石墨制品化學(xué)法提純問題之解析
石墨制品化學(xué)法提純問題之解析
田英文
(方大炭素新材料科技股份有限公司 甘肅蘭州 730084)
摘要:本文作者通過長期在高純石墨生產(chǎn)過程中,所積累和了解的一些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),對發(fā)生在化學(xué)凈化中,常見和不常見的生產(chǎn)、質(zhì)量問題進(jìn)行解析,并提出相應(yīng)的解決辦法,期望能為國內(nèi)同仁在進(jìn)行同樣工作中,起到參考和指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞:化學(xué)凈化 問題解析 改進(jìn)措施
1.前言
在石墨化過程中,以鹵素(如氯、氟)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng),除去制品內(nèi)各類雜質(zhì)的方法,稱化學(xué)凈化法。利用化學(xué)凈化的方法,對石墨類產(chǎn)品進(jìn)行高純度的處理,在我國已有幾十年的歷史。早在上世紀(jì)五、六十年代,為滿足當(dāng)時(shí)國家原子能反應(yīng)堆和航天等領(lǐng)域?qū)μ胤N石墨材料的需求,原吉林炭素廠,蘭州炭素廠和上海炭素廠都曾先后大批量的進(jìn)行過高純石墨的生產(chǎn)。僅原蘭州炭素廠一家,從1968年~1984年,就先后生產(chǎn)過數(shù)千噸,各種用途不同的高純石墨材料,不僅滿足了當(dāng)時(shí)國防工業(yè)和其它行業(yè)的需求,有些還出口到國外。
利用化學(xué)法對石墨類進(jìn)行高純度的處理,在老一代炭素人眼里,并不是什么神秘、尖端的新科技,僅僅是多了一道工序的炭素生產(chǎn)而已。
1984年后,由于國內(nèi)需求量發(fā)生了變化,上述企業(yè)基本陸續(xù)停止或縮減了該類產(chǎn)品的生產(chǎn),從而造成了今天的國內(nèi)企業(yè)中大多數(shù)員工,對此項(xiàng)技術(shù)感到陌生和神秘。近年來,隨著科技水平的發(fā)展和國內(nèi)外新能源市場的興起,人們把目光再次集中到這種含碳量高,灰分小,更具有高強(qiáng)、高密等特點(diǎn)的優(yōu)質(zhì)高純石墨材料。如高含碳量的負(fù)極材料、航空、航模、動力電池以及核能發(fā)電中的高溫氣冷堆(HTGR)等等。為迎合上述產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,有的企業(yè)已專門進(jìn)行提純業(yè)務(wù),有的在改造,有的在興建,更多的已納入計(jì)劃,好一個(gè)忙碌景觀[1]。
在石墨類制品化學(xué)凈化過程中,和生產(chǎn)普通制品一樣,有時(shí)也會發(fā)生一些常見和不常見的生產(chǎn)、質(zhì)量方面的突發(fā)性問題,根據(jù)筆者長期從事高純石墨生產(chǎn)中積累的一些實(shí)踐知識,對以下重點(diǎn)問題進(jìn)行探討、解析。
2.總灰分偏高
高純石墨一般是指含碳量大于99.99%,總灰分≤50ppm的石墨。按使用的不同,又分為50×10-6,20×10-6,10×10-6等幾個(gè)級別[3]。
國內(nèi)高純石墨的生產(chǎn),基本是建立在艾奇遜爐的基礎(chǔ)上,并配以純化通氣處理系統(tǒng)。由于艾奇遜爐存在大量電能、熱能上的損耗,熱利用率很低。而化學(xué)凈化法,只有在高溫下,才能進(jìn)行最佳反應(yīng),一般要求爐溫在2800℃以上,爐溫越高,反應(yīng)的時(shí)間越充沛,凈化的效果也越好。可見溫度對凈化效果的影響是顯著的,盡管氣體分布是均勻的,但凈化溫度與時(shí)間的關(guān)系如果不當(dāng),同樣也達(dá)不到提高凈化的效果[2]。
為了確保石墨化爐有較高的溫度,噸產(chǎn)品的電單耗,相對普通品的石墨化,要高出一倍多,按焙燒坯品重量,平均噸單耗一般都在10000度左右。同時(shí)爐芯寬度也不宜過大,一般在1.2~1.6米為好,這樣,既有利于更好的提高爐芯內(nèi)的溫度和保溫效果,防止有害氣體從邊墻泄露,也有利于通入的氣體能夠充分的集中反應(yīng)。
高純石墨制品,大多是采用細(xì)顆粒或超細(xì)顆粒的優(yōu)質(zhì)焦炭壓制的坯品 , 國外甚至生產(chǎn)出超級細(xì)顆粒(粒度5~10μm)和納米級顆粒的坯品。我們知道,坯品的密度越高,顆粒越細(xì),體積越大,石墨化純度的處理難度也越大。其一爐溫上升,不能過快,否則易發(fā)生制品開裂。其二由于本體密度過高,鹵素氣體很難滲入到制品內(nèi)部,使反應(yīng)時(shí)間和速度延長。為了保證制品即不開裂又能獲得高純度的產(chǎn)品,對一些較大規(guī)格的坯品,國內(nèi)常用兩次石墨化的辦法解決。國外的先進(jìn)工藝是先將坯品進(jìn)行石墨化,再用一種化學(xué)提純機(jī)的裝備,對制品進(jìn)行鹵素純化處理。(據(jù)說經(jīng)這種提純機(jī)處理后的制品,總灰分可達(dá)到5×10-6,甚至1~2ppm)。
經(jīng)提純處理后的石墨類制品總灰分高與低,除了溫度因素外,另一個(gè)關(guān)鍵因素,就是氣體通入量和各溫度階段對所通入氣體的調(diào)控是否合理。經(jīng)驗(yàn)證明,根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能和用戶的不同要求,各通氣量,一般分別為坯品總裝爐量的6~10%,小規(guī)格,粗結(jié)構(gòu)的制品,可按下限,反之按上限,中等規(guī)格及負(fù)極材料類,可適當(dāng)在中限選擇,如果用戶對總灰分有特殊要求,有時(shí)還需突破上限。這與以前各類文獻(xiàn)和教材書中所談到的,氯氣通入量為坯品的50kg/T,氟利昂為20~30kg/T,有很大的差距,之所以過去偏低,主要是受當(dāng)時(shí)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和規(guī)格的限制。
化學(xué)凈化法常用的鹵素氣體,主要有氯氣(Cl),氟氣(又稱氟利昂),其中氟氣又分為二氟一氯甲烷(CHClF2、R22、F22),二氟二氯甲烷(CCl2F2、氟利昂-12、R12),及氮?dú)猓∟2),氬氣(Ar)。
在炭素材料總灰分中,除少量雜質(zhì)以單獨(dú)元素存在外,多數(shù)是以化合物的形態(tài)存在,因此,在正常的石墨化溫度下,是很難去掉這些雜質(zhì)的。例如某高純石墨制品前后對
表1中所列舉的元素,僅是總灰分組成中的一部分。在雜質(zhì)中,以化合物的形式存在的,其沸點(diǎn)要比單質(zhì)元素的沸點(diǎn)高的多。見表2。
化學(xué)凈化的原理,就是將各種不同形式存在的雜質(zhì),在高溫下,轉(zhuǎn)化為氯化物和氟化物,從而降低沸點(diǎn),使之更容易分解和氣化。
從理論上來講,氯(Cl)容易和雜質(zhì)中,帶有金字旁的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。而氟(F)則更易與非金屬元素發(fā)生反應(yīng),如鐵和氯的化學(xué)反應(yīng)式:
2Fe+3Cl2→2FeCl3或Fe+Cl2→FeCl2
在有炭的條件下:
2Fe2O3+3C+6Cl2→4FeCl3+3CO2
氟與非金屬雜質(zhì)的化學(xué)反應(yīng),要復(fù)雜些,但最終均能生成熔點(diǎn)較低的氟化物。如:
BF3(三氟化硼)SiF4(四氟化硅)等[5]。
表2 幾種單質(zhì)元素與化合物沸點(diǎn)對比
事實(shí)上,氟也可與某些金屬雜質(zhì)反應(yīng),生成某些金屬氟化物類的雜質(zhì),如氟化鋁、氟化鈉等。
由于各種雜質(zhì)與鹵素相反應(yīng)的溫度,各不一樣,因此,氣體的輸送也需選擇在不同的溫度下進(jìn)行。以國內(nèi)某炭素廠為例,當(dāng)爐溫達(dá)到1750±50℃時(shí),先送一次氯氣至2300℃左右,然后改送氟氣(二氟一氯甲烷或二氟二氯甲烷),這一區(qū)間需維持到停電后,爐溫下降到2400±50℃,繼續(xù)更換成氯氣,進(jìn)行二次送氯。爐溫下降至1800℃左右,停止送氯。用惰性氣體——氮?dú)鈱t內(nèi)的殘余氣體,進(jìn)行清洗。
氮?dú)獾耐ㄈ肓浚瑧?yīng)根據(jù)爐子的大小和裝爐量而定,按標(biāo)準(zhǔn)40L的氮?dú)馄浚话憧蛇x擇在40~60瓶之間,筆者建議盡可能多送些,以防止?fàn)t內(nèi)雜質(zhì)氣體對制品的反滲。氮含量對大多產(chǎn)品不會帶來影響,但對某些特殊用途的產(chǎn)品,如核石墨,因氮對中子的俘獲截面大,在生產(chǎn)這類產(chǎn)品時(shí),還要在通氮后,送入一定時(shí)間的氬氣,對氮進(jìn)行清洗。
3.氣體通入量的計(jì)算
化學(xué)凈化過程中,無論氯氣和氟氣的通入,一般都是經(jīng)某種流量計(jì),進(jìn)行控制,并按經(jīng)驗(yàn)公式法進(jìn)行推算。常用流量計(jì)多為玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)。見圖1。
各種流量計(jì),其操作原理大體是一樣的,只是浮子的材質(zhì)有所不同,有塑料,銅,鋁,不銹鋼等。
按移動式送氯裝置常用的LZB-15型,不銹鋼浮子計(jì)算,氯氣和氟氣平均每1刻度(最小刻度為0.1),每一小時(shí)輸出液體約3kg左右。根據(jù)長期對各階段爐溫上升速度和時(shí)間的摸索,得出下列規(guī)律。
同樣,以某炭素廠凈化提純爐為例,每爐平均裝入11噸左右的產(chǎn)品,從爐溫1750℃送入一次氯氣,到2300℃改送二氟二氯甲烷,一般所需時(shí)間約12個(gè)小時(shí),通氟時(shí)間在19~20小時(shí)之間,二次氯氣則需10小時(shí),浮子每1刻度,每小時(shí)通氣量3kg(可看為常數(shù)項(xiàng)),每次連接的瓶數(shù)為7瓶。通氣量可按下列經(jīng)驗(yàn)公式推算。
當(dāng)浮子刻度為2時(shí),通氣量則分別為:Q(氯)=924kg,Q(氟)=840kg。
在實(shí)際操作時(shí),因?yàn)橐紤]到各類元素雜質(zhì)反應(yīng)的溫度不同,初送時(shí),浮子刻度可調(diào)小些,隨著溫度的升高,逐步調(diào)大。
由于所裝產(chǎn)品的不同,送電曲線的不同,每爐的升溫速度和上升時(shí)間也不盡相同,現(xiàn)場操作人員,應(yīng)根據(jù)每爐的具體情況來操作,一般實(shí)踐3~4爐后,基本上就可摸索出其中的規(guī)律。
按經(jīng)驗(yàn)公式推算各氣體的通入量,必須是在一定的條件下,如果浮子材質(zhì)變化或流量計(jì)玻璃管的公稱直徑改變,則需摸索出所送氣體,每小時(shí)的流量,才能按此經(jīng)驗(yàn)公式推算。
4.導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞
化學(xué)凈化過程中,無論氯氣、氟氣或氮?dú)猓夹枰ㄟ^爐底下部鋪設(shè)的石墨導(dǎo)管進(jìn)入爐芯。
導(dǎo)氯管分內(nèi)導(dǎo)管和外導(dǎo)管,用接頭聯(lián)接,中間為通孔(包括接頭),在內(nèi)導(dǎo)管中間上部,鉆有若干對稱的通氣小孔,直徑在φ6~8mm左右。氣體經(jīng)外導(dǎo)氯管與鐵件連接孔,進(jìn)入爐內(nèi),并通過內(nèi)導(dǎo)氯管的小孔,向爐芯輸入。
導(dǎo)氯管的暢通,是制品化學(xué)凈化中的關(guān)鍵所在,然而在實(shí)際生產(chǎn)中,偏偏就有在送氣過程中,內(nèi)導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞,造成氣體無法正常輸送的怪現(xiàn)象。導(dǎo)氯管是否堵塞,可以從下面兩方面進(jìn)行判斷:
(a)移動式送氯裝置:連接鐵件的塑料管,發(fā)生膨脹,用手觸摸,原來的塑料軟管,變成又鼓又硬狀(移動式送氯裝置見圖2)。
(b)固定式送氯裝置:在調(diào)節(jié)氣體流量計(jì)刻度時(shí),浮子不動,關(guān)閉氣體重新開啟后,浮子上升困難
(固定式送氣裝置見圖3)。
處理方法:關(guān)閉通氣閥,佩戴好防毒面具,卸開鐵件與石墨導(dǎo)氯管的連接處,用一根稍長些的鋼筋棍快速的進(jìn)行疏通,并用氮?dú)鈱ν饪走M(jìn)行吹洗,孔內(nèi)有光柱射出;說明導(dǎo)管已經(jīng)暢通。如果沒有光柱,孔內(nèi)暗黑,需繼續(xù)疏通,直到光柱射出。
導(dǎo)氯管突發(fā)性堵塞,大多發(fā)生在通氟期間,主要原因是二氟一氯甲烷屬低溫制冷劑—可得到-80℃的制冷溫度,單位容積內(nèi)制冷能力比二氟二氯甲烷高出40~60%,兩者之間沸點(diǎn)和物理焓值相差很大,當(dāng)通入二氟一氯甲烷后,會造成導(dǎo)氯管內(nèi)孔急速降溫,氣體發(fā)生裂解反應(yīng),甚至在裂解反應(yīng)中,還原成液態(tài)氟氯碳化物。如果導(dǎo)氯管孔內(nèi)溫度降低到700℃~900℃左右時(shí),還會裂解反應(yīng)生成一種四氟乙烯(C2F4)的物質(zhì)。
CHClF2(700~900℃)→CF2=CF2
其分子結(jié)構(gòu)簡式為:CF2=CF2
圖片
這種有4個(gè)氟分子,兩個(gè)碳分子組成的四氟乙烯物質(zhì),因其濃度較高,易形成發(fā)泡膠質(zhì)狀,從而使內(nèi)導(dǎo)管通氣孔突發(fā)性堵塞。為避免這一現(xiàn)象的發(fā)生,可采用不易裂熱生成四氟乙烯物質(zhì)的二氟二氯甲烷(R12),或二氟一氯甲烷和氯兩者1:1的混合性氣體。 圖片
5.制品氧化
各類氣體結(jié)束后,爐子的冷卻,主要是以自然冷卻的方式,不能澆水強(qiáng)冷。氣體凈化爐產(chǎn)品氧化主要來自兩個(gè)方面。
(a)常見的人為因素——操作不當(dāng)造成風(fēng)、水氧化
①通氣結(jié)束后,沒及時(shí)將外部導(dǎo)氯管輸氣孔封閉,或封閉不嚴(yán),使空氣進(jìn)入;
②導(dǎo)氯管與爐墻連接之間有裂縫;
③抓上部保溫料過早或覆蓋不嚴(yán);
④爐頭尾導(dǎo)電電極有缺陷,使冷卻水進(jìn)入爐內(nèi)。
(b)不常見的人為因素——硅氣氧化
硅氣氧化是指由于操作不當(dāng),造成爐底或邊墻耐火材料燒壞、熔化,使硅蒸氣滲透到制品表面及內(nèi)部的一種現(xiàn)象。其原因大多是由于爐底和邊墻的保溫料經(jīng)多次循環(huán)使用后,電阻變小,絕緣程度變差造成電流的偏流所至。
操作中,為了防止耐火材料燒損產(chǎn)生硅氣對產(chǎn)品的侵害,爐芯的四周特別是爐底,每爐都應(yīng)有一定厚度(一般應(yīng)不小150mm) 的全新保溫料,同時(shí), 爐底支撐石墨導(dǎo)氣管的材料必須采用電阻較高的炭塊類, 決不能選用電阻小的石墨類。
(c)不常見的外部因素——?dú)怏w氧化
用于石墨化產(chǎn)品化學(xué)凈化的氮?dú)猓緦俟I(yè)級別,按純度,又分為一級和二級。無論是哪個(gè)級別,正常的情況下,都不會對產(chǎn)品造成傷害,但也有例外;原蘭州炭素廠在上世紀(jì)八十年代初,曾經(jīng)接連發(fā)生過氮?dú)庋趸a(chǎn)品的奇事(全部是下層產(chǎn)品氧化),后來經(jīng)分析和對生產(chǎn)氮?dú)獾膹S家考察,發(fā)現(xiàn)是氮?dú)庵苽溥^程中,由于設(shè)備出現(xiàn)了問題,又沒進(jìn)行出廠檢驗(yàn),導(dǎo)致氮?dú)庵械乃趾秃趿繃?yán)重超標(biāo),引起產(chǎn)品的下部氧化。在此,筆者提醒,因凈化提純,每爐用氮?dú)饬枯^多,采購時(shí)應(yīng)對生產(chǎn)廠家進(jìn)行必要的考察,選擇正規(guī),產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)標(biāo),有嚴(yán)格檢驗(yàn)程序的企業(yè)。
另外氟利昂在低溫時(shí),容易和炭發(fā)生反應(yīng),生成四氟化碳,對石墨產(chǎn)品造成侵蝕,因此,在爐溫1900℃之前,決不能通入氟氣,使產(chǎn)品出現(xiàn)化學(xué)傷害[2]。
6.其它相關(guān)事項(xiàng)
6.1 氣體操作
在化學(xué)凈化過程中,使用的氯氣和氟利昂均屬于有毒、有害氣體,一旦發(fā)生泄漏,人員過量吸入,會引起中毒,因此,操作、吊運(yùn)、貯存都必須嚴(yán)格按國家化學(xué)用品的有關(guān)規(guī)程、制度執(zhí)行。
氯氣的密度比空氣大,有強(qiáng)烈的刺激性氣味,一經(jīng)發(fā)現(xiàn),操作人員要佩戴防毒面具,用氨水找出泄漏源,用石棉繩沾水玻璃(又稱泡花堿),對泄漏點(diǎn)進(jìn)行封閉。
氯氣本身是一種黃綠色的氣體,和氨氣接觸,發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成氯化氨。
3Cl2+8NH3=6NH4Cl+N2 (氨氣過量)
3Cl2+2NH3=6HCl+N2 (氯氣過量)
氯化氨是一種濃烈的黃白色氣體,煙霧和刺激味很大。用氨水來尋找氯氣的泄漏點(diǎn),是化學(xué)凈化中常用的方法和必備的用品。
氯氣和氟利昂貯存和吊運(yùn)時(shí),嚴(yán)禁暴曬和碰撞,操作現(xiàn)場應(yīng)常備一個(gè)容積比瓶子大些的鐵槽和火堿,萬一遇到瓶子破損時(shí),可迅速將破損的瓶子吊入鐵槽內(nèi)進(jìn)行化合反應(yīng)處理(加入火堿和水)。
6.2 溫度的測定
由于化學(xué)凈化過程中,爐溫與通氣時(shí)間等有著十分密切的關(guān)系,因此須對每爐都要進(jìn)行測溫,同時(shí)為了防止石墨測溫管發(fā)生意外斷裂等,一般要安裝兩個(gè)。
具體測溫步驟如下:
低溫階段(室溫~1500℃左右),用熱電偶,如鉑銠-鉑型,連接數(shù)顯表,進(jìn)行自動測溫。
高溫階段(1500℃~最高爐溫~通氣結(jié)束),用紅外線測溫儀(最高可測3000℃),或光電高溫儀(最高可測3200℃)。
石墨化送電中,由于煙氣較多,當(dāng)進(jìn)入高溫階段,測溫時(shí)發(fā)現(xiàn)測溫孔煙氣過大,可用氮?dú)獯迪矗詼p少被測溫度的誤差。準(zhǔn)確的爐溫測定,是化學(xué)凈化法的保證。
6.3尾氣與處理
對爐中產(chǎn)生的煙氣(尾氣)進(jìn)行無害化處理,是當(dāng)今化學(xué)凈化過程中,所必須具備的環(huán)保條件之一。
在高溫下,氯、氟氣體與制品中的雜質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后,生成的氯化物和氟化物,經(jīng)分解,氣化而產(chǎn)生的煙氣,多數(shù)屬酸性氣體。根據(jù)化學(xué)中的酸與堿可生成鹽與水的中和反應(yīng)原理,利用工業(yè)火堿(NaOH)加入水稀釋后,對尾氣進(jìn)行處理,是目前國內(nèi)常用的、行之有效的方法。
6.3.1直接噴淋法
煙氣通過爐罩,進(jìn)入煙道,在爐道的尾部,建一個(gè)封閉的方長形處理室(處理室留有人員維護(hù)進(jìn)出通道,平時(shí)封閉),在處理室的下部,用混凝土,修成水池,并在水池的上部安裝若干條噴淋管,四周用石棉等材料填充密封,堿水通過泵體進(jìn)行循環(huán),使煙氣得到充分的噴淋。
輔助設(shè)施:為保證煙氣順利通過,可在煙道內(nèi)增加一臺抽風(fēng)機(jī),并在處理后的煙氣排放尾部,安裝一個(gè)略高出廠房的煙囪,(紅磚砌筑或鐵質(zhì)均可)。如企業(yè)有廢舊的煙囪,可直接利用。
直接噴淋法的特點(diǎn)是,費(fèi)用較低,維護(hù)方便,不占企業(yè)地面空間,可修建在地下。被處理后的煙氣,呈白色煙狀,檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。
6.3.2 罐式處理法
目前很多企業(yè)使用的方法,煙氣通過爐罩,進(jìn)入煙道,在風(fēng)機(jī)的作用下,使煙氣進(jìn)入裝滿堿水液體的不銹鋼處理罐內(nèi),經(jīng)過液體循環(huán)和煙氣鼓泡的原理使酸性氣體反應(yīng),煙氣在第一個(gè)罐反應(yīng)后,進(jìn)入第二個(gè)罐再次循環(huán),最后排除。
特點(diǎn):采用罐式處理法,費(fèi)用較高,維護(hù)難度大,需占用企業(yè)地面空間,被處理的煙氣效果較好,檢驗(yàn)達(dá)標(biāo)。
7.結(jié)語
利用化學(xué)凈化法,對石墨類產(chǎn)品進(jìn)行純化處理,本來是在我國上世紀(jì)很多企業(yè)和人員都掌握的一項(xiàng)正常技術(shù)。(如原蘭州炭素廠等單位就有氯化工崗位)。如今,在少數(shù)人員中,以“獨(dú)創(chuàng)技術(shù)”進(jìn)行所謂的保密和控制,拒絕參觀,拒絕交流,對此筆者不敢茍同。筆者認(rèn)為,上一代炭素人積累下來的經(jīng)驗(yàn)和知識,不應(yīng)該被時(shí)間和市場的變遷而中斷,更不應(yīng)該變成少數(shù)人的所謂“專利”,應(yīng)該一代一代的傳承下去。
中國炭素工業(yè)的前景是美好的,只有不斷交流,取長補(bǔ)短才能共同發(fā)展。互相封鎖,相互制約只會給中國的炭素工業(yè)發(fā)展帶來危害。
以上論述,純屬個(gè)人觀點(diǎn),在此不求一致,但求同感。
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作者簡介:田英文,男,黑龍江哈爾濱出生。1967年進(jìn)入炭素企業(yè)工作,1978年畢業(yè)于湖南大學(xué)化工系炭素專業(yè),從事炭素石墨化技術(shù)、工藝40多年,現(xiàn)聘為方大炭素新材料科技股份有限公司特種石墨生產(chǎn)技術(shù)指導(dǎo)。