TW505699B - A direct smelting process - Google Patents

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505699 經 濟 部 智 慧 財 產 局 員 工 消 費 合 作 社 印 製 A7 B7 五、發明說明（ 本發明係關於一種於含熔融浴之冶金容器由含金屬 進料例如礦、部分還原礦且含金屬廢料流生產熔融金屬（ 該詞包括金屬合金），特別但非排它地為鐵之方法。 本發明特別係關於由含金屬進料生產熔融金屬之基 於熔融金屬浴之直接熔煉方法。 一種由含金屬進料直接生產熔融金屬之方法俗稱「 直接溶煉」方法。 一種已知直接熔煉方法俗稱羅梅特（R〇meh)方法係基 於使用大谷積，且咼度擾動的爐〉查浴作為溶煉頂進料金屬 氧化物成為金屬介質，以及用於後燃燒氣態反應產物及視 需要傳熱而繼續熔煉金屬氧化物。羅梅特方法包括將富氧 空氣或氧氣透過下排風嘴注入爐渣提供爐渣攪動，以及經 由上排風嘴將氧氣注入爐渣内部提供後燃燒。羅梅特方法 中，金屬層並非主要反應介質。 另類已知之直接炫煉方法係基於爐渣方法，俗稱 「深部爐渣」方法。此等方法例如〇1〇8及八131方法係 於形成具有3區之爐渣深層，換言之··一上區用於已注 氧氣後燃燒反應氣體，一下區用於熔煉金屬氧化物成為 屬；及一中區其分隔上區與下區。如同羅梅特方法，爐 層下方之金屬層並非主要反應介質。 另一種已知之直接熔煉方法係仰賴熔融金屬層作1 反應介質，且俗稱高熔煉（HIsme⑴方法述於國際專利申請 案PCT/AU96/00197 (W〇96/3 1627)，申請人同本案申請人 項

訂 基 入 金 渣 為 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)AiS721〇x 297公爱） 4 A7 ----B7____ 五、發明說明（2 ) 國際申請案敘述之高溶煉方法包含·· ⑷於容器形成炫融浴具有_金屬層及—爐潰層於金 屬層上； (b) 於浴内注入： ⑴含金屬進料，典型為金屬氧化物；及 (π)固體含碳材料，典型為煤，其係作為金屬氧化物 之還原劑以及能源；以及 (c) 熔煉金屬層之含金屬進料成為金屬。 鬲熔煉方法也包含於浴上方空間使用含氧氣體後燃 燒，中釋放的反應氣體如⑶及％，以及將後燃燒產生的 熱里傳熱至浴，而促成熔煉含金屬進料所需熱能。 高熔煉方法也包含形成一過渡區段於名目寂靜的浴 表面上方，過渡區段中有熔融金屬及/或爐渣之上升以及 隨後下降的小滴或潑濺或流，其提供有效介質將浴上方經 由後燃燒反應氣體產生的熱能傳熱至浴。 本發明之目的係提供一種改良直接熔煉方法。 根據本發明提供一種直接熔煉含金屬進料之方法， 該方法包含下列步驟： (a) 供給含金屬進料及煤至一預還原容器； (b) 於預還原容器部分還原含金屬進料及大致脫揮發 物的煤，以及產生經部分還原之含金屬進料及焦炭； (C)供給步驟（b)產生的經部分還原的含金屬進料及焦 炭至一直接炫煉容器； (d)_供給預熱空氣或富氧空氣至直接熔煉容器；及 _ 本紙張尺度 _ 巾 X ---— — lllllllll — · I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) · :綉· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ----------B7 ______五、發明說明（3 ) σσ ()用#、、、厌作為能源以及作為還原劑於直接熔煉容 器直接溶煉該經部分還原的含金屬進料成為炫融金屬 丨 ，以及❹預熱空氣或富氧空氣後燃燒於直㈣煉過程產 纟的反應氣體至後燃燒程度大於鳩，而產生直接炫練反 應所需熱，以及維持金屬於熔融態。 ο方法特別’但絕非排它地係有關介質及含高揮發 性煤。中揮發性煤表示煤含有20，重量％揮發物。高揮 發性煤於此處表示煤含有超過30重量％揮發物。 於中及冋揮發性煤之例’本發明之基礎係實現於將 煤引進直接熔煉容器之前大致使此類煤脫去揮發性，因此 可使用預熱空氣或富氧氣體作為後燃燒用之含氧氣體於 7 0 /ί>後燃燒私度經濟地操作直接炼煉過程。 較佳步驟（b)產生部分還原之含金屬進料具有預還原 度低於65%。 較佳富氧空氣之氧濃度係低於50容積〇/〇。 「貫質脫揮發物」表示由煤去除至少7〇重量％揮發物 (請先閱'讀背面t注意事項寫 本頁) 裝、· I - 丨綠· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 「後燃燒」一詞定義為： __ [C02] + [H20] + [CO] + [H2] 此處： [c〇2]=c〇2於廢氣之容積％ ; [H2〇]=H2〇於廢氣之容積％ ; [c〇]=c〇於廢氣之容積％ ;及 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 505699 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 __B7_ 五、發明說明（4 ) [H2] =112於廢氣之容積％。 「廢氣」一詞於此處定義為藉熔煉反應及後燃燒產 生之氣體’但於選擇性添加任何進一步含碳進料例如天然 氣至該氣體之前。 較佳該方法包括預先加熱步驟（d)之空氣或富氧空氣 至80(M400°C範圍之溫度，及隨後供給預熱空氣或富氧空 氣至步驟（d)之直接熔煉容器。 更佳，溫度係於1000-1250°C之範圍。 較佳該方法包括使用直接熔煉容器排放廢氣作為預 熱空氣或富氧空氣之能源，隨後供給加熱後的空氣或富氧 空氣至步驟（d)之直接熔煉容器。 較佳該方法包括於使用廢氣作為能源之前冷卻直接 熔煉容器排放的廢氣。 較佳該方法包括使用由預還原容器排放的廢氣作為 能源用於預熱空氣或富氧空氣，隨後供給加熱後之空氣或 富氧空氣至步驟（d)之直接熔煉容器。 較佳讓方法包括於一個或多於一個熱高爐預熱空氣 或富氧空氣。 較佳該方法包括於步驟（a)供給含金屬進料之預還原 容器之前，預熱該含金屬進料。 較佳該方法包括使用由預還原容器排放的廢氣預熱 該含金屬進料。 較佳預還原容器為流化床。 更佳該方法包括循環由流化床排放之廢氣返回流化 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -------------裝--------1Ί---------鱗 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ， 7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 505699 五、發明說明（5 ) 床。 較佳該方法包括循環至少70%容積比由流化床排放的 廢氣返回流化床。 此處須了解「流化床」一詞包括氣泡型及循環型。 也包括氣泡與循環二者的組合。 「含金屬進料」一詞須了解表示任何含金屬進料， 其包括金屬氧化物例如礦，部分還原礦及含金屬廢料流。 步驟（e)可為任一種適當直接溶煉方法。 較佳步驟（e)包括根據高熔煉方法直接熔煉經部分還 原的含金屬進料，步驟（e)包括： (a) 於直接熔煉容器形成一熔融浴具有一金屬層及一 爐渣層於金屬層上； (b) 經由複數風口 /風嘴將含金屬進料及焦炭注入金屬 層内部； (c) 大致於金屬層熔煉含金屬進料成為熔融金屬； (d) 使熔融金屬及爐渣投射成為潑濺、小滴及流 至名目寂靜的熔融浴表面上方空間，且形成一過渡 區段；以及 (e) 經由一或多根風口 /風嘴將預熱空氣或富氧空氣注 入直接煉容器’以及後燃燒由溶融浴釋放的反應氣體， 藉此上升及下降熔融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流於過渡 區段，輔助傳熱至熔融浴，藉此過渡區段可使由容器經由 與過渡區段接觸的側壁之熱損失減至最低。 「金屬層」一詞須了解表示主要為金屬之一區或區段 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項\^寫本頁) 丨訂·. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ___B：__ 五、發明說明（6 ) " - 、 Λ °司/函蓋熔融爐渣分散於金屬連續容積之區或區 段。 谷之上下文中，「寂靜表面」一詞於此處須了解 、不於Μ條件下炫融浴之表©，其中並無氣/固體注入 ’因此也無浴攪動。 圖式之簡單說明 本叙月將參照附圖進一步舉例說明，附圖中： 第1圖為本發明方法之流程圖’大半以示意形式表示 ;以及 第2圖為用於第1圖所示方法之直接溶煉容器之較佳 形式之縱剖面圖。 發明之詳細說明 第1圖所不較佳具體例之說明係以由鐵礦生產鐵為例 。但須了解較佳具體例同等適用於由其它含金屬進料生產 金屬（包括金屬合金）。 參照第1圖，鐵礦於預熱旋風爐103、105加熱至約75〇 c肌度且私轉至流化床反應器1〇7，該反應器係於約⑼〇一 1000 C/皿度作業。煤（典型為中及/或高揮發性煤）、氧氣 及退原氣體包括高濃度(：〇及H2也供給反應器1〇7。預熱鐵 礦於反應&1G7部分還原成預還原程度，較佳低於65%， 且煤大致為脫去揮發物而形成焦炭。本上下文中「預還原 程度」一詞表示氧之去除百分比，假設起點為Fe2〇3 ,且 假設Fe為100%預還原。 由反應器107排放出之廢氣經由預熱旋風爐1〇3、105 本紙張尺度適用中國國豕“準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐) "~ - 9 - \ I-------------裝--------旬---------韓 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

移轉，且預熱供給此等旋風爐之鐵礦。然後廢氣於文氏管 滌氣器108冷卻。冷卻後的廢氣分成二流。一流至少占廢 氣總容積之70%供給二氧化碳滌氣器丨丨〇，再度被加熱然 後送返反應器107作為還原性流化氣體。另一流供給熱高 爐109’且用作燃燒氣體來加熱爐。 得自反應裔107之部分還原鐵礦及焦炭典型溫度為約 600-900°C，得自爐109之空氣預熱至約12〇(rc溫度供給直 接熔煉容器111。 部分還原之鐵礦於容器111熔煉成為熔融鐵及反應氣 體，例如熔煉預還原鐵礦產生的〇〇及札後燃燒至後燃燒 私度至少70%。後燃燒產生之熱用於維持容器丨丨丨内部溫 度。 由容器111排放的部分廢氣經由文氏管滌氣器丨丨3移轉 至爐109 ’且用作燃燒氣體，促成爐1 〇9的加熱。 於直接熔煉容器111作業的直接熔煉法可為任一種適 當方法。 較佳直接熔煉方法為高熔煉方法，如於後文以一般 術語參照第2圖所述，以及進一步細節述於國際申請案 PCT/ 八 際申請案之專利 AU99/05538，申請人同本案申請人。國 έ兒明書之揭示内容併述於此以供參考。 較佳直接熔煉方法係基於： (a)於直接熔煉容器丨丨丨形成一熔融浴具有一金屬層及 一爐渣層於金屬層上；

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五、發明說明（8 ) (b) 經由一或多根風口 /風嘴將部分還原鐵礦及焦炭（以 及選擇性其它含碳材料例如額外煤）注入金屬層内部； (c) 大致於金屬層熔煉經部分還原之鐵礦成為熔融鐵 (d) 使溶融材料及爐渣投射成為潑濺、小滴及流至名 目寂靜的熔融浴表面上方空間，且形成一過渡區段；以及 (e) 經由一或多根風口 /風嘴將預熱空氣或富氧空氣注 入直接熔煉容器1 Π，以及後燃燒由熔融浴釋放的反應氣 體至後燃燒程度大於70%，且於過渡區段產生氣相溫度'約 為2000°C或以上，藉此過渡區段可使由容器經由與過渡區 段接觸的側壁之熱損失減至最低。 直接溶煉容器111可為任何適當容器。 較佳直接熔煉容器為後文參照第2圖以一般術語說明 之容器，其進一步細節述於國際申請案PCT/AU99/00537 ，申請人同本案申請人，該國際申請案之專利說明書之揭 示内容併述於此作為交叉參考。 第2圖所示容器1U有一爐床，包括一爐底3及爐側55 由耐火磚製成；側壁5形成概略圓柱形筒由爐側55向上伸 展，且包括一上筒段51及一下筒段53 ; 一頂7 ; 一廢氣出 口 9·，一前爐床57用於連續洩放熔融金屬；一前爐床聯結η 其互連爐床及前爐床57;及一放液孔61用於洩放熔融爐渣 使用中，於穩態製程條件下，|器、⑴含有鐵及爐渣 熔融浴，其包括一層熔融金屬層15及一層熔融爐渣層“於 ^ · I------^ ---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

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盃屬層15上。編號17標示的箭頭指示金屬層15之名目寂靜 表面位置’編號19標示的箭頭指示爐潰層16之名目寂靜表 面位置。須了冑「寂靜表面」一詞表示未將氣體及固體注 入容器之表面。 容器111包括兩根固體注入風口 /風嘴11，以相對於垂 直夾角3G-6G度向下且向内伸展通過側壁5進人爐渣層16内 4。風〇/風嘴11之位置經選擇，使其下端高於於穩態製 程條件下金屬層15之寂靜表面17。 使用中於穩態製程條件下，得自反應器1〇7之部分還 原鐵礦及焦炭（以及選擇性其它含碳材料例如煤），及夾帶 於載氣（典型為氮氣）之助熔劑（典型為灰石及鎂氧）經由風 口 /風嘴11注入金屬層15内部。固體材料/載氣之動量使固 體材料及氣體穿透金屬層丨5。碳部分溶解於金屬，而部分 保持固體碳。鐵礦熔煉成為金屬，及熔煉反應產生一氧化 石反氣。氣體運送入金屬層15，且經由炫煉產生來自金屬層 15之熔融金屬、固體碳及爐渣（由於固體/氣體/注入結果被 拉入金屬層15内部）之顯著上舉浮力，其產生熔融金屬及 爐渣之潑濺、小滴及流之向上運動，而此等潑濺、小滴及 流當其移動通過爐渣層16時夾帶爐渣。 溶融金屬、固體碳及爐渣之上舉浮力引起金屬層i 5 及爐 >查層16之實質搜動，結果爐渣層16之容積擴大，其表 面以箭頭30指示。攪動程度為金屬及爐渣區有合理均勻溫 度’典型為1450-1550。(：，各區之溫度變化不超過3〇。〇。 此外，經由熔融金屬、固體碳及爐渣之上舉浮力引 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項Θ寫本頁) t --線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -12 -- 505699 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7___ 五、發明說明（10 ) 起熔融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流向上運動，伸展入容 器之炫融材料上方頂上空間3丨，以及： (a) 形成過渡區段23 ;及 (b) 投射若干熔融材料（主要為爐渣）超過過渡區段且至 側壁5之上筒段51部分，該部分係高於過渡區段23以及投 射至頂7。 概略而言，爐渣層16為液體連續容積有氣泡夾帶於 其中’而過渡區段23為氣體連續容積附有熔融金屬及爐渣 之潑濺、小滴及流。 容器111進一步包括風口13用於將預熱空氣或富氧空 氣由爐9注入容器in。風口 13位置對中，且垂直向上伸展 入容器内部。風口 13之位置及通過風口 13之氣體流速經選 疋’因此於穩態製程條件下，含氧氣體穿過過渡區段23中 區’以及維持大致金屬/爐渣自由空間25環繞風口 13末端 〇 使用中，於穩態製程條件下，經由風口 13注入含氧 氣體’將過渡區段23以及於環繞風口 13末端之自由空間25 後燃燒反應氣體OC及H2至後燃燒程度大於70%，且於氣 相產生約20〇〇°C或以上之高氣相溫度。熱移轉至氣體注入 區之溶融材料之上升與下降潑濺、小滴及流，然後當金屬 /爐〉查返回金屬層15時，該熱量部分傳熱至金屬層1 5。 自由空間25對達到高度後燃燒程度相當要緊，原因 為其可夾帶過渡區段23上方空間之氣體進入風口 π端區 ’如此增加可利用之反應氣體暴露於後燃燒。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇>< 297公釐） ---------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 13 A7、 A7、

五、發明說明（11 ) 風口 13位置、通過風口 13之氣體流速、以及蟓融金 屬及爐 >查之潑藏、小滴及流之向上運動之組合效果將過渡 區段23環繞風口 13下區成形，概略標示為編號27。此成形 區提供熱量藉輻射傳熱至側壁5之部分障壁。 此外’於穩態製程條件下，金屬及爐渣之上升與下 降小滴、潑濺及流為由過渡區段23傳熱至熔融浴的有效手 段，結果於側壁5區之過渡區段23之溫度約為1450-1550°C 〇 容器111係參照當製程於穩態條件下進行時，於容器 111之金屬層15、爐渣層16及過渡區段23之高度組成，以 及當製程於穩態條件下操作時，熔融金屬及爐渣之潑濺 、小滴及流投射至過渡區段23上方之頂上空間3 1組成，因 此： Ο)接觸金屬/爐渣層15/16之爐床及側壁5之下筒段53 係由耐火材料磚製成（附圖以交叉線表示）； (b) 至少部分側壁5之下筒段53係由水冷式面板8作為 背襯；以及 (c) 接觸過渡區段23及頂空間31之側壁5之上筒段5丨及 頂7係由水冷式面板58、59構成。 側25之上间^又51之各水冷式面板8、58、59(圖中未 顯不）具有平行之上緣及下緣以及平行側緣且彎曲，因而 界疋圓柱形同之一區段。各面板包括一内部水冷卻管及一 外部水冷卻管。管成形為彎蜒構形，水平區段係由彎曲區 &互連。各管進一步包括一進水口及一出水口。水管於垂 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -I ·. ,=0· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

14 A7 B7 五、 發明說明（Π 側之，面當由面板之暴露亦即暴露於容器内 …外管之平行區段並非緊鄰於内管之水平 又。各面板進-步包括填塞耐火材料，其填補介於 t 鄰水平區段以及各管間之空間。各面㈣-步包 括一支持板，其形成面板之外表面。 一水管之進水口及出水口係聯結至水供應回路（圖中未 顯示），其以高流速循環水流經水管。 可未悖離本發明之精髓及範圍對前述較佳具體例作 出多種修改。 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經4濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度過用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 x 297公釐 15 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 、發明說明（13 ) 元件標號對照 3···爐底 23...過渡區段 5·.·側壁 25·.·自由空間 7···頂 27...成形區 8 · · ·水冷式面板 30…箭頭 9... ij 〇 31·.·頂空間 10 · · ·上段 51···上筒段 11·.·風口 /風嘴 53...下筒段 13···風口 55…爐侧 15 · · ·金屬層 57·.·前爐床 16···爐渣層 17，19···箭頭 103-5···預熱旋風爐 107···流化床反應器 108···文氏管滌氣器 109...高爐 110··.二氧化碳滌氣器 111...容器 • n n n H ϋ n ϋ ·1 ·1 1 l· · n -1 n n 1· n n · ϋ ϋ 1 ϋ n (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國私標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） r -16

Claims (1)

1. A8 B8 C8 D8 505699 A a 六、申請專利範圍 「 補充~ 第881 12553號專利再審查案申請專利範圍修正本修正曰期：9〇年08月 1· 一種直接熔煉含金屬進料之方法，該方法包含下列步驟 (a) 供給含金屬進料及煤至一預還原容器； (b) 於預還原容器部分還原含金屬進料及大致脫揮發 物的煤，以及產生經部分還原之含金屬進料及焦炭 > (c) 供給步驟（b)產生的經部分還原的含金屬進料及焦 炭至一直接熔煉容器； (d) 使用由預還原谷器排放的廢氣作為能源並預熱空 氣或富氧空氣，及隨後供給該預熱空氣或富氧空氣 至該直接熔煉容器；及 (e) 使用焦厌作為能源以及作為還原劑於直接溶煉容 器直接熔煉該經部分還原的含金屬進料成為熔融 金屬，以及使用預熱空氣或富氧空氣後燃燒於直接 熔煉過程產生的反應氣體至後燃燒程度大於70〇/〇 ，而產生直接熔煉反應所需熱，以及維持金屬於熔 融態。 2·如申請專利範圍第！項之方法，其中於富氧空氣之氧濃 度係低於50容積百分比。 3·如申請專利範圍第丨項之方法，其包括預熱步驟之空 氣或富氧空氣至800-1400°C之範圍溫度，及隨後供給經 過預熱之空氣或富氧空氣至步驟之直接熔煉容器。 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中該溫度係於 尽、·氏悵尺度通用中國國家標準（CNS )从祕（2獻297公董） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 17 - A8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 申請專利範圍 1000-1250°C 之範圍。 5·如申請專利範圍第3項之方 ^ σσ . L ^ 去’其包括使用由直接熔煉 谷态排放的廢氣作為預埶* ^ …、二乳或昌氧氣體之能源，隨後 供給加熱後之空氣或富氣♦友 w 乳二乳至步驟（d)之直接熔煉容 器0 6·如”專利範圍第3項之方法，其包括於-或多於-個 熱同爐預熱該空氣或富氧空氣。 7. 如申請專利範圍第1項之方法，其”_原容器為流 化床。 8. 如申請專職圍第7項之方法，其包括循環由流化床排 放之廢氣返回流化床。 9·如申請專利範圍第8項之方法，其包括循環至少7〇%容 積比由流化床排放之廢氣返回流化床。 10.如申請專利範圍第W之方法，其中步驟⑷包括： (0於直接熔煉容器形成一熔融浴具有一金屬層及一 爐渣層於金屬層上； (11)經由複數風口 /風嘴將含金屬進料及焦炭注入金屬 層内部； (lii)大致於金屬層熔煉含金屬進料成為熔融金屬； (iv) 使熔融金屬及爐渣投射成為潑濺、小滴及流至名目 寂靜的熔融浴表面上方空間，且形成一過渡區段； 以及 (v) 經由一或多根風口 /風嘴將預熱空氣或富氧空氣注 入直接熔煉容器，以及後燃燒由熔融浴釋放的反應 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210><297公釐） ---------裝^------訂------線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 18 505699 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 氣體’藉此上升及下㈣融金屬及爐渣之潑滅、小 滴及流於過渡區段，辅助傳熱至熔融浴，藉此過渡 區段可使由容器經由與過渡區段接觸的側壁之熱 損失減至最低。 11·如申請專利範圍第丨項之方法，其進一步包括將煤注入 直接熔煉容器，藉此煤於容器作為能源以及作為還原劑 —-------- /ρ^ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁〕 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） 19