HRM17/2X立式磨在精細(xì)重鈣粉生產(chǎn)中的應(yīng)用與研制

王國(guó)慶

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051）

HRM17/2X立式磨在精細(xì)重鈣粉生產(chǎn)中的應(yīng)用與研制

王國(guó)慶

（合肥水泥研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230051）

以年產(chǎn)8萬(wàn)t精細(xì)化重質(zhì)碳酸鈣粉體生產(chǎn)線系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與實(shí)踐為研究基礎(chǔ)，探索了HRM17/2X立式磨的研磨裝置、分級(jí)裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研制。結(jié)果表明，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品單機(jī)規(guī)模達(dá)到6.7t/h，精細(xì)化程度達(dá)到2μm細(xì)粉體積含量≥28%、d100≤38μm、d50=4.0～4.6μ m，噸產(chǎn)品電耗≤55.39kWh/t。實(shí)現(xiàn)了HRM17/2X立式磨裝備技術(shù)創(chuàng)新，重鈣產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、產(chǎn)品精細(xì)化節(jié)能生產(chǎn)。

重質(zhì)碳酸鈣；精細(xì)粉；立式磨；節(jié)能

1 前言

近5年來(lái)，國(guó)內(nèi)重質(zhì)碳酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)重鈣，GCC)等非金屬礦粉體需求高速增長(zhǎng)，帶來(lái)了產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、產(chǎn)品功能性不足、普通產(chǎn)品過(guò)剩等問(wèn)題和行業(yè)發(fā)展難題[1]。如何解決上述問(wèn)題，重點(diǎn)在于提升產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新水平。

雷蒙磨、環(huán)輥磨、球磨機(jī)等加工裝備技術(shù)雖然在一定程度上促進(jìn)了重鈣等非金屬礦粉體產(chǎn)業(yè)發(fā)展，但還存在單機(jī)產(chǎn)能低、噸產(chǎn)品能耗高、產(chǎn)品穩(wěn)定性差、產(chǎn)品同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、裝備技術(shù)水平創(chuàng)新不足等問(wèn)題[2，4，6]。因此，國(guó)內(nèi)科研院所及相關(guān)企業(yè)開(kāi)始轉(zhuǎn)向高效節(jié)能型的立式磨裝備及其配套技術(shù)的創(chuàng)新研究。

本文以年產(chǎn)8萬(wàn)t精細(xì)化重鈣粉體生產(chǎn)線工程為研究基礎(chǔ)，結(jié)合系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)與實(shí)踐，對(duì)HRM17/2X立式磨的研磨裝置、分級(jí)裝置等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)與研制，探索HRM立式磨如何適應(yīng)重鈣產(chǎn)業(yè)規(guī)?；c產(chǎn)品精細(xì)化發(fā)展。

2 HRM17/2X立式磨研制

2.1 研制依據(jù)

重鈣作為一種低碳環(huán)保型非金屬礦物粉體填料，廣泛應(yīng)用于造紙、塑料、橡膠、油漆、涂料、人造大理石板材等下游行業(yè)。隨著應(yīng)用行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，對(duì)重鈣產(chǎn)品功能性提出更多個(gè)性化需求，目的是起到改善制品的強(qiáng)度、韌性、穩(wěn)定性、透氣性、遮蓋率、耐水性等功能性，同時(shí)起到大幅度降低成本的作用[1-4]。

結(jié)合上述功能性需求，作為粉體加工裝備研發(fā)企業(yè)，應(yīng)該從重鈣類(lèi)非金屬礦粉體產(chǎn)品的粒度分布(d97、d100、2μm細(xì)粉體積含量、平均粒徑d50、比表面積)、顆粒形態(tài)、晶型結(jié)構(gòu)、白度、雜質(zhì)含量等與加工裝備的研磨效率、分級(jí)效率直接相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)上著手[2-5]，進(jìn)行立式磨裝備的設(shè)計(jì)與研制。

本文以d97=22μm重鈣粉體產(chǎn)品的粒度及其分布等性能要求為依據(jù)，具體如表1所示。

根據(jù)表1中產(chǎn)品的d97、d100、平均粒徑d50、2μm細(xì)粉體積含量、比表面積等粒度及其分布等要求，結(jié)合HRM立式磨在其他非金屬礦粉體加工行業(yè)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原HRM立式磨的研磨裝置與分級(jí)裝置等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

表1 d97=22μm重鈣粉體產(chǎn)品粒度及其分布分析

2.2 研制方案

根據(jù)上述研制依據(jù)，在充分的市場(chǎng)調(diào)研基礎(chǔ)上，消化吸收國(guó)外先進(jìn)的超細(xì)立式磨技術(shù)，結(jié)合HRM立式磨在精細(xì)重鈣粉體工程應(yīng)用分析，對(duì)原HRM立式磨的研磨裝置與分級(jí)裝置進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)[2，7-8]，擬開(kāi)發(fā)出HRM17/2X精細(xì)重鈣粉立式磨。

2.2.1 研磨裝置的研究與技術(shù)創(chuàng)新

立式磨的研磨裝置包含磨盤(pán)和磨輥，當(dāng)物料被喂入磨機(jī)后，在磨盤(pán)旋轉(zhuǎn)的作用下物料由磨盤(pán)中心向外側(cè)移動(dòng)，進(jìn)入磨輥和磨盤(pán)之間的研磨區(qū)域時(shí)，被磨輥和磨盤(pán)碾壓和磨擦，完成磨機(jī)的研磨作業(yè)。被研磨后的物料繼續(xù)向磨盤(pán)外移動(dòng)被拋向磨機(jī)的風(fēng)環(huán)處進(jìn)行淘洗，較細(xì)粉塵由風(fēng)環(huán)處的高速氣流帶向磨機(jī)頂部，這是一個(gè)初選的過(guò)程。流向磨機(jī)頂部的較細(xì)粉塵隨氣流進(jìn)入選粉裝置開(kāi)始后續(xù)分級(jí)作業(yè)。

粉磨物料的特性決定重鈣立式磨的研磨作業(yè)在設(shè)計(jì)上應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：穩(wěn)定的粉磨料床、與磨機(jī)規(guī)格相適應(yīng)的產(chǎn)能及在研磨過(guò)程中需產(chǎn)生足夠的細(xì)粉。

(1) 穩(wěn)定粉磨料床的形成是立式磨超細(xì)粉磨的前提。超細(xì)粉磨與普通粉磨相比，料床上物料的顆粒級(jí)配有著很大差異，平均顆粒的粒徑小很多，細(xì)粉含量多很多，物料在磨盤(pán)上的流動(dòng)性很大，這樣穩(wěn)定的粉磨料床很難形成。為解決此難題，本項(xiàng)目創(chuàng)新如下：

①磨盤(pán)轉(zhuǎn)速可調(diào)。通過(guò)增加變頻系統(tǒng)調(diào)節(jié)磨盤(pán)工作轉(zhuǎn)速，這樣在出現(xiàn)料床不穩(wěn)定的情況下可采用降低磨盤(pán)轉(zhuǎn)速的手段來(lái)減小物料的流動(dòng)性。

②加大磨輥有效粉磨作業(yè)面的寬度。該項(xiàng)創(chuàng)新有效地解決了磨輥在碾壓物料時(shí)因物料向兩旁滑動(dòng)而出現(xiàn)“陷入”的現(xiàn)象。

③采用小曲率研磨曲線的輥—盤(pán)配合設(shè)計(jì)。這樣物料在向磨盤(pán)外側(cè)移動(dòng)時(shí)會(huì)經(jīng)過(guò)較陡的爬坡后拋出，對(duì)物料的移動(dòng)形成了阻滯，利于料床的穩(wěn)定。

④設(shè)計(jì)高風(fēng)速風(fēng)環(huán)。由于風(fēng)環(huán)處的風(fēng)速很高，形成“噴吹”效果，可將拋向風(fēng)環(huán)上方的物料中細(xì)粉淘洗干凈送至分級(jí)裝置，從而有效避免了更多細(xì)粉隨外循環(huán)系統(tǒng)回至磨盤(pán)重新加入至料床中影響料床的穩(wěn)定性。

(2) 提高研磨作業(yè)中的細(xì)粉產(chǎn)出效率是超細(xì)立式磨的關(guān)鍵技術(shù)。本項(xiàng)目創(chuàng)新如下：

①高比壓輥—盤(pán)配合面設(shè)計(jì)。在研磨作業(yè)中，磨輥和磨盤(pán)對(duì)夾在其間的物料擠壓時(shí)為高比壓工作狀態(tài)，物料在一次經(jīng)過(guò)輥—盤(pán)的間隙時(shí)出粉率大大提高，且出現(xiàn)大量＜2μm細(xì)粉，這是后續(xù)分級(jí)作業(yè)的基礎(chǔ)。

②高磨輥壓力設(shè)計(jì)。首先，高磨輥壓力為研磨作業(yè)的高比壓實(shí)現(xiàn)提供了可能；第二，高磨輥壓力可更有效地將磨機(jī)驅(qū)動(dòng)的能量傳遞至研磨部位作功，充分發(fā)揮磨機(jī)的功率，保證了磨機(jī)的產(chǎn)量指標(biāo)。

(3) 本項(xiàng)目超細(xì)立式磨進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)前后各研磨參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

輥—盤(pán)配合如圖1所示，風(fēng)環(huán)設(shè)計(jì)如圖2所示。

表2 創(chuàng)新設(shè)計(jì)前后研磨參數(shù)對(duì)比

2.2.2 分級(jí)裝置的研究與技術(shù)創(chuàng)新

超細(xì)立式磨與普通立式磨的本質(zhì)區(qū)別在于超細(xì)立式磨的產(chǎn)品細(xì)度遠(yuǎn)超普通立式磨，如本項(xiàng)目研究的超細(xì)立式磨產(chǎn)品細(xì)度可達(dá)d97≤22μm。分級(jí)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)是達(dá)到產(chǎn)品細(xì)度要求指標(biāo)的保證。

要實(shí)現(xiàn)超細(xì)微粉的分級(jí)首先要選擇合理的選粉形式，如普通的動(dòng)態(tài)選粉裝置就無(wú)法達(dá)到精細(xì)分級(jí)要求。本項(xiàng)目采用的是動(dòng)—靜態(tài)組合式分級(jí)裝置(見(jiàn)圖3)，靜葉片起到粗篩大顆粒的目的，動(dòng)葉片起到控制產(chǎn)品d97、d100粒度指標(biāo)、達(dá)到精細(xì)分級(jí)的作用。這為分級(jí)裝置的優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

圖1 輥—盤(pán)配合示意圖

圖2 風(fēng)環(huán)示意圖

圖3 動(dòng)—靜態(tài)組合式分級(jí)裝置

在分級(jí)裝置中，分級(jí)轉(zhuǎn)子是核心。本項(xiàng)目在分級(jí)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計(jì)上進(jìn)行了如下創(chuàng)新：

(1) 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新。

①轉(zhuǎn)子葉片大偏角設(shè)計(jì)。大偏角葉片在工作時(shí)增大了粉塵通過(guò)轉(zhuǎn)子時(shí)的難度，從而起到對(duì)超細(xì)粉的選擇性通過(guò)作用。

②增加轉(zhuǎn)子在軸向上的高度。轉(zhuǎn)子高度增加后，轉(zhuǎn)子的有效選面積增大，通過(guò)轉(zhuǎn)子的氣—固相流速大大降低，這樣就有利于待分級(jí)的氣—固相流中更多較大粒徑的顆粒提前進(jìn)行沉降至轉(zhuǎn)子下方的灰斗中，從而大大提高了轉(zhuǎn)子的分級(jí)效率。

(2) 轉(zhuǎn)子的運(yùn)行參數(shù)設(shè)計(jì)中轉(zhuǎn)速是最重要的控制參數(shù)。本項(xiàng)目中轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為高轉(zhuǎn)速，而且還可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而保證了轉(zhuǎn)子進(jìn)行超細(xì)分級(jí)的實(shí)現(xiàn)并可根據(jù)實(shí)際需求分級(jí)出不同的產(chǎn)品。

在本項(xiàng)目的研發(fā)過(guò)程中，運(yùn)用了最先進(jìn)的計(jì)算機(jī)模擬流場(chǎng)分析手段對(duì)磨內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，采用初方案分析→方案改進(jìn)→再分析→方案再改進(jìn)的閉環(huán)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法，對(duì)分級(jí)裝置整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)，直到最終達(dá)到滿(mǎn)意的方案。配合采用合理的轉(zhuǎn)子間隙密封方式，確保分級(jí)精度與分級(jí)效率兼顧。圖4為分級(jí)裝置的流場(chǎng)。

圖4 分級(jí)裝置流場(chǎng)

(3) 本項(xiàng)目的轉(zhuǎn)子采用了新型耐磨材料，極大提高了轉(zhuǎn)子的耐磨性，減少了因轉(zhuǎn)子的磨損而產(chǎn)生帶入超細(xì)產(chǎn)品中的雜質(zhì)。

2.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

擬通過(guò)上述設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使HRM17/2X精細(xì)重鈣粉立式磨的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到表3的要求。

3 工程應(yīng)用與分析

3.1 原料及方案規(guī)劃

3.1.1 原料理化性能

國(guó)內(nèi)某知名重鈣粉體企業(yè)所選用的原料為方解石，礦石樣品的理化指標(biāo)如表4所示。

3.1.2 方案規(guī)劃

根據(jù)上述原料理化指標(biāo)以及國(guó)內(nèi)重鈣產(chǎn)品市場(chǎng)需求，該企業(yè)考察國(guó)內(nèi)外重鈣粉體加工裝備與技術(shù)后，與合肥水泥研究設(shè)計(jì)院、合肥中亞建材裝備有限責(zé)任公司等單位合作，結(jié)合各單位在粉體加工與應(yīng)用研究等方面的寶貴經(jīng)驗(yàn)，就新建的精細(xì)化重鈣微粉生產(chǎn)線工程的產(chǎn)品規(guī)劃、系統(tǒng)設(shè)備選型與配套、系統(tǒng)工藝路線設(shè)計(jì)等進(jìn)行了深入分析研究。具體如下：

表3 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)指標(biāo)及其要求

表4 原料理化指標(biāo)

(1) 年產(chǎn)規(guī)模：年產(chǎn)8萬(wàn)t。

(2) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：細(xì)度d97=8～44μm的中高端產(chǎn)品。

(3) 工藝路線：立式磨+二次分級(jí)+濕法研磨的系統(tǒng)工藝集成。

設(shè)計(jì)方案本著產(chǎn)品滿(mǎn)足市場(chǎng)基礎(chǔ)需求及部分高端市場(chǎng)需求，提升產(chǎn)品附加值，實(shí)現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益為目的。采用高效節(jié)能、綠色環(huán)保裝備與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益為目的。

3.2 工藝流程設(shè)計(jì)

該公司HRM17/2X年產(chǎn)8萬(wàn)t重鈣微粉生產(chǎn)線工藝流程示意如圖5所示。

其工藝和產(chǎn)品精細(xì)化設(shè)計(jì)思路是：①325～600目的重鈣微粉(基礎(chǔ)需求)產(chǎn)品直接由立式磨出品；②干法800～1 250目中高端精細(xì)產(chǎn)品由二次分級(jí)完成；③2μm含量60%～95%的中高端精細(xì)產(chǎn)品利用二次分級(jí)下品做原料，經(jīng)過(guò)濕法研磨制得。目的是在滿(mǎn)足市場(chǎng)基礎(chǔ)需求的基礎(chǔ)上，提升產(chǎn)品精細(xì)化程度，滿(mǎn)足市場(chǎng)中高端產(chǎn)品需求。同時(shí)完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提升產(chǎn)品應(yīng)用性能和附加值。

圖5 年產(chǎn)8萬(wàn)噸精細(xì)化重鈣微粉工藝示意圖

3.3 應(yīng)用分析與評(píng)價(jià)

3.3.1 運(yùn)行指標(biāo)分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案與工藝流程，分別從合理進(jìn)料粒度、最佳磨盤(pán)轉(zhuǎn)速、磨盤(pán)擋料環(huán)位置與高度設(shè)定、磨環(huán)間隙大小選擇、磨輥壓力、分離器轉(zhuǎn)速設(shè)定等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的角度，對(duì)HRM17/2X立式磨的技術(shù)性能進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用研究與分析。

經(jīng)過(guò)三個(gè)月的設(shè)備研制及系統(tǒng)工藝優(yōu)化，HRM 17/2X立式磨生產(chǎn)的產(chǎn)品運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)如表5所示。

由表5可見(jiàn)，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，其中d100、d50、2μm細(xì)粉體積分?jǐn)?shù)、噸產(chǎn)品能耗等指標(biāo)還優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)。

在HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品基礎(chǔ)上，我們重新調(diào)整HRM17/2X立式磨的磨盤(pán)轉(zhuǎn)速、磨輥壓力、分級(jí)機(jī)轉(zhuǎn)速以及磨內(nèi)過(guò)風(fēng)速度，探索了d97≤18μm產(chǎn)品的生產(chǎn)，具體運(yùn)行指標(biāo)如表6所示。

表5 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97=22μm產(chǎn)品運(yùn)行指標(biāo)分析

表6 HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97≤18μm運(yùn)行指標(biāo)分析

由表6可見(jiàn)，HRM17/2X立式磨生產(chǎn)的d97≤18 μ m產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到了該檔次產(chǎn)品的市場(chǎng)應(yīng)用要求值指標(biāo)。

3.3.2 產(chǎn)品升級(jí)條件考察

從重鈣深加工工藝角度來(lái)看，立式磨的產(chǎn)品不僅要滿(mǎn)足市場(chǎng)基礎(chǔ)需求，而且需滿(mǎn)足二次分級(jí)對(duì)立式磨出粉的要求，以便產(chǎn)品精細(xì)化程度的提升，更好的適應(yīng)市場(chǎng)中高端需求，提高產(chǎn)品附加值。

滿(mǎn)足產(chǎn)品升級(jí)的關(guān)鍵條件為細(xì)粉的體積分?jǐn)?shù)，即立式磨生產(chǎn)的產(chǎn)品中10μm、5μm細(xì)粉的含量，下面分別考察上述運(yùn)行產(chǎn)品的細(xì)粉體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 產(chǎn)品的細(xì)粉含量及二次分級(jí)要求情況

從表7中列出的產(chǎn)品10μm、5μm細(xì)粉的含量來(lái)看，已經(jīng)達(dá)到了二次分級(jí)的要求值，完全滿(mǎn)足產(chǎn)品升級(jí)條件。

根據(jù)上述運(yùn)行指標(biāo)分析與產(chǎn)品升級(jí)條件考察可見(jiàn)，HRM17/2X立式磨已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，不僅實(shí)現(xiàn)了一次性產(chǎn)品規(guī)?；?、精細(xì)化生產(chǎn)，同時(shí)滿(mǎn)足了產(chǎn)品升級(jí)加工的條件，為重鈣產(chǎn)業(yè)裝備技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)品精細(xì)化升級(jí)創(chuàng)造了條件。

4 結(jié)語(yǔ)

HRM17/2X精細(xì)重鈣粉立式磨所生產(chǎn)d97=22μm的產(chǎn)品單機(jī)規(guī)模達(dá)到6.7t/h，精細(xì)化程度達(dá)到2μm細(xì)粉體積分?jǐn)?shù)≥28%、d100≤38μm、d50=4.0～4.6μm，噸產(chǎn)品電耗≤55.39kWh/t。設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)效率達(dá)到98%。經(jīng)安徽省科技廳鑒定，該裝備技術(shù)項(xiàng)目運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)達(dá)到或優(yōu)于項(xiàng)目設(shè)計(jì)指標(biāo)，達(dá)到同類(lèi)裝備國(guó)際先進(jìn)水平。

HRM17/2X精細(xì)重鈣粉立式磨的成功研制，不僅有助于國(guó)內(nèi)重鈣產(chǎn)品精細(xì)化技術(shù)升級(jí)，還有助于促進(jìn)我國(guó)非金屬礦粉體加工裝備技術(shù)升級(jí)，同時(shí)也提升了我國(guó)非金屬礦粉體裝備技術(shù)在國(guó)際上的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。

[1]秦廣超.新常態(tài)下重質(zhì)碳酸鈣產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新與結(jié)構(gòu)調(diào)整[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2016，22(3)：90-95.

[2]秦廣超.HRM超細(xì)立式磨的研制與應(yīng)用分析[J].中國(guó)粉體技術(shù)，2016，22(4)：78-82.

[3]鄭水林.非金屬礦加工與應(yīng)用(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：13-42.

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The Application and Development of HRM17/2X Vertical Roller Mill in the Production of Fine Ground Calcium Carbonate Powder

WANG Guo-qing
(Hefei Cement Research & Design Institute, Hefei 230051, China)

In this paper, combined with the non-metallic mineral industry technology innovation and development direction and the characteristics of the demand for its products under the economic new normal. Study on the process and practice of the production line system of fine ground calcium carbonate (GCC) powder with an annual output of 80 thousand tons. The innovation design and development of the grinding device and grading device of HRM17/2X vertical roller mill are explored. The results show that the HRM17/2X vertical roller mill production d97=22μm single scale products reached 6.7t/h, the degree of precision reached 2μm fine powder volume content is more than 28%, d100≤38μm, d50=4.0～4.6μm, energy consumption per ton of products is less than or equal to 55.39kWh/t. It realized that the technology innovation of HRM17/2X vertical grinding equipment, GCC industry scale, product fine energy-saving production.

ground calcium carbonate (GCC); fine powder; vertical roller mill; energy-saving

TD453

A

1007-9386(2017)01-0027-05

2016-12-02