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1、第四章 原料及其加工处理,本章主要内容：4.1 概述4.2 天然矿物原料4.3 原料的加工处理重点：各种原料的性能特点。难点：无,4.1 概述,一、原料的分类1、原料的传统分类（1）玻璃工业所用的主要原料引入酸性氧化物的原料 引入SiO2的原料：石英砂、砂岩、石英岩等；引入B2O3的原料：硼酸、硼砂等；引入Al2O3的原料：长石、高岭土、叶腊石等；引入P2O5的原料：磷酸钠、磷酸钙等。,引入碱金属氧化物的原料 引入Na2O的原料：纯碱、芒硝等；引入K2O的原料：钾碱，硝酸钾等；引入Li2O的原料：含锂矿物。引入碱土金属氧化物的原料 引入CaO的原料：方解石、石灰石、白垩；引入MgO的原料：白云
2、石、菱镁矿等；引入BaO的原料：重晶石、硝酸钡等。,（2）陶瓷工业所用的主要原料可塑性类原料：主要是粘土类原料；瘠性类原料：石英类原料；熔剂类原料：长石类原料。（3）耐火材料工业所用的主要原料硅酸铝及刚玉质耐火材料的原料：粘土、硅质粘土、高铝矾土、工业氧化铝、烧结氧化铝等；硅质耐火材料的原料：硅石、脉石英等；MgO CaO系耐火材料的原料：菱镁矿、白云石等；,（4）水泥工业所用的主要原料石灰质原料：石灰岩、泥灰岩、白垩等；粘土质原料：黄土、粘土、页岩等；校正原料：铁矿石、炼铁厂尾矿等。,2、整体原料的综合分类（1）天然的无机非金属矿物原料 硅质的、长石类铝硅质的、云母类铝硅质的、粘土类铝硅质的
3、、高铝质的、钙质的、镁质的、其他等。（2）化工原料（合成原料）氧化铝、氧化锆、莫来石、碳化硅、氮化硅、钛酸钡、碳化硼、赛伦等。（3）工业固体废物 各类尾矿、粉煤灰、钢渣、炉渣等。,二、原料的选择1、组成合格而稳定 原料的化学组成、矿物组成以及粒度组成与含水率都应符合规定的要求。首先，原料的化学组成应该能够提供所制造材料需要具有的主要性能的条件。其次，原料的纯度也必须是合格的。原料质量要求标准化和稳定化。,2、易于加工处理3、工艺性能合适4、价廉而供应稳妥5、不易扬尘而无害,4.2 天然矿物原料,一、粘土类原料 粘土是自然界中硅酸盐岩石（主要是长石）经过长期风化作用而形成的一种疏松的或呈胶状致密
4、的土状或致密块状矿物，是一种或多种含水铝硅酸盐矿物的混合体。1、粘土的成因和分类（1）粘土的成因 各种富含硅酸盐矿物的岩石经风化、水解、热液蚀等作用都可以变成粘土。,4 KAlSi3O8+6H2O-2(Al2O32SiO22H2O)钾长石 高岭石+8SiO2+4KOH 2KAlSi3O8+H2O+CO2-Al2O32SiO22H2O 钾长石 高岭石+4SiO2+K2CO3,（2）粘土的分类 按成因分类 一次粘土：又称残留粘土或原生粘土，即母岩经风化崩碎后就地残留下来的粘土。特 点：质地较纯，耐火度较高，但颗粒较粗，可塑性较差。二次粘土：又称沉积粘土或次生粘土，是由风化而成的一次粘土经雨水、河川
5、的漂流及风力作用，而迁移在低洼的地方沉积形成的粘土层。特 点：颗粒细小，可塑性强，耐火度较低，常因混入呈色杂质而带各种颜色。,按耐火度分类 耐火粘土：耐火度在1580以上。难熔粘土：耐火度在13501580 之间。易熔粘土：耐火度在1350 以下。按可塑性分类 高塑性粘土：颗粒较细，水中易分散，可塑性好，呈疏松状。如：膨润土、木节土。低塑性粘土：水中不易分散，较坚硬，可塑性较小，呈致密块状。如：叶腊石、瓷石。,2、粘土的组成（1）粘土的化学组成 主要成分是SiO2，Al2O3和结晶水，同时含有少量碱金属氧化物(K2O，Na2O)；碱土金属氧化物(CaO，MgO)；着色氧化物(Fe2O3，TiO
6、2)等。,（2）粘土的矿物组成高岭石类（Al2O32SiO22H2O）：最常见的粘土矿物，由其作为主要成分的纯净粘土称为高岭土。吸附能力小，可塑性和结合性较差，杂质少，白度高，耐火度高。,蒙脱石类（Al2O34SiO2nH2O,n2）：遇水体积膨胀形成胶状物，具有很强的吸附力和阳离子交换能力，以蒙脱石为主要矿物的粘土称为膨润土，其颗粒细小，可塑性极强，能提高坯料可塑性和干坯强度，但杂质较多、收缩大、烧结温度低，坯料中膨润土的用量一般为5%以下。,伊利石类（K2O3Al2O36SiO22H2OnH2O）：又称水云母，一般可塑性低，干燥后强度小，干燥收缩小，烧结温度较低，一般在800左右开始烧结，
7、完全烧结温度在10001150。,（3）粘土的颗粒组成 粘土的颗粒组成是指粘土中含有不同大小颗粒的百分含量。粘土矿物颗粒较细，一般直径在2m以下。蒙脱石、伊利石类粘土的颗粒比高岭石类粘土细小。粘土颗粒越细，可塑性越强，干坯强度、干燥收缩也越大。,3、粘土的工艺性能（1）可塑性 可塑性：是指粘土与适量水混练后形成的泥团，在外力作用下，可塑造成各种形状而不开裂，当外力除去以后仍能保持该形状不变的性能。可塑性指数：粘土的液性限度（由塑性态进入流动态的最高含水量）与塑性限度（由固体态进入塑性态的最低含水量）之间的差值。可塑性指标：指在工作水分下，泥料受外 力作用最初出现裂纹时应力与应变的乘积。,强塑性
8、粘土：指数15 指标3.6 中塑性粘土：指数715 指标2.53.6 弱塑性粘土：指数17 指标2.5 非塑性粘土：指数1（2）结合性 结合性是指粘土结合瘠性原料后仍可形成可塑泥料并具有一定干坯强度的能力。一般可塑性强的粘土其结合力也大。,（3）离子交换性离子交换性：粘土颗粒因表面层的断键和晶格内部离子的不等价置换而带电，它能吸附溶液中的异性离子，这种被吸附的离子又可被其他相同电荷的离子所置换，这种性质称为粘土的离子交换性。交换容量：PH=7时100克干粘土所吸附能交换的阳（或阴）离子的物质的量。,（4）触变性触变性：粘土泥浆或可塑泥团当受到振动或搅拌时，粘度降低而流动性增加，静置后逐渐恢复原
9、状。此外，当泥浆放置一段时间后，在原水分不变的情况下出现变稠和固化现象，这种性质称为触变性。厚化度（或稠化度）：以泥浆粘度变化之比或剪切应力变化的百分数表示。,（5）收缩性干燥收缩：粘土经110干燥后，由于自由水及吸附水排出所引起的颗粒间距离减小而产生的体积收缩。烧成收缩：干燥后粘土经高温煅烧，由于脱水、分解、熔化等一系列的物理化学变化而导致的体积进一步收缩。总收缩：试样经干燥、煅烧后的尺寸总变化。,（6）烧结性能 开始烧结温度：当粘土在煅烧过程中，温度超过800900以上时，低共熔物出现，并填充在固体颗粒之间，由于其表面张力的作用，使固体颗粒进一步靠拢，引起体积急剧收缩，气孔率下降，密度提高
10、，这种开始急剧变化时的温度叫开始烧结温度。烧结温度：当温度继续升高时，收缩将不断增大，气孔率不断降低。当密度达到最大值时，称为完全烧结，此时的温度叫烧结温度。,软化温度：从粘土试样完全烧结开始，温度继续上升，会出现一个体积密度及收缩较稳定的阶段。持续一段时间后，如再继续升温，试样中的液相不断增多，以至于不能维持试样原有形状而变形，此时因发生一系列化学变化，使试样内气孔率增大，出现了膨胀现象。出现此情况的最低温度就叫软化温度。烧结范围：通常将烧结温度到软化温度之间试样处于相对衡定的阶段的温度区间称作烧结范围。,（7）耐火度耐火度：系粘土原料抵抗高温作用不致熔化的能力。它反映了材料在无荷重时抵抗高
11、温作用的稳定性。,二、石英类原料 1、石英的种类 自然界中的SiO2结晶矿物统称为石英，常用的石英类原料有：脉石英：由含二氧化硅的熔融岩浆充填于地壳表层的岩隙中经急冷凝固成为致密状结晶态石英，并呈矿脉状产出。SiO2含量可高达99%，杂质很少，外观呈白色，半透明，有油脂光泽，硬度高，是陶瓷秞料和优质玻璃的好原料。,砂岩：石英颗粒被胶结物胶结而成的一种碎屑沉积岩。SiO2含量为9095%，多呈白、黄、红等颜色。石灰质、粘土质、石膏质、硅质砂岩等。石英岩：系硅质砂岩经变质作用，石英颗粒再结晶的一种变质岩。SiO2含量为97%以上，外观呈灰白色，有鲜明光泽，硬度高，断面致密。,石英砂：是由含硅高的岩
12、石（如花岗岩、正长岩等）风化而成碎屑，经流水搬运，在河流、湖泊、海滨沉积而成。其粒细，不用破碎，但杂质含量多，成份波动大。硅藻土：由吸收溶解于水中的部分二氧化硅的微细硅藻类水生物死亡后演变而成的产物。质轻多孔，吸水和吸附能力强，熔点高，常用于隔热和隔音材料。燧石：含SiO2溶液经化学沉积在岩石夹层或岩石中的隐晶质SiO2。,2、石英的性质石英的外观因种类不同多呈乳白色、灰白色、半透明状，其断面具玻璃或脂肪光泽，莫氏硬度为7。密度波动于2.222.65，熔点1710，热膨胀系数小，传热性差，不导电。在常压下石英有七种结晶态和一个玻璃态，这些晶态在常压和在一定的温度条件下其结晶型态、结构会互相转化
13、，并伴有体积会发生变化。,三、长石类原料 长石是一种常见的造岩矿物，约占地壳总质量的50%。结构：属空间网架结构硅酸盐。化学组成：碱金属或碱土金属的铝硅酸盐，主要是含钾、钠、钙和少量钡的铝硅酸盐。,1、长石的种类正长石亚族：正长石亚族是钾、钠长石的连续类质同相系列，含正长石、透长石、微斜长石。正长石：解理面交角为直角。理想化学组成同钾长石。常混入Na2O，CaO等。透长石：正长石的高温变体(900)。微斜长石：解理交角呈8940，含Na2O,含量超过K2O时称钠微斜长石或歪长石。,斜长石亚族 斜长石亚族是钙、钠长石的连续类质同相系列。解理面交角86，化学组成为(100-n)NaAlSi3O8n
14、CaAl2Si2O8，其中n0100。此外,往往有钾长石以类质同相混入物存在。钡长石亚族 钡长石亚族是钾、钡长石类质同相系列，解理面交角近90。,2、长石的性质钾长石：具有很宽的熔融范围（1150 1530），熔化转变成白榴石(K2OAl2O34SiO2)和氧化硅。高温下钾长石熔体的粘度很大，且随温度的增高降低得很慢。钠长石：钠长石的熔化温度较低，约1120，熔化时无新相产生，液相的组成与晶相相同，粘度较低。在烧成过程中易引起坯体变形，但有利釉面的平整度。与钾长石相比较，能迅速烧结和熔融，并能大量溶解石英和粘土。,钙长石：钙长石的熔点较高(1550)，熔融温度范围窄，高温下熔体不透明，粘度也小
15、，故斜长石在陶瓷生产中多不采用。钡长石：钡长石的熔点更高(1710)，熔融温度范围不宽，普通瓷制品不选用。但其电学性能好，特别是介电损耗低，是无线电陶瓷的主要原料。,4.3 原料的加工处理,一、原料的初加工1、定义：初加工是指传统的矿物、岩石原料的机械加工。包括矿物、岩石原料的破碎、筛分、磨矿、分级等粒级加工，以及提高有用矿物原料品位为主要目的的选矿加工。,2、破粉碎（1）定义：是指在外力作用下，固体物料克服质点间的内聚力，使大块物料变成细小颗粒的总过程。（2）方法与分类,3、筛分定义：筛分是一种应用较广泛的分级作业，将散状物料置于具有一定尺寸筛孔的筛面上，通过筛面和物料间的相对运动，即可使物
16、料以筛孔尺寸为标准划分为筛上料和筛下料。作用：使原料颗粒适合于下一制造工序的需要；在粉碎过程中及时筛去符合细度的颗粒，使粗颗粒得以充分粉碎，提高设备粉碎效率。,4、选矿（1）定义：选矿是利用不同矿物的物理、化学性质的差异，将矿物集合体的原矿粉碎，分离出不同矿物并加以富集的操作。（2）方法：按照颗粒的粒度来进行选矿：主要用于松散的小颗粒的或土状的岩石，如砂、粘土等，可采用水淘洗或空气分离器来进行选矿。,按照颗粒的形状进行选矿：主要用于具有片状或针状的结晶矿物(如云母、石棉等)。按照密度来进行选矿：密度相差很大而颗粒大小相同的矿物所构成的松散物料，经淘洗或空气分离器，密度大的矿物降落在近处，而密度
17、小的则落在较远处。浮选法：是利用颗粒被液体润湿的程度的差别，即表面润湿性质的差异来进行选矿的。,磁选：是基于不同的矿物有不同的导磁系数，在磁选机中进行分选的方法。化学选矿：目前制备高纯原料的重要手段。它是利用一系列化学及物理化学、生物化学反应，将物料中有用成分提取出来的方法。,5、原料的热处理 帮助碎化原料：大块的石英岩质地坚硬，粉碎困难。利用石英573晶型转变所发生的体积效应，将石英在粉碎前预烧，然后急冷，使之产生内应力，原料变脆，可以大大提高粉碎效率。改变结构形态：特殊结构原料（层、片状）成型时易造成分层和颗粒定向排列，引起产品变形和开裂。大量使用时应进行预烧，使其发生转变，破坏原有的片、
18、层状结构。,减小收缩：可塑性很强的粘土，用量较多时，易使坯体在干燥和烧成过程中产生较大的收缩，导致制品开裂报废。为减少这类损失，有时将一部分粘土预烧成熟料，以降低坯体的收缩。稳定晶型：SiO2、Al2O3、ZrO2、TiO2等都有几种同质多晶体，加热过程中都有晶型转变并伴有体积效应。同时，各个结晶形态的性能也不一样。对于这类原料在使用之前一定要进行预烧，使其发生晶型转变，得到所要求的晶型。,二、原料的深加工1、深加工的概念 深加工是指经过初加工后的矿物或岩石产品，再进一步进行深度的精细加工，使之在主要技术、物理性能及化学性能上符合高档次高性能产品的要求。2、深加工的主要方法（1）精细提纯（2）
19、超细粉碎及精细分级（3）矿物的改型和改性,精细提纯,1、碱溶法提纯 碱溶法提纯适用于除去石墨、金刚石等盐类矿物中的硅酸盐杂质。,举例：石墨的碱溶提纯杂质：主要是极细粒浸染在石墨鳞片中的硅酸盐矿物和钾、钠、钙、镁、铁等的化合物。方法：碱溶水浸酸浸原理：利用石墨中的杂质在500高温下与氢氧化钠起反应，一部分生成溶于水的反应产物，被水浸出除去。而铁的氧化物在碱溶后用盐酸中和，生成溶于水的氯化铁，通过洗涤而除去。,化学反应：,2、酸溶法提纯 酸溶法提纯主要是除去非金属矿物中含铁的各种化合物。如Fe2O3、FeO、Fe(OH)3、Fe(OH)2、FeCO3等。,举例：酸对石英砂中含铁杂质的溶解作用杂质：
20、各种含铁物质。磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、钛铁矿、针铁矿以及石英颗粒表面氧化铁薄膜等。原理：杂质与酸反应生成可溶于水的反应产物被水浸出除去。,化学反应：与盐酸的反应：与硫酸的反应：,与草酸的反应：与氢氟酸的反应：,3、氧化还原漂白提纯 用于要求具有很高白度和亮度的陶瓷原料高岭土、重晶石粉的提纯。常用的漂白方法包括氧化法、还原法、氧化-还原联合法三种。,为什么不能用强酸法提纯高岭土？,（1）氧化漂白法杂质：黄铁矿原理：采用强氧化剂，在水介质中将处于还原状态的黄铁矿氧化成可溶于水的亚铁。化学反应：FeS2+8NaClO Fe2+8Na+2SO42-+8Cl-,（2）还原漂白法杂质：三价铁的氧化物原理：
21、采用强还原剂，将三价铁还原为易溶于水的二价铁过滤洗涤除去。化学反应：Fe2O3+Na2S2O4+H2SO4=Na2SO4+2FeSO3+H2O（3）氧化还原联合漂白法,4、高温煅烧提纯 高温煅烧作为一种提纯手段，主要是将非金属矿物中比较容易挥发的杂质（如碳质、有机质等），以及特别耐高温的矿物中耐火度较低的矿物通过煅烧而挥发掉。同时具有提纯和改性两种功能。,举例：,石墨煅烧提纯 基本原理是利用石墨能耐高温的性质、把石 墨置于特别的电炉中隔绝空气加热到2500 时，石墨中的灰分杂质被蒸发出去，而石墨 则再结晶，从而使石墨的纯度大大提高。,硅藻土煅烧提纯 由于硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩矿 物，
22、因此原矿中不可避免地伴生有大量的有机 质和粘土类矿物。由于硅藻土的特殊孔隙结 构，赋存于孔隙内的杂质很难用常规选矿方法 除去。滑石煅烧提纯高岭土煅烧提纯,超细粉碎 精细分级,1、什么是超细粉碎，为什么要进行超细粉碎？破碎、磨碎、细粉碎、超细粉碎较细的颗粒、严格的粒度分布、规整的颗粒外形、极低的污染程度2、为什么要进行精细分级？了解细颗粒不同于粗颗粒的显著特点比表面积和表面能很大晶体缺陷减少，抵抗外力增强,3、超细粉碎设备（1）机械式粉碎机类型：振动磨机、悬辊式粉碎机、搅拌磨机、塔式粉碎机、胶体磨机、离心磨机、挤压磨机等。原理：颗粒与磨机内壁、颗粒与介质、颗粒之间碰撞。特点：属于微粉碎，产品细度
23、、粒度分布、产品纯度欠缺。,（2）气流式粉碎机类型：扁平式、循环管式、特罗斯特式、沸腾床式等。原理：物料相互碰撞、摩擦、剪切。特点：属于超微粉碎，产品细度、粒度、纯度优良。,4、举例（1）振动磨机构造及工作原理,（2）搅拌磨机构造及工作原理搅拌器研磨筒研磨介质循环泵冷却装置,（3）扁平式气流粉碎机构造及粉碎原理,自行分级原理 气流粉碎的喷气流既是粉碎的动力，也是实现分级的动力。,（4）超细分级设备重力式分级 重力式分级机是利用不同粒径的颗粒在重力场中沉降速度不同而进行分级的。有水平流型和垂直流型二种类型。,分级原理：空气沿水平方向进入分级室，颗粒从垂直方向进入，在沉降分级室内，流体水平方向流动
24、，不同大小的颗粒在水平气流作用下做近似抛物运动，依次沉降至I、收集器中而最细级别的颗粒随气流进入气固分离装置。,分级原理：分级机的分级室内气流向上运动，沉降速度小于气流速度的颗粒被气流带出进入气固分离装置；沉降速度大于气流速度的颗粒则沉降至底部的粗颗粒收集器。,通过式分级,离心式分级,旋风式分级,超细分级自由涡离心力类：这类分级机的结构特点是无机械运动部件。分级力是气流在分级区内的旋转运动所产生的离心力。,强制涡离心力类：此类分级机大多是由高速转子或导向叶片产生的强制涡离心力场。,惯性力类 工作原理：颗粒运动时具有一定的动能，运动速度相同时，质量大者其动能也大，即运动惯性大。当它们受到改变其运
25、动方向的作用力时，由于惯性的不同会形成不同的运动轨迹，从而实现大小颗粒的分级。,矿物的改型和改性,一、改型和改性的概念 改性：凡是能改变非金属矿物的离子交换种类和可交换性，改变矿物结构内部孔隙率和膨胀性，改善矿物的吸附性，表面亲油（亲水）性及其他各种物理化学性能的技术，均可认为是对非金属矿物的改性。改型：改性的一种特殊型式，专指膨润土等矿物通过化学处理而使可交换性阳离子种类发生变化的深加工工艺技术。,二、改性的方式1、化学处理改性 通过矿物与酸、碱、盐等化合物作用，改变或改善矿物的理化性能。2、表面处理改性 通过矿物与有机偶联剂等改性剂作用，改善其表面化学性能，或与其它涂敷材料作用，改善其表面
26、物理或机械性能。3、热处理或高温处理改性 通过加热的方法或高温煅烧的方法，使矿物的物理或化学性能得到改变或改善。,三、举例1、膨润土的化学处理改性（改型）（1）膨润土改性的基本原理,（2）常见的膨润土改性钙基膨润土的钠（或锂）化 向钙基膨润土中加入一些钠盐或锂盐（碳酸钠或碳酸锂）用Na+（或Li+）置换蒙脱石层间的Ca2+、Mg2+，从而转化为钠（锂）基膨润土。膨润土的酸化 在强酸性溶液中，蒙脱石层间可交换的阳离子Mg2+、Al3+等被H+部分或全部置换，得到酸性白土，又称活性白土、漂白土等。,膨润土的有机化：为了使膨润土的膨胀、吸附、粘结、触变等优良件能在非极性或弱极性溶剂中显示出来而对膨润
27、土进行的有机化处理。膨润土的有机化改型，就是用有机阳离子(有机胺盐类)，置换蒙脱石晶片中可交换的阳离子(如Na+等)，使其覆盖于蒙脱石表面，从而堵塞了水的吸附中心，使其失去吸附水的作用，从而生成一种疏水亲油的有机膨润土络合物。,2、偶联剂对橡胶、塑料填料的表面改性 偶联剂：是一种具有两性结构的物质，分子中一部分基团可与无机矿物填料表面的各种化学基团反应形成强有力的化学键合，另一部分基团则具有亲有机物的性质，可与有机高分子发生化学反应或形成物理缠绕，在无机矿物与有机高分子之间形成特殊功能的“分子桥”，从而把两种性质差异很大的材料牢固结合起来。,3、热处理和高温煅烧改性 按矿物经处理后在形态、组成
28、、结构等方面的变化，可经矿物热处理分为：改性热处理高温膨胀煅烧高温分解煅烧高温熔融煅烧,（1）改性热处理 指经热处理后，矿物除了表面自由水、内部吸附水或结构水发生分解外，其它化学成分变化不大的热处理方法。,举例：高岭土的热处理改性改性机理：,（2）高温膨胀煅烧 矿物经热处理后，结构上急剧膨胀，物理性质（主要是密度）发生巨大变化。,举例：珍珠岩的煅烧膨胀什么是珍珠岩？珍珠岩是火山喷发的酸性熔岩（SiO2含量在70左右）经急速冷却而成的玻璃质岩石。膨胀机理 这种岩石从火山内部喷发出来时内于粒度很大、存在于岩浆中的水蒸气因急速冷凝来不及逸散、便形成每立方毫米内约有十几万个以上的极其微小的水泡，均匀分
29、布在岩石中。当这些岩石突然受高温作用时，小水泡迅速汽化，体积增大，最后冲破阻力爆发出来，在玻璃质岩体中留下空洞从而实现岩石的膨胀。,（3）高温分解煅烧 矿物经热处理后，在主要化学成分上发生重大变化。主要指碳酸盐矿物。,举例：石灰石的煅烧及轻质碳酸钙的加工（1）石灰石的煅烧（2）轻质碳酸钙的加工 轻质碳酸钙通常是指用Ca(OH)2吸收CO2，经沉淀、脱水、干燥后产出的白色粉末状物品。,煅烧工艺消化工艺碳化工艺,（4）高温熔融煅烧 固体矿物或岩石在达到熔点的温度下转变为液相高温流的工艺过程。包括单一成分的熔融及复合成分的熔融。,作业,1、粘土的成因，一次粘土和二次粘土的性能比较。2、名词解释：粘土的可塑性、触变性、离子交换性、烧结性能、可塑性指数、可塑性指标。3、什么是非金属矿物的改型和改性，改性方式主要有哪几种，各举一例加以说明。,
