综 述
非冶金氧化铝产品的发展动向及市场现状
陈胜福 黄坚 李建文
中南大学化学化工学院 长沙410083
摘 要 简要介绍了非冶金氧化铝的分类、性能、主要质量特征、用途和应用领域;详细介绍了煅烧氧化铝、活性氧化铝、无定形铝胶、片状氧化铝和氢氧化铝、纳米氧化铝、氧化铝纤维、氧化铝膜和高纯超细氧化铝的制备方法;还介绍了国内外非冶金氧化铝的市场现状,包括非冶金氧化铝的主要生产国及其产量、进口国和出口国,分析了非冶金氧化铝迅速发展的原因,并对非冶金氧化铝的市场前景和研究动向进行了预测。关键词 非冶金氧化铝,市场现状,应用,制备 随着科学技术的发展,人们对材料的性能要求日益增加。材料的性能除了与其组成物质的固有属性有关外,还与材料的纯度、晶形结构、晶体形态与形貌、孔度、尺寸等密切相关。对于氧化铝,在保持其化学成分基本不变的情况下,可以通过提高其纯度或改变它的晶形结构、晶体形态与形貌、孔度、尺寸等制备出符合不同行业特殊需求的特种氧化铝。根据其用途,大体上可以把氧化铝分为两大类:一类是用作电解法生产金属铝的原料的冶金氧化铝;另一类是用于其他领域的非冶金氧化铝,也称之为特种氧化铝,其中包括氢氧化铝和氧化铝。非冶金氧化铝与冶金氧化铝的区别主要表现在纯度、化学成分、晶体形貌和形态等方面。在整个氧化铝产品中,冶金氧化铝占总产量的大多数,非冶金氧化铝只占一小部分。
β、γδεζη、θκχρ等十多种氧化铝存在α、、、、、、、、晶形结构,性能也各不相同。正如费兰里在其论文中所描述的:“氧化铝及其水合物性质各异,差别很大。它既可像蓝宝石那样硬,也可像滑石粉那样软;其表观密度既可超过3200kg・m
-3
载体、橡胶、颜料、造纸、耐火材料、绝缘材料、填充剂、半导体加工、陶瓷、机械、冶金等各个领域,已成为炼铝以外许多行业不可缺少的材料,需求量出现连续增长的势头。 1 非冶金氧化铝的分类、性能及用途
到目前为止,已开发的氧化铝有数百个品种,已经形成一个庞大的多品种体系。已经确认的晶质和
非晶质(或叫凝胶)氧化铝水合物有七种,它们分别为α2β2Al(OH)3(三水铝石或α2三水Al2O3)、Al(OH)3(拜耳石或β2β′三水Al2O3)、2Al(OH)3(诺水铝石或β2α2三水Al2O3)、AlOOH(一水软铝石或α2单水
α′Al2O3)、2AlOOH(拟薄铝石或假α2单铝石)、β2AlOOH(一水硬铝石或β2单水铝石)和胶体,它们
β、γεη、κχρ八在不同温度下脱水可分别得到α、、、、、种之多的氧化铝产品。虽然品种繁多,但目前尚无统一的分类标准,通常按种类、品种、规格等分出产品系列
[1]
。按成分、粒度、色度、晶型
[2]
等进行分类的氧化
铝水合物见表1。氧化铝的分类见表2所示。
,也可低于3.2kg・m
-3
;
既可为惰性不溶物,也可溶于酸碱并具有显著的活性;有些流动性较好,可像砂一样过筛,有些则由于呈粘稠状而不能过滤,有些甚至为触变胶体;可以是晶体也可为非晶体;其晶粒直径可以大至毫米级,也可以小至纳米级;有些具有很高的吸附能力,而另一些一点也没有;有些属于活性催化剂,有些则属于惰性物质;在高温下长时间加热后,它们都可以转化为α2Al2O3”。由于氧化铝具有上述多种不同的优良性能,因此已被广泛应用于航天、电子、化学化工、医药、催化剂及其
2 非冶金氧化铝的制备
2.1 煅烧氧化铝
将拜耳法得来的三水铝石在1100~1450℃下进
行煅烧,一般制得α2Al2O3,其结晶化程度由煅烧温度、煅烧时间、添加的矿化剂等因素决定
[3]
。现在国外已
去掉回转炉,改为用流态化焙烧炉来制备煅烧氧化铝。
3陈胜福:男,1982年生,硕士研究生。
E2mail:1-2-3-c-s-f@163.com收稿日期:2005-10-24
编辑:黄卫国
2006/3耐火材料/NAIHUOCAILIAO
225
表1 氧化铝水合物分类、性能及应用
产品名称
低碱氢氧化铝低铁氢氧化铝细粒氢氧化铝微粒氢氧化铝高白氢氧化铝氢氧化铝凝胶拟薄水铝石无定形铝胶
主要质量特征
w(Na2O+K2O)≤0.10%w(Fe2O3)≤0.005%
粒径≤10μm粒径≤3μm白度≥93%主晶相为无定形晶型为1~2个结晶水
的一水软铝石白色透明的无定形氧化铝水合物胶体(Al2O3・nH2O)
主要性能
硬度大,耐热耐磨,化学稳定性好,无味无毒,不挥发,再加热至250℃以上时脱水吸热,具有良好的消烟阻燃性能,为酸碱两性化合物
具有良好的胶结性、成型性、耐高温性、热容量大、热导率小、抗腐蚀和抗氧化性好、强度高、硬度大、表面光洁
应 用
用作塑料和聚合物的无烟阻燃填料,合成橡胶制品的催化剂和
防燃填料,人造大理石、玛瑙的填料,人造地毯的填料,造纸的增白剂和增光剂,生产硫酸铝、明矾、氟化铝、水合氯化铝、铝酸钠等许多种化工产品的原料,合成分子筛,生产牙膏的填料,用于抗胃酸药物,玻璃的配料,合成莫来石的原料等
用作玻璃、石棉、陶瓷纤维和地毯纤维的表面处理剂和粘结剂,使纤维有良好的防带电、防尘污染性能,并大大改善表面质量;制造高级陶瓷器具、电子陶瓷、耐火材料的粘结剂和耐高温纤维(炉衬材料)制造等,医药工业制作抗胃酸药物,也用作催化剂、无机填料和涂料
表2 氧化铝分类、性能及应用
产品名称
低钠(碱)α2型氧化
铝和低钠(碱)活性α2型氧化铝低钠超细α2型氧化铝片状氧化铝
主要质量特征煅烧时加入硼酸,w(Na2O+K2O)≤0.15%,粒度≤5μm粒径≤1μm纯度高,大粒板状α2Al2O3粒径达数百微米
全部呈α晶型
主要性能
性能稳定,机械强度高,抗热震性好,电气绝缘强度高,在高频下能承受高电压,烧成收缩率小具有精细结构、均匀的组织
热稳定,导热率高,密度大,耐热冲击性能和抗腐蚀性好
具有很高的硬度和较大的韧性,耐高温
应 用
适合于注浆法成型生产陶瓷制品,也可用于轧膜、干压、热压铸等方法成型,用于高级电绝缘体、汽车和飞机上内燃机用的火花塞、辊轴等耐高温瓷件,制造耐热或耐磨器件、电子基片、定形与不定形耐火材料用于制作刀具和增韧精密氧化铝陶瓷、镜面抛光等静压法生产的各种制品
用于密封炉内衬,钢水、铁水流槽,电绝缘体,陶瓷制品等,催化剂基体或载体,环氧树脂和聚酯树脂的填料,耐火涂料,燃烧器喷嘴等
可用作研磨砂轮、抛光、擦光和磨光材料,砂纸和砂布表面的涂层磨料,建筑行业用的喷砂可用作钠硫(Na/S)蓄电池中的固体电解质薄膜陶瓷隔板,既作为离子导电体,又具有隔离钠阴极和多硫钠阳极的双重作用;还用于室温电池,钠—热敏元件,制作玻璃、耐火材料和陶瓷的原料等吸附剂和干燥剂,汽车尾气净化剂;航天航空、兵器、电子、特种陶瓷等尖端材料的原料,石化工业中的催化剂或载体;纳米γ2Al2O3CMP浆料可用于集成电路生产过程中层间钨、铝、铜等金属布线材料及高级光学玻璃、石英晶体及各种宝石的化学机械抛光
芯片或封装用陶瓷多层基板、绝缘体、开关、电容器、垫板、集成电路等;高精度切削工具、轴密封材料和滚动轴承物;热敏元件、生物传感器、温度传感器、红外传感器等;人造牙和人造骨;激光材料、人造宝石、透光性Al2O3烧结体陶瓷、高压钠灯发光管等,单晶粉可用于制造液晶。主要产品有高纯单晶粉状氧化铝
主要用于高温绝热材料(短纤维)和增强复合材料(长纤维),编织无纺布及绳索等,广泛应用于冶金、机械、电子、陶瓷、化工、航空等高温窑炉及其他热工设备的内衬隔热,在工业领域和国防军工方面有重要的意义气体净化分离,水过滤,食品工业中的除菌、澄清和过滤或预过滤,生物药品中药品的分离精致、脱盐预浓缩,对细菌、病毒的去除等超滤过程,工业废液的过滤及回收可用来制备低维光学、电学、磁学材料和器件,为纳米材料的制备提供了新的方向,越来越受到人们的重视
α型氧化铝
电熔氧化铝
β型氧化铝
β2Na型氧化铝
5%Na2O和95%Al2O3密度大,气孔率低,机械强度高,耐热冲击性能好,离质量比组成化合物子导电率高,粒度分布均(Na2O・11Al2O3)
匀且细,晶界阻力小γ或ρ型氧化铝
活性氧化铝ρ等晶型主要呈γ、
为多孔性、高分散度的固
体物料,具有很大的比表面积,反应活性大,吸附性能好,表面酸性,热稳定性优良
超细氧化铝
高纯氧化铝
纳米氧化铝
氧化铝含量大于等于99.9%,粒径≤1μm
氧化铝含量大于等于99.9%,粒径≤0.1μm
结构精细,组织均匀,特定结晶结构和相变可控;密度大,硬度高,耐腐蚀性能好,有良好的高温稳定性及加工性能高强度、高模量、耐高温等优良性能,很好的高温抗氧化性、耐腐蚀和电绝缘性以及低的导热率
氧化铝纤维-
氧化铝膜
氧化铝膜
自组织多孔阳极氧化铝膜
-
耐高温、强度高、耐化学腐蚀并且不被微生物溶解,可反复使用,易清洁,孔径大小和尺寸易控制
2.2 活性氧化铝
由于对产品性能要求不同,原料不同,其制作过程也有很大的差异
[4]
活性氧化铝的制备方法大体分成两种。一种是将拜耳法生产的三水铝石或工业氢氧化铝在350~600℃加热脱水制得,但其杂质含量较高;另一种是
。一般说来,活性氧化铝可采用拟薄
水铝石等水合氧化铝在400~800℃之间焙烧、粉磨制得。根据干燥方法的不同,还可以制得块体或疏松的活性氧化铝
[5]
通过中和铝盐溶液或由醇铝分解来获得铝胶、拟薄水铝石或一水软铝石,再在400~600℃下活化制得。
。如果想进一步完善型体的孔结构,
可以添加碳粉、聚乙烯醇等,干燥焙烧的同时控制适
226
NAIHUOCAILIAO/耐火材料2006/3
当的温度条件
[6]
。
[7]
2.3 无定形铝胶
燥凝胶,能防止形成凝结,所得氧化铝粉末颗粒尺寸
约68nm,在1150℃处理30min就可完全转化为α
。一种称为NC
型。WMZeng等
[17]
制备无定形铝胶的方法有两种则用冷冻干燥法从溶胶(由硝酸
法,采用氯化铝或硝酸铝等水溶性盐基性铝盐与碱性氢氧化物的反应制得。另一种方法为NS法,采用可溶性硫酸铝溶液与碱或氨水反应制得。两种方法所得胶体均应及时分离,以免胶体老化和溶解,且应在低温下缓慢升温干燥。2.4 高纯超细氧化铝
塑解剂转化氯化铝溶液与氨水溶液生成的水软铝石沉淀物制得)中获得白色水软铝石粉末,在1100℃煅烧1h可以获得直径为42nm左右的α2氧化铝。用聚丙烯酰胺凝胶法,将所得凝胶干燥脱水和除去有机物后在1100℃煅烧,得到的α2氧化HWang等
[18]
铝粉末的粒度<10nm。JDing等
[19]
利用机械化学
改良的拜耳法:用偏铝酸钠溶液进行数次脱硅、脱铁,然后用特制的活性种子进行种分得到高纯氢氧化铝,再通过中低温焙烧,洗涤脱钠,最后经高温煅烧研磨制得高纯超细氧化铝,但产品的纯度不理想,活性晶种的制备也很麻烦。
硫酸铝铵热解法
[8]
合成原理,先将AlCl3与CaO的混合物置于球磨机中研磨,通过机械化学作用形成前驱体Al2O3,前驱体经水洗涤并在350℃热处理可制得颗粒尺寸为10~20nm的γ2Al2O3。若热处理温度达到1250℃,则形成单相纳米α2Al2O3。2.6 片状氧化铝和氢氧化铝
:用硫酸溶解氢氧化铝,再与
硫酸铵反应制得铵明矾,经过多次重结晶精制,再对
精制的铵明矾热解至得到α2Al2O3。该法的主要缺点是,硫酸铝铵存在热溶解,脱水矾体积膨胀,产生污染性气体三氧化硫和氨气。
碳酸铝铵热解法
[9-10]
片状氧化铝最常见的制备方法是水热热
[23]
[20-22]
或醇
合成法,但合成的片状氧化铝往往粒径较小,径
厚比小。水热法制备的片状氧化铝的特征在于它具有薄的平板状结构,且形状均一,在溶液中具有良好的取向性以至于能保持稳定的分散状态。但是水热
条件下制备的α2Al2O3晶体的相变温度大于400℃,为了降低水热反应的温度,人们又以溴化钾和碳数大于4的二醇作为反应介质,以新配制的氢氧化铝胶体为前驱物,采用醇热反应,在300℃下制得六角板状
[23]
的α2Al2O3粉体。根据晶体生长理论和熔盐化学理论,NittaKatuhisa等
[24]
:是对铵明矾热解法的改进。将硫酸铝铵热解法中精制的铵明矾与碳酸氢铵反应,制得铵片钠铝石[NH4Al(OH)2CO3],然后经老化、沉降、过滤、烘干、研碎,再高温热分解制得。该法的废气为CO2,代替了原来的SO2,减轻了对环境的污染。日本用该法得到的α2Al2O3,其纯度大于99.99%。
有机铝法:通过有机铝水解、焙烧制得。有机铝水解主要有醇铝即烷氧基铝水解和烷基铝水解工艺
[11]
于1997年采用熔盐法制备
出含有TiO2的片状氧化铝粉体,所得粉体的厚度小而均匀,径厚比大,几乎完全无色,表面平坦光滑,且在水中有良好的分散性,搅拌后具有明显的流形。国内也对氧化铝及氢氧化铝的形貌进行了不少
[25]
的研究。朱红等通过水解异丙醇铝(AIP)并使用溶胶-凝胶法(Sol-Gel)制备出氢氧化铝溶胶和凝胶,研究了干燥方法对氢氧化铝和氧化铝形貌的影响,认为静止室温自然干燥法使氢氧化铝颗粒有充分的时间相互接触并通过表面活性剂交联,因此易形成片状结晶或堆积体。片状氧化铝的制备还可以通过加入各种晶体生长促进剂如氟化物、氯化物、硫化物、硝酸盐或其混合物来实现,也可以加入三维聚酰胺树状物(PAMAMs),再控制适当的溶胶和煅烧条件即可
[26-28]
,得到的水合氧化铝经过1250℃焙烧成高纯超
细α2型氧化铝(较佳条件下纯度可达5N级,粒度可<0.1μm)。
铝水中火花放电法
[12]
:通过在水溶液中消耗高
纯度铝电极制得氧化铝水合物,再烧成制得高纯超细氧化铝。但是该产品中心粒径较大,且大小不均匀。2.5 纳米氧化铝
采用激光蒸发凝聚法制得的纳米氧化铝在约1200℃时从γ2Al2O3直接转变为α2Al2O3,
UPopp等
[13]
并且仍保持其颗粒尺寸<30nm。PMKumar等
[14]
使
用电弧等离子体法制得的纳米氧化铝,其颗粒为球状,粒径约50nm,结晶状态非常好,即使在1300℃长时间加热,其形状也不发生改变。PKSharma等采用水热法合成的纳米α2氧化铝的颗粒尺寸为60nm。对于溶胶-凝胶法,除制备方法的区别外,也包
[15]
。
[29]
另外,制备片状氧化铝的方法还有球磨法涂膜法
[30]
和
等。球磨法在干燥的氛围下可获得厚度小
括干燥脱水处理的不同。TYPeng等
[16]
研究了改进于直径1/5的六角片状氧化铝,如果将球磨过的氧化铝再放入水中搅拌分散,经过过滤,干燥,再球磨,效
2006/3
的溶胶-凝胶法,采用不同种类物质共沸的蒸馏法干
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227
果更佳。涂膜法是以氢氧化铝丁醇液为基液,通过辊轴均匀涂抹在聚酯薄板上,再经干燥、剥离和煅烧可得到径厚比为3~26的片状氧化铝。
3000t高纯氧化铝;贵州铝业和山西铝厂先后建成拟
薄水铝石生产线;美国ALUCHEM公司已基本敲定出资与博赛矿业集团合资建设年产10万t特种氧化铝的生产基地
[50]
。中国市场每年对非冶金氧化铝的缺
3 非冶金氧化铝的市场现状及开发动向
3.1 国际市场状况
20世纪80年代以来,非冶金氧化铝发展很快,世
口约为2.5万t。目前水合氧化铝尚有1万t以上的缺口,4~5年内将形成年产量3000t以上的高档磨料市场,预计到2007年特种氧化铝的年产量为35万t,占氧化铝总产量的比例为7.6%。到2010年,中国需要3000t以上高档易烧结氧化铝超微粉,纯氧化
铝3万t(其中高级品达1.5万t),活性氧化铝2.0万t(高纯品不低于0.8万t),制作高压钠灯用的高纯氧化
界一些主要氧化铝生产厂家已将部分生产能力转向非冶金氧化铝的生产
[47]
。据1995年统计,世界氧化铝总
[48]
产量约为5180万t,其中480万t为非冶金氧化铝,占氧化铝总产量的9%~10%
。从地区来看,产量最
多的是欧洲,其次是亚洲和北美州。从国家来看,产量最多的是美国,其次是日本,再次是德国、法国等工业发达国家。2000年,部分国家非冶金氧化铝的计划产量是:美国80万t,日本72万t,德国40万t,法国35万t,匈牙利22万t,巴西20万t,加拿大12.5万t,英国12万t,原南斯拉夫5万t,苏里南5万t,意大利3万t,
铝粉料0.1万t。今后,非冶金氧化铝除按市场需要大量增加阻燃剂、洗涤剂助剂4A沸石、煅烧氧化铝等品种之外,还必须加大开发力度,大力开发新品种,如钢铁工业所需求的片状氧化铝、多品种陶瓷工业及电子工业所需的高纯超细氧化铝等3.3 非冶金氧化铝研究趋势[2]
。
西班牙2万t,牙买加1.5万t。澳大利亚、牙买加、苏里南、爱尔兰、匈牙利和原南斯拉夫等国是主要出口国,美国、英国、法国、加拿大、新西兰和原苏联是主要进口国,中国也是主要进口国之一
[49]
世界上现在对非冶金氧化铝的开发及生产愈来愈重视,欧美及日本等发达国家在非冶金氧化铝的研究和生产方面做了大量的工作,技术处于国际领先地位,其需要量和生产量也呈现出有增无减的势头,这
主要有下列几点原因:1)非冶金氧化铝因其特殊的性能在各种行业获得了广泛的用途;2)冶金氧化铝产能过剩,促进了非冶金氧化铝的开发;3)非冶金氧化铝产品的技术含量和附加值高,更是得到了无矿石资源的欧洲和日本的重视。
从科技发展的动向看,非冶金氧化铝在以下方面的研究开发具有诱人的前景:1)用于各种功能传感器,如热敏元件、温度传感器、湿度传感器、气体传感器和红外传感器等;2)在生物陶瓷方面,为研究人造气管等软组织材料,开发各种超敏感元件模拟生物肌体的功能,模拟微生物以及人工智能等提供原料;3)氧化铝微孔膜。氧化铝陶瓷微孔膜因其有耐高温,耐腐蚀和耐大多数溶剂、酸和碱以及抗微生物侵蚀等性能,可用在石油化学、医学、生物技术和食品加工方面的过滤和分离装置上。自组织多孔阳极氧化铝膜用来制备低维光学、电学、磁学材料和器件,为纳米材料的制备提供了新的方向,越来越受到人们的重视,但得克服在不同衬底上制作多孔氧化铝模板,并在其上制备量子线或量子点等困难,探索控制其生长的形状、分布、性能等因素,实现工业化。4)氧化铝纤维。氧化铝纤维增强金属是迄今为止性能最好的材料,为机械设计提供了新的可能性,特别是内燃机和飞机制造领域的应用令人瞩目。
。
近年来,用于高级陶瓷的非冶金氧化铝每年以8%的速度增加,用于生物陶瓷的非冶金氧化铝每年递增速度为20%
[49]
。精细陶瓷是新型无机材料的代表,预
计2005年的产量为3.4万t,到2010年为4.5万t。日本非冶金氧化铝中纯度在99.99%以上的高纯氧化铝的年产量为650t,纯度在99.995%以上的高纯氧化铝的年产量为300t。日本各主要消费领域的比例构成是:光电元件28.5%,电子器件16.7%,光学器件20.2%,工具12.0%,研磨剂8.3%,其他14.3%。3.2 中国市场状况
我国非冶金氧化铝的生产起步于20世纪60年代,其价格为冶金用氧化铝的1~20倍。我国目前的生产技术设备落后,产量和品种少,质量低,正处于发展阶段,应加大研究和市场开发力度。中国非冶金氧化铝的主要生产厂有山东铝厂研究院、郑州轻金属研究院、郑州铝厂水泥分厂、贵州铝厂和河南济源特种氧化铝厂等。我国目前非冶金氧化铝的年产量约为十几万吨,约占氧化铝总产量的5%。每年从美国、日本和澳大利亚进口非冶金氧化铝约4000t
[49]
。随
着中国经济不断发展,精细陶瓷工业将会有很大的发展,对非冶金氧化铝的需求量必然会有较大的提高。近几年,长城铝业公司从德国引进先进设备,年生产
228
NAIHUOCAILIAO/耐火材料2006/3
氢氧化铝是主要的无机阻燃填充剂,氧化铝是生产复合材料及多品种陶瓷的主要原料。随着欧盟2006年将全面禁用卤素系阻燃剂
[51]
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Developmenttrendandcurrentmarketsituationofnon2metallurgicalalumina/ChenShengfu,HuangJian,LiJanwen//NaihuoCailiao.-2006,40(3):225
Classification,properties,qualitycharacteristics,applicationsofnon2metallurgicalaluminaarediscussed.Preparationmethodsofcalcinedalumina,activealumina,amorphousaluminiumglue,flakyaluminaandhydrogenalumina,nanometeralumina,aluminafibre,aluminamembraneandhighpurityfinealuminaareintroduced.Thecurrentmarketsituationofnon2metallurgicalaluminaathomeandabroadissummarizedindetailsincludingthemainproducingcountriesandtheirproductionsituationaswellasthatofimportingandexportingcountriesandthereasonsofitsrapiddevelopment,marketprospectandresearchtendencyarealsoindicated.
Keywords:Non2metallurgicalalumina,Currentmarketsituation,Application,Preparation
Author’saddress:DepartmentofChemistryandChemicalEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China(上接224页)
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Developmentofphenolicresinusedforrefractories/NiuQiaoling,ShiGan//NaihuoCailiao.-2006,40(3):221
Thedevelopmentofphenolicresinusedforrefractorieswasbrieflysummarized.Bypropertymodification,thephenolicresinwillperformspecialabilitiesinhydrationresistance,oxidationresistanceandhighercuringtemperature.Byenhancingthefunctionandvariety,resinswillhavewiderapplications.Environmentprotectionisanothersubjectinthedevelopmentofphenolicresinwhichshouldnotcontainfreepheno.l
Keywords:Phenolicresin,Refractories,ModifizedphenolicresinAuthor’saddress:LuoyangUniversity,Luoyang471039,China
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NAIHUOCAILIAO/耐火材料2006/3
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