CN110284030B - 一种超声波辅助铸造装置及制造铝锂合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及活泼金属熔炼技术领域,提供了一种超声波辅助铸造装置及制造铝锂合金的方法。本发明提供的装置包括熔炼炉、铸造设备和超声波振动系统。本发明增加了超声波振动系统用于辅助铸造,在超声外场的作用下对坩埚和铸模内的宏观温度场、流场、溶质场进行调控,减少结晶相的偏聚,实现高品质铝锂合金铸锭的制备;本发明的装置可以在不同的铸造阶段根据工艺的需要对炉腔内的气氛进行控制,从而增加了整个工艺链的可拓展性。利用该装置制造铝锂合金,能够提升铸锭组织均匀性,抑制粗大晶粒的形成,适用于不同直径的铝锂铸锭生产。
Description
技术领域
本发明涉及活泼金属熔炼技术领域,特别涉及一种超声波辅助铸造装置及制造铝锂合金的方法。
背景技术
铝合金铸锭主要通过在空气气氛中熔化来生产,合金熔体通常在较大容量的保温炉中进行熔化、除气和过滤等操作,所得熔体直接进行冷却铸造热轧,机械加工成各种半成品形式的板坯和坯料,如板材,挤压件和锻件等。铝锂合金的生产工艺与此相同,只是由于合金液中锂元素高活泼特性,使得在铸造过程中需要控制锂元素的还原反应,因此对于铸造装置有相应的要求。
目前,金属锂与任何其他活性金属一样,可以在工业规模的氩/氦气气氛保护环境下进行熔炼。通过在填充有高纯度氩或氦的真空感应或电阻熔化炉中熔化,生产出优质铝锂合金锭。
但是,对于实现高强度、延展性、韧性、疲劳寿命铝锂合金的制备,还需要进一步细化铸造晶粒尺寸。锻造产品的最终晶粒尺寸取决于两个因素:精细的铸态晶粒尺寸和热机械加工过程中的晶粒生长控制。在铸造过程中少量添加细化剂,会引起晶粒细化而基本不影响产品属性,最常用的细化剂是TiBAl中间合金。
但是在添加细化剂的过程中,成分控制不当对铝熔体凝固过程产生不良影响,其次随着铝锂合金的组元数不断增加,细化剂的选择愈发困难,因此需要采取新的技术工艺改善晶粒大小。
此外,锂元素化学性能非常活泼,极容易与氧气、氢气、氮气等发生反应,其铝锂合金的制备对环境气氛要求较高,现有的工艺装备难以对不同铸造阶段的气氛进行控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种超声波辅助铸造装置及制造铝锂合金的方法,本发明提供的装置在炉体上增加了超声辅助铸造装置,且在不同的铸造阶段可以实时熔炼炉内气体环境,使用本发明的装置可以实现高品质铝锂合金铸锭的制备,提升铸锭组织均匀性,抑制粗大晶粒的形成。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
一种超声波辅助铸造装置,包括熔炼炉、铸造设备和超声波振动系统;
所述熔炼炉包括熔炼炉炉体和设置在熔炼炉炉体顶部的熔炼炉炉盖;所述熔炼炉炉体上设置有进气口和真空抽气口;所述熔炼炉炉盖上设置有A开口和B开口;
所述铸造设备位于熔炼炉炉体内部,包括熔炼设备和铸模,所述熔炼设备包括电阻加热炉和位于电阻加热炉内的坩埚,所述坩埚位于A开口的正下方;所述铸模位于熔炼设备的侧下方并且位于B开口的正下方;所述电阻加热炉上设置有转轴,通过转轴转动电阻加热炉将坩埚内熔体倒入铸模中;
所述超声波振动系统包括超声换能器、变幅杆和辐射杆;应用时,所述超声波振动系统的辐射杆自A开口或B开口中插入。
优选的,所述电阻加热炉内设置有温度检测系统;所述铸模内设置有熔体液面高度检测系统。
优选的,所述熔炼炉炉体夹层和电阻加热炉腔体夹层中设置有冷却水系统。
优选的,所述装置还包括搅拌装置,应用时搅拌装置从A开口插入用于搅拌坩埚内的熔体。
本发明提供了一种利用上述方案所述的装置制造铝锂合金的方法,包括以下步骤:
(1)向坩埚中进行第一次加料,然后将熔炼炉封闭,电阻加热炉对坩埚内铸锭进行熔炼,得到熔体;所述第一次加料加入的为纯铝和铜中间合金;
(2)向坩埚中进行第二次加料,对熔炼炉抽真空,在真空条件下对熔体进行第一精炼,得到第一精炼熔体;所述第一次加料加入的为铝-难熔金属中间合金;
(3)向熔炼炉内充入氩气,在保压状态下向坩埚内进行第三次加料并在熔体表面施加覆盖剂,然后对熔炼炉抽真空,在真空条件下进行第二精炼,得到第二精炼熔体;所述第三次加料加入的为铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金;
(4)向熔炼炉内冲入氩气,在保压状态下对第二精炼熔体进行除气、扒渣和静置处理,然后向坩埚内的熔体中施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后,将坩埚内的超声波振动系统移除;
(5)将坩埚内熔体浇注到预热的铸模中,然后对铸模中的熔体施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后将超声波振动系统从铸模中移除;
(6)将铸模冷却后脱模,得到铝锂合金。
优选的,所述步骤(2)和步骤(3)中真空条件的压力独立地为≤5Pa。
优选的,所述步骤(2)中加入铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金的同时对坩埚内熔体进行除气和扒渣。
优选的,所述步骤(4)和步骤(5)中超声波振动系统的超声频率独立地为15~30kHz,功率独立地为500~1500W。
优选的,所述步骤(4)中超声处理的时间为10~20min。
优选的,所述步骤(5)中铸模内熔体温度降至500℃以下时将超声波振动系统移除。
本发明提供了一种超声波辅助铸造装置,包括熔炼炉、铸造设备和超声波振动系统。本发明提供的装置增加了超声波振动系统用于辅助铸造,在真空及保护气体环境条件下,利用超声波的空化效应与声流效应,以物理的方法最大程度降低铝锂合金中的氢含量,以物理场调控冶金的方式细化凝固组织,减少结晶相的偏聚,实现高品质铝锂合金铸锭的制备;此外,本发明提供的装置将熔炼和铸造综合在同一熔炼炉中,且可以在不同的铸造阶段根据工艺的需要对炉腔内的气氛进行控制,炉腔内保护气体和真空环境可以随时切换,从而增加了整个工艺链的可拓展性。
本发明还提供了一种利用所述超声波辅助铸造装置制造铝锂合金的方法,本发明在熔铸升温、精炼的过程中保证炉腔内为真空气氛;而在加料以及超声、除气、扒渣等过程中,向炉腔内通入氩气保护,使得工艺过程在气氛保护下进行;本发明在坩埚中加入超声波振动系统,在超声外场的作用下对坩埚内的宏观温度场、流场、溶质场进行调控;同时在熔体完成浇铸之后,熔体在铸模中凝固时施加超声外场,进一步对液相区宏观温度场、流场、溶质场的调控。本发明提供的方法适用于不同直径的铝锂铸锭生产,能够提升铸锭组织均匀性,抑制粗大晶粒的形成。
附图说明
图1为利用本发明超声波辅助铸造装置的结构示意图,其中:1-进气口,2-真空抽气口,3-铸模,4-熔炼炉炉体,5-熔炼炉炉盖,6-铸模超声波振动系统,7-坩埚超声波振动系统,8-坩埚,9-电阻加热炉,10-链接装置,11-覆盖剂,12-铝熔体,13-A开口,14-B开口;
图2为实施例1制备的铝锂合金铸锭的金相组织图;
图3为实施例2制备的铝锂合金铸锭的金相组织图;
图4为对比例1制备的铝锂合金铸锭的金相组织图;
图5为对比例2制备的铝锂合金铸锭的金相组织图。
具体实施方式
本发明提供了一种超声波辅助铸造装置,如图1所示,包括熔炼炉、铸造设备和超声波振动系统;图1中:1-进气口,2-真空抽气口,3-铸模,4-熔炼炉炉体,5-熔炼炉炉盖,6-铸模超声波振动系统,7-坩埚超声波振动系统,8-坩埚,9-电阻加热炉,10-链接装置,11-覆盖剂,12-铝熔体,13-A开口,14-B开口。
在本发明中,所述熔炼炉包括熔炼炉炉体和设置在熔炼炉炉体顶部的熔炼炉炉盖;所述熔炼炉炉体上设置有进气口和真空抽气口,所述进气口和真空抽气口优选设置在熔炼炉炉体侧面底部;所述熔炼炉炉盖上设置有A开口和B开口;本发明对所述A开口和B开口的尺寸没有特殊要求,根据超声波振动系统的辐射杆尺寸以及搅拌系统的搅拌棒尺寸进行设计即可;所述A开口、B开口、进气口和真空抽气口优选设置有密封盖,当需要对熔炼炉密封时,使用密封盖将A开口、B开口、进气口和真空抽气口密封。在本发明中,所述熔炼炉炉盖和熔炼炉炉体优选通过链接装置连接,以方便熔炼炉炉盖的关闭和打开。
在本发明中,所述熔炼炉内还优选设置有气压传感器,用于检测炉腔内压力。本发明对所述气压传感器的种类没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的气压传感器,能够起到检测炉腔内压力的作用即可。
在本发明中,所述铸造设备位于熔炼炉内部,包括熔炼设备和铸模,所述熔炼设备包括电阻加热炉和位于电阻加热炉内的坩埚,所述坩埚位于A开口的正下方,即A开口的中心线和坩埚的中心线重合;所述铸模位于熔炼设备的侧下方并且位于B开口的正下方,即B开口的中心线和铸模的中心线重合;本发明将坩埚和铸模分别设置在A开口和B开口的正下方,以确保在施加超声波振动系统时,超声波能作用于熔体中心。
在本发明中,所述电阻加热炉上设置有转轴,通过转轴转动电阻加热炉将坩埚内熔体倒入铸模中;本发明对所述坩埚和铸模的材质没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的即可;在本发明的具体实施例中,所述铸模的规格优选根据目标铸锭的尺寸进行选择,本发明的装置适用于铸造不同直径的铝锂合金铸锭。
在本发明中,所述电阻加热炉内优选还设置有温度检测系统,所述铸模内优选还设置有熔体液面高度检测系统,当铸模内熔体液面高度超出规定高度时,熔体液面高度检测系统会发出信号。本发明对所述温度检测系统和熔体液面高度检测系统没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的上述系统,能实现温度检测和液面高度检测的功能即可。
在本发明中,所述熔炼炉炉体夹层和电阻加热炉腔体夹层中优选还设置有冷却水系统,本发明通过设置冷却水系统可以提高整个装置的安全性。
在本发明中,所述超声波振动系统包括超声换能器、变幅杆和辐射杆,所述辐射杆的长度优选为350mm,直径优选为50mm;所述超声换能器与超声波电源连接产生超声振动,变幅杆放大振幅,辐射杆则与作用对象直接接触发射超声波;所述超声波振动系统具体为压电式驱动系统;本发明优选设置两套超声波振动系统,分别为坩埚超声波振动系统和铸模超声波振动系统,应用时,两套超声波振动系统的辐射杆分别自A开口和B开口中插入,从而对坩埚和铸模的熔体施加超声。本发明对所述超声波振动系统的具体结构没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的即可。
在本发明中,所述装置还包括搅拌装置,应用时搅拌装置从A开口插入用于搅拌坩埚内的熔体;本发明对所述搅拌装置的具体形式没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的装置,能够起到搅拌作用即可。
本发明提供的装置优选还包括若干工艺夹具,用于固定超声波振动系统和搅拌装置。
本发明提供了一种利用上述方案所述的装置制造铝锂合金的方法,包括以下步骤:
(1)向坩埚中进行第一次加料,然后将熔炼炉封闭,电阻加热炉对坩埚内铸锭进行熔炼,得到熔体;所述第一次加料加入的为纯铝和铜中间合金;
(2)向坩埚中进行第二次加料,对熔炼炉抽真空,在真空条件下对熔体进行第一精炼,得到第一精炼熔体;所述第二次加料加入的为铝-难熔金属中间合金;
(3)向熔炼炉内充入氩气,在保压状态下向坩埚内进行第三次加料并在熔体表面施加覆盖剂,然后对熔炼炉抽真空,在真空条件下进行第二精炼,得到第二精炼熔体;所述第三次加料加入的为铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金;
(4)向熔炼炉内冲入氩气,在保压状态下对第二精炼熔体进行除气、扒渣和静置处理,然后向坩埚内的熔体中施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后,将坩埚内的超声波振动系统移除;
(5)将坩埚内熔体浇注到预热的铸模中,然后对铸模中的熔体施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后将超声波振动系统从铸模中移除;
(6)将铸模冷却至室温后脱模,得到铝锂合金。
本发明向坩埚中进行第一次加料,然后将熔炼炉封闭,电阻加热炉对坩埚内铸锭进行熔炼,得到熔体。在本发明中,所述第一次加料加入的为纯铝和铜中间合金;铜熔点较高,将铜中间合金先加入坩埚中进行熔炼,可以保证熔炼的均匀性。
在本发明中,所述熔炼的温度和保温时间根据本领域技术人员的经验进行确定,能够将坩埚内铸锭熔炼为均匀的熔体即可;在本发明中,所述熔炼的温度优选为750℃,保温时间优选为30min。
向坩埚中进行第二次加料,对熔炼炉抽真空,在真空条件下对熔体进行第一精炼,得到第一精炼熔体。在本发明中,所述第二次加料加入的为铝-难熔金属中间合金,所述铝-难熔金属中间合金的种类根据所铸造的目标铝锂合金的组成进行选择即可,具体的如Al-Zr中间合金、Al-Mn中间合金等;第二次加料完成后,本发明优选对坩埚内熔体进行除气和扒渣处理。
扒渣处理后,本发明优选使用真空泵从真空抽气口对熔炼炉进行抽真空;在本发明中,所述真空条件的压力优选为≤5Pa,更优选为≤3Pa;到达真空要求后,本发明开始进行第一精炼;所述第一精炼的温度优选为750℃,时间优选为25min;本发明在真空状态下进行精炼,可以避免氧化物的生成;在本发明中,所述二次加料起到调整熔体中合金元素浓度的作用。
第一精炼完成后,本发明向熔炼炉内冲入氩气,在保压状态下进行第三次加料,并在熔体表面施加覆盖剂,然后对熔炼炉抽真空,在真空条件下进行第二精炼,得到第二精炼熔体。在本发明中,氩气通过进气口进入熔炼炉炉腔内,炉腔内的压强升高到0.1Mpa以上时进入保压状态,此时向坩埚中进行加料,本发明在保压状态下进行加料,能够保证炉腔内压力为正,避免空气进入炉腔内。
在本发明中,所述第三次加料加入的为铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金;所述铝-活泼金属中间合金的种类根据所铸造的目标铝锂合金的组成进行选择即可,具体的如Al-Mg中间合金。
本发明对所述覆盖剂的种类没有特殊要求,使用本领域技术人员熟知的精炼剂即可;在本发明中,所述第三次加料后抽真空的方法以及真空条件的压力和上述方案一致,在此不再赘述。
在本发明中,所述第一次加料、第二次加料和第三次加料均使用加料装置从A开口加入坩埚中。
在本发明中,所述第二精炼的温度优选为720℃,时间优选为20min。
第二精炼完成后,本发明向熔炼炉内充入氩气,在保压状态下对第二精炼熔体进行除气、扒渣和静置处理,然后向坩埚内的熔体中施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后,将坩埚内的超声波振动系统移除。在本发明中,所述氩气通过进气口进入熔炼炉炉腔内,炉腔内的压强升高到0.1Mpa以上时进入保压状态,此时对坩埚内熔体进行除气、扒渣和静置处理;所述静置处理的时间优选为5min。
在本发明中,所述坩埚内超声波振动系统的辐射杆没入坩埚内熔体液面以下的深度优选为50~80mm,更优选为50~60mm,超声频率优选为15~30kHz,更优选为20~25kHz,功率优选为500~1500W,更优选为800~1200W;对坩埚内熔体进行超声处理的时间优选为10~20min,更优选为15min。
坩埚内熔体超声处理完成后,将坩埚内熔体浇注到预热的铸模中,然后对铸模中的熔体施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后将超声波振动系统从铸模中移除。在本发明中,所述铸模的预热温度优选为300℃,本发明优选将铸模预热到要求温度后再放入熔炼炉中;在本发明中,所述铸模内超声波振动系统的超声频率优选为15~30kHz,更优选为20~25kHz,功率优选为500~1500W,更优选为800~1200W;本发明优选根据目标铸锭的长度和直径确定辐射杆没入铸模内熔体液面以下的深度,具体的,当目标铸锭的长度为1000~2000mm,直径为100~300mm时,辐射杆没入铸模内熔体液面以下的深度优选为50~80mm,更优选为70~80mm;铸模内熔体温度降至500℃以下时将超声波振动系统移除。
在本发明中,对坩埚内熔体和铸模内熔体施加超声的过程均在氩气保护下进行。本发明在氩气保护环境下,采用超声辅助铸造装置对铝锂合金进行处理,在超声外场的作用下对坩埚和铸模内的宏观温度场、流场、溶质场进行调控,通过超声空化及声流搅拌作用,调整熔铸以及凝固过程中组织的均匀性,最终提升铸锭组织均匀性,抑制粗大晶粒的形成。
铸模内超声波振动系统移除后,本发明将铸模冷却后脱模,得到铝锂合金。本发明优选由进气口向熔炼炉内充入压缩空气将铸模冷却至室温,然后再进行脱模,脱模后即完成铸造,得到铝锂合金铸锭。
下面结合实施例对本发明提供的方案进行详细的说明,但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例制备2195铝锂合金,具体成分见表1;
表1 2195铝锂合金成分范围(%,质量百分含量)
使用图1所示装置进行铸造,过程如下:
(1)首先将干燥的纯Al、Cu中间合金金属铸锭预先放置在坩埚8中,同时熔炼炉炉体4、熔炼炉炉盖5进行封闭,电阻加热炉9开始工作,加热到750℃电阻加热炉进行保温;
(2)进行二次加料其中包括Al-Zr、Al-Mn中间合金,同时对熔体进行除气扒渣等工艺,开启真空泵机组通过图中炉体上真空抽气出口2抽掉炉腔内的空气,通过气压传感器测得炉腔内的压强降低到5Pa以下的压力值时,并对熔体在坩埚8内进行精炼;
(3)精炼完成后氩气通过氩气进气口1冲入炉腔内,通过气压传感器测得炉腔内的压强升高到0.1Mpa压力值时进入保压状态,此时进行第三次投料,包括Al-Li、Al-Mg、Al-Ag中间合金,并在坩埚8熔体表面施加覆盖剂11,再次开始开启真空泵机组通过图中炉体上真空抽气出口2抽掉炉腔内的空气,通过气压传感器测得炉腔内的压强降低到5Pa以下的压力值时,开始进行二次精炼;
(4)精炼完成后氩气通过氩气进气口1冲入炉腔内,通过气压传感器测得炉腔内的压强升高到0.1MPa压力值时进入保压状态,并对熔体进行除气、扒渣、静置处理。然后在坩埚8中施加超声铸造设备7,辐射杆没入熔体液面下50mm,保持20分钟,超声频率为15kHz,功率为500W;
(5)预加热铸模3至300℃,撤出坩埚8中施加超声铸造设备,对铸模进行浇注,同时在铸模中施加超声铸造设备6,辐射杆没入熔体液面下80mm,超声频率优选为30kHz,功率为800W,温度降到500℃以下从熔体中撤出超声铸造设备;
(6)从进气口1向熔炼炉中充入压缩空气,将铸模3冷却至室温,脱模完成铸造。
实施例2
其他步骤和实施例1相同,仅将步骤(4)中对坩埚内熔体进行超声处理的时间改为10min。
对比例1
其他步骤和实施例1相同,仅省略对坩埚内熔体和铸模内熔体施加超声的过程。
对比例2
其他步骤和实施例1相同,仅省略对坩埚内熔体和铸模内熔体施加超声的过程,并在第三次投料中加入Al-5Ti-1B细化剂。
图2~5分别为实施例1~2和对比例1~2所得铝锂合金铸锭芯部的金相图,图2~5的标尺均为2μm;从图2~5中可以看出,实施例1~2所得铝锂合金铸锭的晶粒组织明显比对比例1~2更加均匀,且没有粗大晶粒形成。这说明本发明提供的对熔炼和铸造过程中施加超声的方法能够提高熔铸和凝固过程中组织的均匀性,抑制粗大晶粒的形成,可以得到高质量的铝锂合金铸锭。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种利用超声波辅助铸造装置制造铝锂合金的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)向坩埚中进行第一次加料,然后将熔炼炉封闭,电阻加热炉对坩埚内铸锭进行熔炼,得到熔体;所述第一次加料加入的为纯铝和铜中间合金;
(2)向坩埚中进行第二次加料,对熔炼炉抽真空,在真空条件下对熔体进行第一精炼,得到第一精炼熔体;所述第二次加料加入的为铝-难熔金属中间合金;
(3)向熔炼炉内充入氩气,在保压状态下向坩埚内进行第三次加料并在熔体表面施加覆盖剂,然后对熔炼炉抽真空,在真空条件下进行第二精炼,得到第二精炼熔体;所述第三次加料加入的为铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金;
(4)向熔炼炉内充入氩气,在保压状态下对第二精炼熔体进行除气、扒渣和静置处理,然后向坩埚内的熔体中施加超声波振动系统进行超声处理;超声处理完成后,将坩埚内的超声波振动系统移除;
(5)将坩埚内熔体浇注到预热的铸模中,然后对铸模中的熔体施加超声波振动系统进行超声处理,超声处理完成后将超声波振动系统从铸模中移除;
(6)将铸模冷却后脱模,得到铝锂合金;
所述步骤(3)中加入铝锂中间合金和其他铝-活泼金属中间合金的同时对坩埚内熔体进行除气和扒渣;所述步骤(5)中铸模内熔体温度降至500℃以下时将超声波振动系统移除;
所述超声波辅助铸造装置包括熔炼炉、铸造设备和超声波振动系统;
所述熔炼炉包括熔炼炉炉体和设置在熔炼炉炉体顶部的熔炼炉炉盖;所述熔炼炉炉体上设置有进气口和真空抽气口;所述熔炼炉炉盖上设置有A开口和B开口;
所述铸造设备位于所述熔炼炉炉体内部,包括熔炼设备和铸模,所述熔炼设备包括电阻加热炉和位于电阻加热炉内的坩埚,所述坩埚位于A开口的正下方;所述铸模位于熔炼设备的侧下方并且位于B开口的正下方;所述电阻加热炉上设置有转轴,通过转轴转动电阻加热炉将坩埚内熔体倒入铸模中;
所述超声波振动系统包括超声换能器、变幅杆和辐射杆;所述超声振动系统包括两套,分别为坩埚超声波振动系统和铸模超声波振动系统,应用时,两套超声波振动系统的辐射杆分别自A开口和B开口中插入;
所述装置还包括搅拌装置,应用时搅拌装置从A开口插入用于搅拌坩埚内的熔体。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(2)和步骤(3)中真空条件的压力独立地为≤5Pa。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(4)和步骤(5)中超声波振动系统的超声频率独立地为15~30kHz,功率独立地为500~1500W。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤(4)中超声处理的时间为10~20min。
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