阳极 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于供用于金属电解池(1)的预烤阳极(4)的碳阳极块(13,13a-13e),该阳极块包括:一个顶面(24);一个底面(23),其被布置为与阴极(9)的顶面相对;以及四个侧面(21,22,34),并且该阳极块包括通向所述侧面中的至少一个的至少一个第一沟(31a-31e),其中所述第一沟在平行于所述底面的平面中具有最大长度Lmax,其中,所述第一沟不通向所述底面或所述顶面,或者在小于所述最大长度Lmax的一半的长度L0上通向所述底面或所述顶面。
Description
技术领域
本发明涉及使用Hall-Héroult方法的火法电解制铝,更具体地涉及在制铝工厂中使用的包括由碳制成的阳极块的预烤阳极、这种阳极块的生产方法以及用于生产这种阳极块的设备。
背景技术
金属铝在工业上是使用众所周知的Hall-Héroult方法通过火法电解制备的,即是通过在熔融冰晶石浴——被称为电解浴——中的氧化铝溶液中电解制备的。所述电解浴被容纳在槽中,所述槽包括内侧覆有耐火和/或绝热材料的钢容器,以及位于所述槽的底部的阴极元件。由含碳材料制成的阳极块被局部地浸入所述电解浴。每个槽和对应的阳极形成了常被称为电解池的设施。经由所述阳极和所述阴极元件在所述电解浴以及可能地在一层液态铝中循环的电解电流,导致氧化铝的还原反应,而且使得有可能通过焦耳效应(effet Joule)将电解浴的温度维持在大约950℃。
法国专利申请FR 2.806.742(对应于美国专利US 6.409.894)描述了为制铝而设计的电解工厂中的装置。
根据最普遍的技术,电解池包括多个由含碳材料制成的所谓待被“预烤”的阳极,这些阳极在铝电解还原反应期间被消耗。
气体,尤其是二氧化碳,在电解反应期间被生成,且自然地以气泡形式聚集在所述阳极的通常基本平坦且水平的底表面下,这影响所述槽的总体稳定性。
这些气泡的聚集导致:
-电变化和不稳定,
-阳极效应的高频率和长持续时间,
-逆反应的可能性增加从而产率损失,因为所产生的铝层与CO2泡之间的距离短,
-碳消耗增加且形成有害气体,因为CO2在与碳接触时发生CO2向CO的转变。
具有在下部包括一个或多个沟的含碳阳极块的预烤阳极的使用是已知的;这促进移除气泡及防止它们聚集,以解决上述问题并降低能量消耗,如在Light Metals 2005“Energy saving in Hindalco’sAluminum Smelter”,S.C.Tandon & R.N.Prasad中所示。所述沟使得有可能缩短阳极下的气泡从电极之间的空间逸出的平均自由路径,从而减小在阳极下形成的气泡的尺寸。
使用沟的价值已经被研究和证实,例如在Light metals 2007p.305-310“The impact of slots on reduction cell individualanode current variation”,Geoff Bearne,Dereck Gadd,Simon Lix,或Light metals 2007 p.299-304“Development and deployment ofslotted anode technology at Alcoa”,Xiangwen Wang等人中。
它也从下列文献已知:
-WO 2006/137739,其使用比普遍使用的沟(大约8至20mm)更精细的沟(大约2至8mm)以优化有用的含碳量和交换表面;
-US 7179353,其使用包括沟的阳极块,所述沟通向所述阳极块的单侧或侧表面,尤其朝向所述电解池的中心以增进氧化铝分解。
由以下事实导致了使用这些沟的一个众所周知的限制:所述沟距阳极块的底表面的深度是受限的,以不妨碍含碳阳极块的机械和物理完整性。然而在电解反应期间含碳阳极块在大于所述沟的深度的高度上逐渐消耗,从而阳极的沟的持续时间短于该阳极的寿命。因此,对于阳极寿命期间的一段时间,阳极块的下部不再具有任何沟。于是上述无沟阳极的问题变得显著。
如在Light metals 2007 p.299-304“Development anddeployment of slotted anode technology at Alcoa”中所述,主要在沟通过模塑形成在粗坯阳极块上的情况下,沟的深度因完整性原因而受限,使得仅能在阳极寿命的一部分期间观察到由沟的存在导致的有益效果。所述沟造成了粗坯阳极块中的弱点,所述粗坯阳极块继而在运输、存储或烤制期间裂开。
在实践中也证实了,通过锯切烤制过的阳极块来可靠地获得将被消耗的具有像阳极块的高度一样深的沟的阳极是困难和昂贵的。由锯切片施加的机械应力和振动导致碳块破碎、开裂然后爆裂。另外,阳极锯切还被证实是一种昂贵的手段,尤其是考虑到锯切设备的高成本、所要求的大量能量以及由锯切产生的粉末的收集和处理。
用于普遍使用的阳极的阳极块的尺度是大约1200至1700mm长、500至1000mm宽、550至700mm高,具有深度通常在150和350mm之间的一至三个沟。
对于具有400mm的可消耗碳高度和一个250mm深的沟的一个600mm高的阳极块,该沟仅在该阳极的寿命的62.5%期间产生有益效果。
本发明的第一目的是提出另一类型的阳极,该阳极可解决在阳极下聚集的气体的移除问题,而当阳极块被生产、存储、运输或使用时阳极块的完整性不受影响。
本发明的另一目的是提出使得能够克服上述缺点的阳极,即,提出如下阳极:其产生较长时间的有益效果,而当阳极块被生产、存储、运输或使用时阳极块的完整性不受影响。
发明内容
为此,本发明的主题是一种用于供用于金属电解池中的预烤阳极的碳制阳极块,该阳极块包括:一个顶面;一个底面,其用来被布置为与阴极的顶面相对;以及四个侧面,并且该阳极块包括通向所述侧面中的至少一个的至少一个第一沟,其中所述第一沟在平行于所述底面的平面中具有最大长度Lmax,其中,所述第一沟不通向所述底面或所述顶面,或者在小于所述最大长度Lmax的一半的长度L0上通向所述底面或所述顶面。
换言之,本发明的第一沟在构成所述阳极块的材料的中心形成了凹陷,该凹陷在所述沟的部分长度上不通向所述底面或所述顶面。
所述阳极块的顶面还包括至少一个安装凹陷,并且所述阳极块的底面被设计为当使用时被浸没在电解浴中。如现有技术中已知的,“沟”意指延伸的、深度在50和500mm之间且宽度在5和40mm之间的基本竖向的凹陷。
这样的第一沟,当它在显著的长度上通向所述底面时,即,在所述阳极块受到一定量的损耗之后,对于位于阳极块底面以下的体积具有降低电解浴的湍流且降低湍流的动能的效果。湍流的降低在阳极块以下的区域中尤其有利,因为它减轻了溶解在电解浴中的金属的再氧化。
这样的第一沟因其主要部分形成于所述材料的中心而保持了所述阳极块的结构完整性,从而保持了所述阳极块的物理抗性。于是,用这样的第一沟——其与现有技术中已知的沟相比具有较小的通向阳极块外面的表面,与材料的中心相比更倾向于经受应力且更倾向于裂开的外封装被弱化的程度较小。
所述沟通向所述阳极块的单个侧面或两个相对侧面,以促进所述阳极块下聚集的气体的移除。
根据本发明的一个具体实施方案,所述沟可以具有相对于水平稍微倾斜小于10°的角度的底部,以增进气体移除,并将所移除的气体引导至所述槽中预先确定的位置——例如引导至加载氧化铝的点,以促进氧化铝的搅动和溶解——尤其朝向所述电解池中的中央廊道。
本发明的第一沟的特殊和创新形状赋予了它全效的时期,其从现有技术的从底面形成的沟中脱颖而出。由于第一沟不通向底面或在较短的长度上通向底面,它在阳极块被浸入电解槽的第一时刻对于气体移除是无效的或者效率有限。第一沟在阳极块损耗一定量之后——当沟的通向底面的长度增加时——达到全效。
因此,至少一个第一沟与来自现有技术的至少一个第二沟在用于阳极的阳极块中的联合尤其有利。“第二沟”意指这样的沟:其在平行于所述底面的平面中具有最大长度L’max,并且在等于L’max的长度L’0上或基本等于L’max的长度L’0上——例如当所述阳极块的底边被倒角时——通向所述底面。
因此,当一个新的阳极被安装在电解槽中时,所述第二沟使得可以移除在阳极下聚集的气体,并且当所述第二沟因所述阳极块的损耗而消失时,所述第一沟接管对在阳极下聚集的气体的移除。所述第一沟和所述第二沟的有效时期可以交叠,即,所述第一沟和所述第二沟可以在相对于所述底面的相同深度处共存,或者它们可以稍微分离。
所述阳极块可以包括一个或多个第一沟以及一个或多个第二沟。各个沟的方向可以不同;所述第一沟可以,例如,垂直于所述第二沟。
由此,与来自现有技术的阳极块——其中碳消耗或损耗导致从有效沟到无沟的转变——相比,可发现本发明的包括至少一个第一沟和至少一个第二沟的阳极块存在从第二沟到第一沟的转变,这避免了流体动力的扰乱和突然变化以及相关的电平衡问题,并且有助于例如适应性的调节。
根据本发明的一个有利的具体实施方案的一个实施例,所述阳极块包括两个第二沟和一个第一沟,所述第一沟和所述第二沟在阳极块的纵向方向上平行延伸,并且所述第一沟布置在所述两个第二沟之间的一半距离处。所述第一沟在平行于所述底面的平面中相对于所述两个第二沟偏移,从而允许优化保持所述阳极块的物理完整性。
根据一个有利的实施方案,所述第一沟通向所述底面的长度L0小于所述最大长度Lmax的25%,优选地小于所述最大长度Lmax的10%。所述第一沟通向所述底面的长度L0越小,所述阳极块的物理完整性越好。因此,一个优选实施例对应于所述沟不通向所述底面的情况。所述第一沟通向所述底面主要由如下制造方法实现,该方法因为容易实施而尤其有利,其中:
-将薄片(lame)插入振动压实机(vibro-tasseuse)的铸模内;
-向所述振动压实机铸模中装载构成所述阳极块的含碳材料;
-振动压实所述含碳材料;以及
-将如此形成的阳极块从所述铸模中移除,尤其通过相对于所述薄片滑动来移除。
根据另一实施方案,在从所述铸模中抽出所述薄片之后从铸模中移除所述阳极块。
根据本发明的一个有利的实施方案,在装载之前,所述薄片被固定至所述铸模的底部。
根据本发明的另一有利的实施方案,在装载之前,所述薄片被固定至所述铸模的一个侧壁或两个相对侧壁。
本发明扩展至阳极,所述阳极具有至少一个上述的阳极块以及一个固定杆。
本发明还扩展至一种用于通过火法电解制铝的池,该池包括至少一个上述的阳极,并且本发明还扩展至一种用于制铝的方法,该方法包括下列步骤:
-提供至少一个上述的阳极;
-将所述阳极安装在铝电解槽中;
-发送电流到所述电解槽中使之通过所述阳极;
-回收通过电解在所述电解槽的底部获得的铝。
下面使用附图更详细地描述本发明。
附图说明
图1是一个典型的用于制铝的电解池的横截面视图。
图2A和2B给出了根据本发明的阳极块的一个实施方案的正视图。
图3示出了图2A和2B中的阳极块沿着剖面A-A的剖面视图,以突显第一沟的形状。
图4是待被固定到铸模中以在制造图2和3中的粗坯阳极块期间形成第一沟的薄片的正视图。
图5-7是与图3相似的剖面视图,示出了第一沟的其他特殊形状。
图8A和8B分别给出了根据本发明的阳极块的另一实施方案的正视图。
具体实施方式
用于制铝的电解工厂包括液态铝生产区域,液态铝生产区域包括一个或多个具有电解池的电解车间。所述电解池一般排列成行或列,每一行或列通常包括多于一百个池,并且使用连接导体串联电连接。
如图1所示,电解池1包括:槽2;支撑结构体3,其被称为“超结构体”,携带多个阳极4;装置5,其为该槽供应氧化铝和/或AlF3;以及装置12,其回收该槽在运作中排出的流出物。槽2通常包括:钢罐壳6,其内部衬有耐火材料7、8;阴极单元,其包括由含碳材料制成的被称为“阴极块”的块9,所述块被布置在该槽的底部;以及金属连接棒10,电导体11被固定至金属连接棒10,金属连接棒10用来供应电解电流。每个阳极4包括至少一个由预烤的含碳材料制成的可消耗的阳极块13,以及金属杆14。阳极块13通常具有基本平行六面体的形状。杆14通常经由紧固件15固定至阳极块13,紧固件15通常被称为“多足件(multipodes)”,包括锚定在阳极块13——一般经由该阳极块的顶面中的凹陷36——中的销。阳极4通过机械固定手段以可移除的方式被固定到可移动的金属框架16上,金属框架16被称为“阳极框架”。阳极框架16由超结构体3承载,并被固定至用来供应电解电流的电导体(未示出)。
耐火材料7、8和阴极块9在槽2内形成了熔炉,当池1在运作中时该熔炉能够容纳电解浴17和一层液态金属18。大体上,氧化铝和固化浴的覆层19覆盖了电解浴17以及阳极块13的全部或部分。
阳极4,具体地是阳极块13,被局部地浸没在电解浴17中,电解浴17含有溶解的氧化铝。初始每个阳极块13具有通常地大致平坦的底面,该底面平行于阴极块9的一般水平的顶面。阳极块13的底面和阴极块9的顶面之间的距离——被称为“极间距离”——是调节电解池1的重要参数。极间距离一般被以高精度控制。
在使用期间含碳阳极块被逐渐消耗。为了补偿这一损耗,当前的做法是通过有规律地向下移动阳极框架来逐渐降低阳极。另外,如图1所示,各个阳极块一般处在不同的损耗阶段,这有利地避免了须同时更换全部阳极。
图2A、2B和3示出了根据本发明的阳极块13a的第一实施方案。阳极块13a通常是直角平行六面体形状的,在通常竖向的两个相对短侧面21与22之间的长度为L,且在通常水平的底面23与顶面24之间的高度为H。如图2A、2B和3所示,顶边可以被切掉以限制碳损失。阳极块被设计为待被消耗至箭头25指示的最大损耗高度。
阳极块13a包括一个第一沟31a和两个第二沟32和33。
第二沟32、33一般在长度L的方向上贯穿阳极块。图2A和2B——其示出了阳极块13a的相对短侧面21、22——示出了第二沟32、33在其整个长度上通向底面23,并且通向这两个短侧面。因此,第二沟32、33在等于它们各自的最大长度L’max而且等于L的长度L’0上通向底面23。在底边被切掉的情况下,长度L’max和L’0也基本相等,因为所切掉的部分是不显著的。
为了容易理解,在图中没有严格遵照比例,尤其是对于沟的宽度,沟的宽度通常在5和40mm之间,而阳极块的对应于短侧面的宽度一般在550和700mm之间。在图2A、2B中(而且在图8A和8B中),虚线被用来表示通过透视看到的面的不可见部分。图3是阳极沿着穿过第一沟31的剖面A-A的视图,以更具体地示出第一沟31的形状。
第一沟31a在其长度上包括:
第一部分I,其在含碳材料的中心形成穿孔或凹陷,且不通向阳极块13a的底面23;
第二部分II,其通向阳极块13a的底面23。
因此,当阳极块13a是完整的时候,第一沟31a的形状像一个侧着放的L,并且在第一部分I上包括底部40和下壁42而在第二部分II上仅包括底部40。
第一沟31a通向阳极块13a的两个短侧面21、22,用于移除在该阳极下聚集的气体。因此第一沟31a在平行于底面的平面中的最大长度Lmax等于该阳极的长度L。相对比,第一沟31a在短于该最大长度的长度L0上通向底面23。为了保持该阳极块的物理完整性和足够的抗性,同时维持显著的气体排放特性,申请人认为,L0必须小于Lmax的一半,优选地小于Lmax的25%,更优选地小于Lmax的10%。
第一沟31a在第二沟32、33之间的一半距离处平行延伸,以尽可能保持阳极块13a的物理完整性和抗性。
如在图2A和2B中可见的,第二沟32、33具有底部44,其在阳极块13a中与第一沟31a的下壁42位于相同高度。因此,当第二沟32、33被损耗且消失时,该第一沟的第一部分I接管,允许气体被移除。
阳极块13a以及由阳极块13a形成的阳极允许有效地连续移除在电解槽中形成的气体。
图2A、2B中还用虚线示出了凹陷51,凹陷51形成如下部位:“多足件”的销可以固定在其内。在这一实施例中,阳极块13a具体地示出了布置成两行的六个凹陷36。此外,这些凹陷非常狭窄,因此对阳极块结构的完整性几乎没有影响。
制造阳极块的常规方法的一个改变形式导致了第一沟31a的第二部分II的存在,所述第二部分通向阳极的底面,所述阳极的底面将被布置为与位于电解槽的底部的阴极的顶面相对。由于第二部分II是阳极块脆化的根源,试图减小其长度以减小其影响,从而本发明限于如下的阳极块:在该阳极块中,长度L0小于Lmax的一半,优选地小于Lmax的25%,更优选地小于Lmax的10%。
一种制造有沟阳极块的常规方法包括:将构成阳极块的材料引入总体为平行六面体形状的铸模,该铸模包括固定在其底部的一个或多个薄片,以通过互补性形成沟。然后,通过加压或振动压实将该阳极块的材料压实,抬升该铸模的侧面,将该阳极块推出该铸模的底部。在推动期间,更具体地使得该阳极块相对于所述薄片滑动。根据一个变体,该薄片在推动之前被抽出。
图4示出了用来在振动压实机中获得根据本发明的第一沟31a的薄片46。薄片46更具体地包括用于将该薄片固定在该铸模的底部的装置48。用于固定的装置48更具体地由螺钉构成。该薄片的用于固定的部分更具体地对应于第一沟31a的第二部分II。
如在图4中可见的,薄片46还可以包括,例如,切口50,切口50与设置在该铸模的侧面的可反转固定装置互补。尽管是可选的,这一在与用于将薄片46固定在该铸模的底部的装置48相对的端部的固定允许该薄片被适当地维持在该铸模中,尤其是竖直地和/或侧向地。如此维持该薄片使得能改进阳极生产的品质,尤其是降低阳极在焙烤期间的破裂率,以及延长较不易于弯曲的薄片的寿命。当从该铸模中移除阳极块13a时,切口50的可反转固定装置释放,该铸模的侧面抬升且该阳极块相对于薄片46滑动。
另外,该薄片可以有利地在该薄片的接近于薄片46的固定装置48的端部相对于该铸模的侧壁固定。该第二可反转固定装置——其可以例如由在该铸模的侧壁中形成的沟构成,并且该薄片的端部在其中滑动并停驻到位——的使用,也限制了该薄片的移动、变形和磨损。
根据该制造方法的一个变体,薄片46可以以可拆除的方式安装在铸模中,从而薄片46可以在阳极块13a被推出该铸模之前被从阳极块13a中抽出。
图5示出了另一阳极块13b,阳极块13b具有第一沟31b,该第一沟包括相对于水平倾斜的底部40,以提高气体移除的速度,且促进气体被移除到电解槽中的特定点。底部40相对于水平的斜率更具体地在1°和10°之间。
在图6中示出了另一阳极块13c,阳极块13c具有第一沟31c,该第一沟在平行于底面的平面中具有短于阳极块13c的长度L的最大长度Lmax,且通向阳极块13c的单个侧面22。第一沟31c的通向底面23的长度L0小于Lmax的一半,以保持该阳极块的物理完整性和抗性,同时维持显著的气体排放特性。
图7示出了另一阳极块13d,阳极块13d具有第一沟31d,该第一沟在两个相对短侧面21、22之间延伸贯穿阳极块13d的材料,而不通向阳极块31d的底面23。这样的第一沟31d尤其有利,因为它不影响阳极块在底面23的水平处的整体性。于是被插入到用于模塑该阳极块的振动压实机铸模中的薄片附接至该铸模的侧面,而不附接至该铸模的底部。该铸模的相对侧壁可以,例如,设置有两个呈缝的形状的洞,薄片在其中滑动、被维持悬挂并借助锁定设备固定。与薄片夹握装置关联的放置和缩回柱可以被用来在装载阳极构成材料之前将该薄片在该铸模中放置到位,并在卸载该铸模之前从未加工的已压实的阳极块和该铸模中抽出该薄片。
本发明还扩展至仅包括一个或多个第一沟而没有第二沟的阳极块。该阳极块的结构完整性由此将与没有沟的阳极块相似,且在第一沟在显著长度上通向底面的期间内会获得改进的气体移除。
本发明不限于上述实施方案,而是扩展至本领域技术人员在上文给出的信息的启示下可获得的所有实施方案。
第二沟的底部和第一沟的下壁可以,例如,被设置在稍微不同的高度,使得第一沟和第二沟在一段时间中共存,或者,相对比,使得在第二沟已经损耗殆尽之后且第一沟有效地出现之前有一段时间没有任何有效沟。第一沟或第二沟的数量可以多样,它们各自的位置和/或取向也可以多样。
因此,在图8A和8B中,分别示出了另一阳极块13e沿着短侧面21和长侧面34的正视图。阳极块13e包括纵向延伸的两个第二沟32、33,以及侧向延伸且不通向底面23的四个第一沟31e。因此,第一沟31e与第二沟32、33横断地延伸。第二沟的底部44有利地位于第一沟31e的下壁42下方,这防止通过各个沟的交叉弱化阳极块13e的抗性。
根据本发明的变体,第二沟可意指现有技术中已知类型的、在等于或基本等于其最大长度的长度上通向底面的任何沟。第二沟尤其可以是在专利文献WO 2006/137739或US 7 179 353中已知的类型。
Claims (16)
1.一种用于供用于金属电解池(1)的预烤阳极(4)的碳制阳极块(13,13a-13e),包括:一个顶面(24);一个底面(23),其用来被布置为与阴极(9)的顶面相对;以及四个侧面(21,22,34),并且所述阳极块包括通向所述侧面中的至少一个的至少一个第一沟(31a-31e),其中所述第一沟在平行于所述底面的平面中具有最大长度Lmax,其中,所述第一沟不通向所述底面或所述顶面,或者在小于所述最大长度Lmax的一半的长度L0上通向所述底面或所述顶面。
2.根据权利要求1所述的阳极块,其中所述第一沟通向所述阳极块的两个相对侧面(21,22)。
3.根据前述权利要求之一所述的阳极块,包括至少一个第二沟(32,33),所述至少一个第二沟在平行于所述底面的平面中具有最大长度L’max,并且在基本等于L’max的长度L’0上通向所述底面。
4.根据权利要求1至3之一所述的阳极块,包括多个第一沟。
5.根据权利要求3所述的阳极块(13a-13d),包括两个第二沟(32,33)和一个第一沟(31a-31d),其中所述第一沟和所述第二沟在阳极块的纵向方向上平行延伸,并且其中所述第一沟布置在所述两个第二沟之间的一半距离处。
6.根据前述权利要求之一所述的阳极块(13d,13e),其中所述第一沟(31d,31e)不通向所述底面(23)或所述顶面(24)。
7.根据前述权利要求之一所述的阳极块(13a-13c),其中所述第一沟在小于所述最大长度Lmax的一半的长度L0上通向所述底面(23)。
8.根据权利要求7所述的阳极块,其中所述第一沟通向所述底面的长度小于所述最大长度Lmax的25%,优选地小于所述最大长度Lmax的10%。
9.一种预烤阳极(4),包括至少一个根据前述权利要求之一所述的阳极块。
10.一种用于通过火法电解制铝的池(1),包括多个阳极(4),其中,所述阳极中的至少一个是根据权利要求9所述的阳极。
11.一种用于制铝的方法,包括下列步骤:
-提供至少一个根据权利要求9所述的阳极;
-将所述阳极安装在铝电解槽中使之在阴极上方;
-发送电流到所述电解槽中使之通过所述阳极;
-回收通过电解在所述电解槽的底部获得的铝。
12.一种用于制造根据权利要求1至9之一所述的阳极块的方法,其中:
-将薄片(46)插入振动压实机铸模内;
-向所述振动压实机铸模中装载构成所述阳极块的含碳材料;
-振动压实所述含碳材料;以及
-将如此形成的阳极块从所述铸模中移除。
13.根据权利要求12所述的方法,其中在移除所述阳极块之前从所述铸模中抽出所述薄片。
14.根据权利要求12所述的方法,其中所述阳极块是通过相对于所述薄片滑动而移除的。
15.根据权利要求12至14之一所述的方法,其中所述薄片(46)被固定至所述铸模的底部。
16.根据权利要求12至15之一所述的方法,其中所述薄片(46)被固定至所述铸模的一个侧壁或两个相对侧壁。
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