CN114641105B - 一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,金属包壳的底端设置有端部内六角,金属包壳的顶端设置有固定连接件,固定连接件上设置有瓷头子,金属包壳内部从上至下依次间隔设置有多个陶瓷模块,陶瓷模块之间设置有陶瓷绝缘模块,陶瓷模块内设置有电热丝,每个电热丝的正极和负极分别与导电棒的一端电连接,导电棒的另一端伸出至瓷头子的外部;沿金属包壳的侧壁轴向对称设置有长度不同的热电偶,热电偶的一端伸出至瓷头子外部。具有成本低廉,安全稳定,结构简单,便于制造的优点。

Description

一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒
技术领域
本发明属于核反应堆热工水力学实验技术领域,具体涉及一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒。
背景技术
核反应堆包容堆芯冷却剂的回路任何地方发生破裂时,或者回路中安全阀及泄压阀卡开等都会造成冷却剂流失,这种事故统称为冷却剂丧失事故,冷却剂为水时,也叫失水事故。导致失水事故的原因有很多,包括不同尺寸的破口事故。其中大破口失水事故发生概率极小,但鉴于其发生后的严重后果,在设计反应堆安全系统时需要考虑到发生大破口事故后的应急处理及处理效果。
极限假设下,垂直放置的反应堆燃料棒由于冷却剂丧失,堆芯燃料棒完全裸露,无冷却剂包覆堆芯棒束,加上反应堆应急停堆后,棒束内核燃料存在衰变热,燃料棒温度持续升高,威胁堆芯安全。应急处理为冷却堆芯棒束启动再淹没程序,即从燃料棒底部灌水,水位从棒束底部开始到完全淹没棒束顶部。在这一过程中,棒束表面温度会到达最高温度,然后再下降。为保证反应堆堆芯安全,通过实验分析这一过程热工水力现象是十分必要的。
实验中常以电加热棒来模拟反应堆堆芯燃料棒,从而研究不同工况下的热工水力学特性。但真实反应堆燃料棒轴向衰变热功率持续存在,并且沿燃料棒轴向垂直高度由低到高常呈现正弦分布规律,这是实验中模拟真实情况的技术难点之一。目前,电加热棒有两种形式,一是以耐热钢管为外包壳,内置电热丝提供热源,二者之间填充绝缘材料,这种方式会限制加热棒的工作温度和热流密度;二是直接对耐热钢管通大电流产生热量加热流体,这种方式在高温下,长钢管容易受热膨胀,加上管壁薄,容易受流体影响发生振动。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足,提供一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,能随时监测加热棒内壁的温度,安全可靠,结构简单,便于制造和使用。
本发明采用以下技术方案:
一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,包括金属包壳,金属包壳的底端设置有端部内六角,金属包壳的顶端设置有固定连接件,固定连接件上设置有瓷头子,金属包壳内部从上至下依次间隔设置有多个陶瓷模块,陶瓷模块之间设置有陶瓷绝缘模块,陶瓷模块内设置有电热丝,每个电热丝的正极和负极分别与导电棒的一端电连接,导电棒的另一端伸出至瓷头子的外部;沿金属包壳的侧壁轴向对称设置有长度不同的热电偶,热电偶的一端伸出至瓷头子外部。
具体的,陶瓷绝缘模块上分别对称设置有第一通孔和第三通孔,第一通孔用于安装导电棒,第三通孔用于安装热电偶。
具体的,陶瓷模块上对应开有用于安装热电偶、导电棒和电热丝的第三通孔、第一通孔和第二通孔,第三通孔、第一通孔和第二通孔分别对称设置。
具体的,热电偶为N型热电偶。
具体的,电热丝为螺旋状结构,在陶瓷模块内呈U字型布置。
具体的,端部内六角和顶部固定连接件上均设置有外螺纹。
具体的,端部内六角与金属包壳之间设置有底部非加热段。
具体的,固定连接件与金属包壳的顶端采用焊接方式连接,固定连接件的壁厚大于金属包壳的壁厚。
具体的,固定连接件与金属包壳之间填充有绝缘耐热胶。
具体的,金属包壳、陶瓷绝缘模块和陶瓷模块内均填充有陶瓷填充物,陶瓷填充物为氧化镁粉末。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,金属包壳的底部安装端部内六角,顶部安装固定连接件,固定连接件上设置瓷头子,端部内六角便于加热棒的底部固定,固定连接件壁厚更厚,外部有螺纹,配合端部内六角,固定加热棒顶端,防止金属壁变形、破裂,瓷头子用于导通加热棒内部与外部,并使热电偶丝,导电棒之间的绝缘,并防止包壳内容物露出;金属包壳内部从上至下依次间隔设置有多个陶瓷模块,陶瓷模块之间设置有陶瓷绝缘模块,陶瓷模块内设置有电热丝,每个电热丝的正极和负极分别与导电棒的一端电连接,导电棒的另一端伸出至瓷头子的外部,陶瓷绝缘模块能将各段陶瓷模块分隔开,并且将相邻陶瓷模块内加热丝之间绝缘;每段电热丝分别与导电棒连接,形成并联回路,便于直接根据不同的轴向加热功率分布情况设计不同长度的加热丝;沿金属包壳的侧壁轴向对称设置有长度不同的热电偶,可根据试验设计测量加热棒不同轴向的温度,有利于测量多根加热棒组成的加热棒束中同一根加热棒不同周向位置的壁面温度。
进一步的,陶瓷绝缘模块放置于多段陶瓷模块之间,用于多段电热丝之间的绝缘以及导电棒的贯通连接。
进一步的,陶瓷模块上开设通孔,用于包容该段的电热丝和经过该段的热电偶以及导电棒,对电热丝之间进行绝缘,并将电热丝的热量导出。
进一步的,采用N型热电偶,在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好,耐低温性能好,另外,在400~1300℃范围内,N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好,更符合再淹没实验的高温温区。
进一步的,电热丝在各自的加热段区域内螺旋状缠绕,能够根据设计工况的不同,缠绕的螺距疏密程度不同,在小功率区域,电热丝螺距更密,在有限的轴向长度内排布更长的电热丝,电阻更大,产生热量更少;电热丝采用U字型结构,能减少电气连接带来的损耗;电热丝之间互不连通便于独立调节各段电热丝发热能力。
进一步的,端部内六角和固定连接件的外壁面设置有螺纹,能用于加热棒在实验时的顶端固定。
进一步的,通过底部非加热段固定轴向非均匀间接电加热棒的底端。
进一步的,固定连接件与金属包壳采用焊接方式连接,连接可靠,同时加厚的壁面能与格架连接时防止包壳损坏,且连接更稳定。
进一步的,采用绝缘耐热胶,用于实现热电偶之间,导电棒之间,以及热电偶和导电棒之间的绝缘以及固定位置,封闭金属包壳的顶端,堵塞氧化镁陶瓷粉末。
进一步的,选用氧化镁粉末作为陶瓷填充物,绝缘性好,能密实地填充在管内各组件之间地间隙,以此能隔绝金属包壳及其内部导线之间连接,同时将电热丝产生的热量较快地传导到金属包壳,还能在压力高的情况下支撑金属包壳,避免金属包壳因受压变形影响其性能,甚至出现破裂的情况。
综上所述,本发明的装置能对金属包壳进行轴向不均匀加热,能很好地模拟核燃料棒轴向功率分布不均匀的特性。
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图;
图2为陶瓷模块装配局部图;
图3为陶瓷模块装配图,其中,(a)为陶瓷绝缘模块,(b)为陶瓷模块;
图4为本发明实验数据图。
其中:1.热电偶;2.第一电热丝;3.导电棒;4.陶瓷填充物;5.底部非加热段;6.端部内六角;7.瓷头子;8.固定连接件;9.第二电热丝;10.第三电热丝;11.金属包壳;12.绝缘耐热胶;13.陶瓷绝缘模块;14.陶瓷模块;15.第一通孔;16.第二通孔;17.第三通孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
应当理解,当在本说明书和所附权利要求书中使用时,术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在,但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解,在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样,除非上下文清楚地指明其它情况,否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解,在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合,并且包括这些组合。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的,其中为了清楚表达的目的,放大了某些细节,并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的,实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差,并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,能够在干燥状态下加热到高温(1050℃)条件下,由冷水自下而上淹没并冷却,通过两个热电偶实现对金属包壳的轴向非均匀加热,能很好地模拟核燃料棒轴向功率分布不均匀的特性。
请参阅图1,本发明一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,包括:
热电偶1,用于测量金属包壳11的壁温。
导电棒3,用于连接电热丝,并将电流引入电热丝。
底部非加热段5,用于固定轴向非均匀间接电加热棒的底端。
端部内六角6,用于封闭金属包壳11的底部,防止在淹没实验时水从轴向非均匀间接电加热棒的底部进入金属包壳11内破坏内部导电线之间的绝缘效果;
瓷头子7,设置在固定连接件8的上部,用于封闭金属包壳11的顶部。
固定连接件8,设置在金属包壳11的上部,用于固定轴向非均匀间接电加热棒的顶端。
电热丝,为U形结构,包括多段,从上至下依次包括第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10,第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10依次间隔设置在金属包壳11内,用于将电能转化成热能;
金属包壳11,用于导出热量,包容陶瓷模块14、陶瓷绝缘模块13及其包容物,将冷却剂和电热丝隔离。
顶部非加热段,位于第一加热丝2与固定连接件8之间,由金属包壳及包壳内陶瓷组成,用于插入到上腔室,内部有陶瓷模块,无加热丝,模拟燃料棒的不加热段。
陶瓷绝缘模块13,放置于多段陶瓷模块14之间,用于多段电热丝之间的绝缘以及导电棒3的贯通连接。
陶瓷模块14,对应电热丝设置,包括多段,用于包容该段的电热丝和经过该段的热电偶1以及导电棒3,对电热丝之间进行绝缘,并将电热丝的热量导出。
端部内六角6的一侧与底部非加热段5的底端焊接连接,底部非加热段5的顶端与金属包壳11底端焊接连接;陶瓷模块14依次间隔设置在金属包壳11内,第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10分别设置在对应的陶瓷模块14内,陶瓷绝缘模块13设置在陶瓷模块14之间,金属包壳11、陶瓷绝缘模块13和陶瓷模块14内均填充有陶瓷填充物4;固定连接件8的底端与金属包壳11的顶端焊接连接,固定连接件8的内部设置有绝缘耐热胶12,瓷头子7设置在固定连接件8的顶端;热电偶1的一端对称设置在金属包壳11内,另一端与外部电源连接;导电棒3的一端分别与第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10焊接连接,另一端与外部电源连接,热电偶用于测温,轴向非均匀是通过第一、第二和第三加热丝的螺旋绕丝的匝数和直径不同,从而各段加热丝总长度不同导致的电阻不同,发热量也不同来模拟的。
具体的:
热电偶1,选用N型热电偶,因为在1300℃以下调温抗氧化能力强,长期稳定性及短期热循环复现性好,耐低温性能好,另外,在400~1300℃范围内,N型热电偶的热电特性的线性比K型偶要好,更符合再淹没实验的高温温区。
第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10均为U字型结构,采用铁铬铝合金能承受大电流,高温的工作环境;第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10在金属包壳11内的轴向位置不一样,用于模拟燃料棒的轴向不均匀发热的实际情况。
其中,第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10与导电棒3直接电连接,形成并联通路,第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10之间加热互不干扰;在各自的加热段区域内螺旋状缠绕,能够根据设计工况的不同,缠绕的螺距疏密程度不同,在小功率区域,电热丝螺距更密,在有限的轴向长度内排布更长的电热丝,电阻更大,产生热量更少。
导电棒3采用多根软铜丝拧制成的一股,软铜丝延展性、导电性好,多股拧制增大其电流承受能力,使用两股软铜丝分别接入电源的正负两极;与U型电热丝焊接简单方便更稳定,且能减少复杂电气连接带来的损耗。
陶瓷填充物4选用氧化镁模块压制成的粉末,绝缘性好,能密实地填充在管内各组件之间地间隙,以此能隔绝金属包壳11及其内部导线之间连接,同时将电热丝产生的热量较快地传导到金属包壳11,还能在压力高的情况下支撑金属包壳11,避免金属包壳11因受压变形影响其性能,甚至出现破裂的情况。
端部内六角6与实心的底部非加热段5之间采用焊接方式连接,部件连接更稳定。
端部内六角6上设置有便于配合顶部固定连接件8的外螺纹,将加热棒固定在实验腔内。
瓷头子7用于封闭加热棒的顶端,堵塞固定连接件8内的绝缘耐热胶12,瓷头子7上开有四个孔,分别用于导通两根导电棒3和两根热电偶1。
固定连接件8与金属包壳11的顶端采用焊接方式连接,固定连接件8的壁厚大于金属包壳11的厚度,固定连接件8的外壁面设置有螺纹,能用于加热棒在实验时的顶端固定,同时加厚的壁面能与格架连接时防止金属包壳11损坏,且连接更稳定。
固定连接件8的内部填充绝缘耐热胶12,用于实现热电偶1之间,导电棒3之间,以及热电偶1和导电棒3之间的绝缘以及固定位置,封闭金属包壳11的顶端,堵塞氧化镁陶瓷粉末。
金属包壳11采用310S不锈钢,强度较高,耐热性较好,能包容内部电热丝和陶瓷填充物4,将其与水隔离,同时能较好地传导电热丝产生的热量。
其中,金属包壳11的外径9.0~10.0mm,用于模拟反应堆堆芯内实际燃料棒的几何尺寸。外径过小会增大金属包壳内部陶瓷块的加工难度,过大在缩管的加工过程中会增大与设计值之间的误差。
请参阅图2和图3,陶瓷绝缘模块13上设置有第一通孔15和第三通孔17,第一通孔15用于安装导电棒3,第三通孔17用于安装热电偶1;陶瓷模块14上对应开有用于安装热电偶1、导电棒3和电热丝的第三通孔17、第一通孔15和第二通孔16。
将氧化镁陶瓷粉末分别压制成四孔的陶瓷绝缘模块13和六孔的陶瓷模块14,其上有第一通孔15,第二通孔16和第三通孔17,不同之处在于陶瓷绝缘模块13上无第二通孔16。
其中,第一通孔15的孔径大于第二通孔16的孔径,第二通孔16的孔径大于第三通孔17的孔径。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此,以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围,而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
按照实验要求对陶瓷模块进行装配,再利用缩管工艺,将加热棒加工成符合要求的尺寸形状。
主要部件的加工步骤如下:
电热丝加工步骤:
根据三段加热区域的设计功率计算区域内所需电热丝长度,再根据区域的长度将电热丝加工成螺旋状,并弯曲成U字型。
陶瓷绝缘模块13和陶瓷模块14的加工步骤:
先加工成陶瓷毛坯,然后根据不同组件尺寸要求对陶瓷毛坯进行精加工,最终制成用于加热段绝缘的陶瓷绝缘模块13的外径尺寸9.8mm,沿轴向有第一通孔15和第三通孔17两种尺寸的通孔各两个,通孔对称布置,该段用于两加热段电热丝绝缘、导电棒的电气联通以及热电偶通道;最终制成陶瓷模块14的外径9.8mm,沿轴向有大直径的第一通孔15,中等直径的第二通孔16,小直径的第三通孔17三种尺寸的通孔各两个,相同直径通孔对称布置。
金属包壳11的加工步骤:
考虑到缩管加工将装配好的加热管件拉长,在设计金属包壳11时,将金属包壳11的长为1320mm,外径为11.5mm,壁厚为0.65mm的金属薄壁圆环。
本发明一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒的制作装配过程如下:
先将U形结构的电热丝插入到陶瓷模块14上第一通孔15和第二通孔16中,接头向上,三段陶瓷套管相同操作;
使用导电棒3依次插入非加热段的陶瓷绝缘模块13,陶瓷绝缘模块13的长为140mm,外径为9.8mm;
装有第一电热丝2的陶瓷模块14;长4mm,外径为9.8mm的陶瓷绝缘模块13;
装有第二电热丝9的陶瓷模块14;长4mm,外径为9.8mm的陶瓷绝缘模块13;
装有第三电热丝10的陶瓷模块14的第一通孔15中;
并将第一电热丝2、第二电热丝9和第三电热丝10的接头与导电棒3焊接;
考虑缩管增加的长度后,将热电偶1的测温点沿陶瓷模块14的第三通孔17插入实验设计需要的对应测温位置,组装成陶瓷套管组件;
将组装好的陶瓷套管组件装入采用310S不锈钢制成的金属包壳11中,使用缩管机将金属包壳11压制成9.5mm的轴向非均匀间接电加热棒,并在金属包壳11顶端的固定连接件8中加入绝缘耐热胶12,使用瓷头子7组装在轴向非均匀间接电加热棒的顶端。
请参阅图4,在垂直放置的非均匀加热棒加热至试验设计温度,然后停止加热,20s后常温冷却水从加热棒底部开始淹没、冷却加热棒的数据图(其中热电偶12在顶部,热电偶8在底部)。从实验数据图中可以看出来,常温冷却水注入后,加热棒壁面过热度足够大,加热棒表面形成汽膜,表面换热能力相对较低,随着过热度减小,水接触加热棒,换热能力增大,加热棒温度迅速减小,发生骤冷,而随着时间增大,骤冷前沿逐渐向顶部推进,棒出口位置热电偶的骤冷较底部骤冷更迟。综上,加热棒设计能捕捉到相应的实验数据,能为此后的机理模型开发提供依据。
综上所述,本发明一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,能够模拟实际情况中轴向不均匀加热的反应堆燃料棒,同时对轴向壁面温度进行监测,轴向非均匀间接电加热棒的耐压能力较高,组件之间相互绝缘;具有成本低廉,安全稳定,结构简单,便于制造的优点。
以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,包括金属包壳(11),金属包壳(11)的底端设置有端部内六角(6),金属包壳(11)的顶端设置有固定连接件(8),固定连接件(8)上设置有瓷头子(7),金属包壳(11)内部从上至下依次间隔设置有多个陶瓷模块(14),陶瓷模块(14)之间设置有陶瓷绝缘模块(13),陶瓷绝缘模块(13)上分别对称设置有第一通孔(15)和第三通孔(17),第一通孔(15)用于安装导电棒(3),第三通孔(17)用于安装热电偶(1),陶瓷模块(14)上对应开有用于安装热电偶(1)、导电棒(3)和电热丝的第三通孔(17)、第一通孔(15)和第二通孔(16),第三通孔(17)、第一通孔(15)和第二通孔(16)分别对称设置,陶瓷模块(14)内呈U字型设置有螺旋状结构的电热丝,每个电热丝的正极和负极分别与导电棒(3)的一端电连接,导电棒(3)的另一端伸出至瓷头子(7)的外部;沿金属包壳(11)的侧壁轴向对称设置有长度不同的热电偶(1),热电偶(1)的一端伸出至瓷头子(7)外部,轴向非均匀间接电加热棒的外径为9.5mm。
2.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,热电偶(1)为N型热电偶。
3.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,端部内六角(6)和顶部固定连接件(8)上均设置有外螺纹。
4.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,端部内六角(6)与金属包壳(11)之间设置有底部非加热段(5)。
5.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,固定连接件(8)与金属包壳(11)的顶端采用焊接方式连接,固定连接件(8)的壁厚大于金属包壳(11)的壁厚。
6.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,固定连接件(8)与金属包壳(11)之间填充有绝缘耐热胶(12)。
7.根据权利要求1所述的基于双温度传感器的轴向非均匀间接电加热棒,其特征在于,金属包壳(11)、陶瓷绝缘模块(13)和陶瓷模块(14)内均填充有陶瓷填充物(4),陶瓷填充物(4)为氧化镁粉末。
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