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炼钢部分各种计算公式汇总

炼钢部分各种计算公式汇总

 

 

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炼钢部分各种计算公式汇总

1、转炉装入量

装入量=

  

2、氧气流量

Q=

Q-氧气流量(标态),

V-1炉钢的氧气耗量(标态),m3;

t-1炉钢吹炼时间,min或h

3、供氧强度

I=

I-供氧强度(标态),;

Q-氧气流量(标态),

T-出钢量,t

注:

氧气理论计算值仅为总耗氧量的75%~85%。

氧枪音速计算

α=(κgRT)1/2m/s

α—当地条件下的音速,m/s;κ—气体的热容比,对于空气和氧气,κ=1.4;g—重力加速度,9.81m/s2;R—气体常数,26.49m/κ。

马赫数计算

M=ν/α

M—马赫数;ν—气体流速,m/s;α—音速,m/s。

冲击深度计算

h冲=K

h冲—冲击深度,m;P0—氧气的滞止压力(绝对),㎏/㎝2;d0—喷管出口直径,m;H枪—枪位,m;ρ金—金属的密度,㎏/m3;dc—候口直径,m;B—常数,对低粘度液体取作40;K—考虑到转炉实际吹炼特点的系数,等于40。

在淹没吹炼的情况下,H=0,冲击深度达到最大值,即

 hmax=

有效冲击面积计算

R=2.41×104()2

R—有效冲击半径,m;νmax—液面氧射流中心流速,m/s;

νmax=ν出

·

ν出—氧射流在出口处的流速,m/s。

金属-氧接触面积计算

在淹没吹炼时,射流中的金属液滴重是氧气重量的3倍,吹入1m3氧气的液滴总表面积(金属-氧气的接触面积):

SΣ=

G金—1标米3氧气中的金属液滴重量=3×1.43㎏;r平均—液滴的平均半径,m;ρ金—金属液的密度,7×103㎏/m3。

金属-熔渣接触面积计算

S渣=

 V渣—乳化渣的总体积,m3;r渣—渣滴半径,m。

氧气高度计算

H=bPDe

H—氧枪喷头端面距熔池液面的高度,㎜;b—系数,随喷孔数而变化,四孔喷头b=45~60;P—供氧压力,MPa;De—喷头出口直径,㎜。

4、石灰的加入量(㎏/t)

当铁水P<0.30%时,

石灰加入量(㎏/t)=

每千克矿石补加石灰量(㎏)= 

当铁水P>0.30%时,

石灰加入量(㎏)=

石灰加入量(㎏/t)=

η-脱磷率,单渣法取90%,双渣法为90%~95%;

石灰加入量(㎏/t)=

当生成3CaO·P2O5时,

石灰加入量(㎏)= 

当生成4CaO·P2O5时,

石灰加入量(㎏)=

4CaO·P2O5和3CaO·P2O5在炼钢高温下都是稳定的化合物,生产时放出大量的热,3CaO·P2O5比4CaO·P2O5生成时放出的热量多。

只有当渣中P2O5的质量分数ω(P2O5)>3%时才有可能形成3CaO·P2O5。

实际生产中P2O5的质量分数一般不会超过1%。

吨钢石灰的加入量(㎏)

=

铁水带渣带入的SiO2应考虑铁水渣中CaO相当的SiO2量

ω(SiO2有效,铁水渣)= ω(SiO2,铁水渣)-

则辅原料及铁水带渣所需石灰用量(㎏)

5、渣量计算

渣量可以用元素平衡法计算。

Mn和P两元素,从渣料和炉衬中的来源很少,其数量可以忽略不计。

因而可以用Mn或P的平衡来计算渣量。

用Mn平衡计算渣量

设渣量为X,

终渣中氧化锰的含量已知为A%;,则渣中锰含量=A%×=B%;

锰来源量=铁水带锰量+废钢带锰量

    =铁水装入量×铁水中锰含量%+废钢装入量×废钢中锰含量%

锰支出量=钢水带锰量+炉渣带锰量

   =出钢钢水量×终点残锰量%+炉渣渣量×炉渣中锰含量%

根据质量守恒定律,锰来源量=锰支出量

铁水装入量×铁水中锰含量%+废钢装入量×废钢中锰含量%=出钢钢水量×终点残锰量%+炉渣渣量×炉渣中锰含量%

用P平衡计算渣量

设渣量为Y

终渣中氧化锰的含量已知为A%;,则渣中锰含量= A%×

=B%;

P来源量=铁水带P量+废钢带P量

  =铁水装入量×铁水中P含量%+废钢装入量×废钢中P含量%

P支出量=钢水带P量+炉渣带P量

  =出钢钢水量×终点钢水中P量%+炉渣渣量×炉渣中P含量%

根据质量守恒定律,P来源量=P支出量

铁水装入量×铁水中P含量%+废钢装入量×废钢中P含量%=出钢钢水量×终点钢水中P量%+炉渣渣量×炉渣中P含量%

6、白云石加入量计算

白云石加入量

石灰带入的MgO的量=石灰加入量×石灰中MgO含量%=A(㎏)

1t装入量炉衬熔损带出的MgO的量=1000×熔损的含量%×炉衬中MgO的含量%=B(㎏)

1t装入量终渣MgO的量=1000×渣量占金属装入量的量%×终渣成分中MgO含量%=C(㎏)

白云石的加入量=(终渣要求MgO的量C-石灰带入的MgO的量A-炉衬熔损带出的MgO的量B)/白云石中MgO的含量%=D(㎏)

白云石需补加石灰用量

补加石灰量=

 =F(㎏)

白云石相当的石灰量

白云石相当的石灰量=

=E(㎏)

∴石灰的加入总量=石灰加入量-补加石灰量-白云石相当的石灰量=G(㎏)

1炉钢渣量总量简单计算

炉渣总量/炉=石灰加入量+白云石×(1-白云石中烧碱含量%)+矿石加入量×(1-矿石中全铁含量%)+装入量×入炉金属料硅含量%×1000×60÷28

入炉金属料硅含量=装入量×铁水所占比例×铁水硅含量%+装入量×生铁块所占比例×生铁块硅含量%+装入量×废钢所占比例×废钢硅含量%

炼钢温度下分配系数常以渣中氧化物含量和元素的比值表示

LM==α

渣中氧化物含量换算的系数

α

0.7746

0.467

0.684

0.793

0.437

0.222

0.1693

根据脱磷效果确定硅、渣量计算

转炉炼钢脱磷能力较强,去磷量可达90%以上,在FeO%=14%时,脱磷指数为Lp=

炉渣碱度下脱磷指数Lp=

的最大值

炉渣碱度

2.4

2.8

3.5

4.0

Lp

120

210

440

480

实际脱磷指数只能达到最大值的50%~80%之间。

         

ω渣=([P]铁水-[P]钢水)×1000/[P]钢水L实

 ω渣= 

=A

L实=0.436Lp+0.3717

以100㎏炉料为例,磷的平衡关系为:

炉料中磷量=钢中磷量+渣中磷量

100ω[P]%料=Q钢ω[P]%料+Q渣ω(P)%

∵ω(P)%=0.437ω(P2O5)%,ω(P2O5)%=Lpω[P]%

100ω[P]%料=Q钢ω[P]%料+0.437Q渣Lpω[P]%

ω[P]%=100ω[P]%料/(Q钢+0.437Q渣Lp)

ω[P]%料—炉料中磷的质量百分数;

Q钢—钢水重量,㎏;

Q渣—炉渣重量,㎏。

炼钢铁水的最佳硅质量分数

渣量既要保证脱磷效果,又要考虑成本。

炼钢碱度一般取3.5,炉渣中CaO和SiO2占总渣量的50%~60%左右。

假定CaO+SiO2为渣量的55%,渣中CaO含量为B%,渣中SiO2含量为C%则

石灰的加入量(㎏/t)=渣量×渣中CaO含量%/石灰有效氧化钙

       =

铁水硅含量计算

渣中SiO2的量(㎏/t)=渣量×渣中SiO2含量%=A×C%=D㎏

每吨铁水的Si含量 ω(Si)=渣中SiO2的量/1000×28/60×100%=E%

     =

   =

∴铁水中的ω(Si)与ω(P)的关系为:

Si%=(P%铁水-P%出钢)×1000×100%×渣中SiO2含量%×28×100%)/(L实×P%出钢×60×1000)

Si%=

L实=0.436Lp+0.3717

还原性脱磷方案:

硅钙合金脱磷,要求用一定压力的氩气作为载流气体,将Ca—Si合金粉喷入钢液之中;电石脱磷,要求钢液温度为1575~1680℃、钢中碳的活度在0.02~0.30之间,脱磷率ηp可达50%以上;CaC2—CaF2合成渣脱磷,钢水温度在1575~1680℃,CaC2—CaF2渣系中CaF2的配比控制在10%~25%为好。

温度为1570~1680℃,ω(CaO)>24%时脱磷计算

lg

=

 -16+2.5lgΣω(FeO)%+0.08ω(CaO)%

当硫在渣、钢间的分配系数Ls一定时,钢液硫含量取决于炉料硫含量和渣量的计算

Σω(S)%=ω[S]%+ω(S)%·Q

Ls=ω(S)%/ ω[S]%

则ω[S]%=Σω(S)%/(1+Ls·Q)

Σω(S)%—炉料带入熔池的总硫量,%;ω[S]%—钢液中硫的质量百分数;ω(S)%—炉渣中硫的质量百分数;Q—渣量,%.

7、转炉热效率计算

总热效率=

 

8、出钢温度的计算

出钢温度=凝固温度(T凝)+过热度(α)+出钢过程温降(Δt1)+出钢完毕至精炼开始之前的温降(Δt2)+钢水精炼过程的温降(Δt3)+钢水精炼完毕至开浇之前的温降(Δt4)+钢水从钢包至中间包的温降(Δt5)

常用的凝固温度计算公式

Tn=1536-(78ω[C]+7.6ω[Si]+4.9ω[Mn]+34ω[P]+30ω[S]+5.0ω[Cu]+3.1ω[Ni]+2.0ω[Mo]+2.0ω[V]+1.3ω[Cr]+18ω[Ti]+3.6ω[Al]+80ω[B]+80ω[O]+90ω[N] +1300ω[H])

过热度-与钢种、坯型有关,方坯一般取20-30℃,板坯一般取15-25℃

9、冷却剂的冷却效应计算

Q冷=Q物+Q化

1㎏矿石的冷却效应

Q矿(kj/㎏)=1×(矿石热熔×(前期熔池温度-常温)+矿石熔化潜热+矿石中Fe2O3含量×112/160×还原铁吸收热量+矿石中FeO含量×56/72×还原铁吸收热量)

Q矿(kj/㎏=1×C矿×Δt+λ矿+1×(ω(e2O3)矿×112/160×6456+ω(FeO)矿×56/72×4247)

Q矿=1×(1.016×(1350-25)+209+矿石中Fe2O3含量×112/160×6459+矿石中FeO含量×112/160×4249)

1㎏废钢的冷却效应

Q废(kj/㎏)=1×((废钢固态热熔×(废钢熔化温度-常温)+废钢熔化潜热+液态热熔×(出钢温度-废钢熔化温度))

Q废(kj/㎏)=1×[(C固×(t熔-25))+λ废+C液(t出-t熔)]

Q废=1×(0.699×(1500-25)+272+0.837×(出钢温度-1500))

冷却剂用量确定

如果选择矿石为装入量的A%,则需要设废钢用量,设废钢用量χ㎏

Q余=A%(100+χ)×Q矿+χ×Q废

温度降低计算

T降℃=

T降℃=

假定设定废钢的冷却效应为1,则常用冷却剂的冷却效应换算值换算

冷却剂

重废钢

轻薄废钢

压块

铸铁件

生铁块

金属球团

烧结矿

铁块石

氧化铁皮

冷却效应值

1.0

1.1

1.6

0.6

0.7

1.5

3.0

3.0-3.6

3.0

冷却剂

石灰石

生白云石

石灰

无烟煤

焦炭

硅铁

菱镁矿

萤石

OG泥烧结矿

冷却效应值

2.2

2.2

1.0

-2.9

-3.2

-5.0

2.2

1.0

2.8

加入1%冷却剂时降温的经验数据

加入1%冷却剂

废钢

矿石

铁皮

石灰

白云石

石灰石

降温效果/℃

8~12

30~40

34~44

14~20

20~24

28~38

氧化1㎏元素的放热量及氧化1%元素使熔池升温度数

元素氧化反应

氧气吹炼

1200℃

1400℃

1600℃

[C]+{O2}={CO2}

244/33022

240/32480

236/31935

[C]+1/2{O2}={CO}

84/11286

83/11161

82/11035

[Fe]+1/2{O2}=(FeO)

31/4067

30/4013

29/3963

[Mn]+1/2{O2}=(MnO)

47/6333

47/6320

47/6312

[Si]+{O2}+2(CaO)=(2CaO·SiO2)

152/20649

142/19270

132/17807

2[P]+5/2{O2}+2(CaO)=4CaO·P2O5

190/25707

187/24495

144/19762

注:

表中分母上的数据为氧化1㎏某元素的放热量(KJ),分子上的数据为氧化1%该元素使熔池升温的度数(℃)。

熔池升温度数计算

Q=Σ(m·c)·Δt

Δt=Q/Σ(m·c)

Δt—熔池升温度数,℃;Q—1㎏元素氧化后放出的热量,kJ;m—受热物体(金属、炉渣、炉衬)的量,㎏;c—受热物体(金属、炉渣、炉衬)的比热容,kJ/(㎏·℃)

c金属=1.05kJ/(㎏·℃)、c炉渣=1.235kJ/(㎏·℃)、c炉衬=1.235kJ/(㎏·℃)。

10、合金元素吸收的计算

吸收率=

合金加入量计算

合金加入量(㎏/t)=

钢种规格中限%=

合金中元素增加量%=

增碳剂加入量(㎏)=

合金元素吸收率核算公式η%

η%=

铁合金中的氢含量范围

名称

硅铁(45%)

高碳锰铁

低碳锰铁

低碳铬铁

硅锰合金

电解镍

氢含量

(9.7~17.4)×10-6

(7.5~17.0)×10-6

8.1×10-6

(4.3~6.0)×10-6

14.2×10-6

0.2×10-6

铁合金中的氮含量范围

名称

硅铁(75%)

高碳锰铁

钛铁

高碳铬铁

硅锰合金

氮锰合金

氮鉻合金

ω[N]

0.003

0.002

0.022

0.039

0.025

2.88

7.67

1600℃时锰、碳、硅、铝的脱氧能力

脱氧元素(含量为1%)

Mn

C

Si

Al

钢液中平衡时ω[O]

0.10

0.02

0.017

0.0017

1600℃时钢中氧和铝的平衡含量

ω[Al]

0.1

0.05

0.01

0.005

0.002

0.001

ω[O]

0.0003

0.0004

0.0013

0.002

0.0037

0.0059

用热力学函数作为判断冶金反应方向及计算

ΔG=ΔGΘ+-19.149T·lgQ

ΔGΘ=-19.149T·lgK

ΔG—某一状态Q时的吉布斯自由能变化,J/mol;

ΔGΘ—由标准态到平衡状态时的吉布斯自由能变化J/mol;

Q—反应在非标准状态下活度的比值;

K—反应的平衡常数,用活度表示。

铝脱氧平衡关系

一般情况下,在1600℃时,当原始状态Q=1,则反应2[Al]+3[O]=Al2O3达到平衡时:

K==1013.24;当原始状态Q≠1,则

ΔG=19.149T·lg(Q/K)

2[Al]1%+3[O]1%=Al2O3纯   ΔGΘ=-1206220+390.39T

在1600℃时,ΔGΘ=-475020J/mol,K=

=10(475020/19.149×1873)=1013.24

例如:

一钢液ω[O]=0.02%,现向钢中加Al后,ω[Al]=0.08%。

在1600℃反应达到平衡时,钢中的ω[O]平、ω[Al]平各为多少,认为浓度很小时,可用浓度代替活度)?

解:

ΔG=19.149T·lg(Q/K)

   =19.149×1873×lg﴾

﴿

 =35866×lg(106.71/1013.24)

 =234205J/mol

∵反应生成Al2O3,其消耗的ω[O]%和 ω[Al]%的比值为:

===0.88889

又∵α2[Al]平·α3[O]平=(α[Al]- ω[Al]%)2·(α[O]- ω[O]%)3=1013.24

(0.08-ω[Al]%)2·(0.02-0.88889ω[Al]%)3=1013.24

∴ω[Al]%=0.02222,α[Al]平=0.08-0.02222=0.05778,ω[Al]平=0.05788%

ω[O]%=0.019754,α [O]平=0.02-0.019754=0.000246, ω[O]平=0.000246%

钛脱氧平衡关系

[Ti]1%+2[O]1%=TiO2纯     ΔGΘ=-661920+227.98T

K==10ΔGΘ/19.149T

当元素含量很低时,可用浓度代替活度计算,在1600℃时:

ω[Ti]%·ω[O]2%=10-6.5497=2.82×10-7

钢液用钛脱氧时,氧量必须满足下列等式关系:

ω[O]%原=ω[O]%平+MTiO2·(32/80)=ω[O]%平+0.4MTiO2

钛量满足下列等式关系:

MTi=ω[Ti]%平+MTiO2·(48/80)=ω[Ti]%平+0.6MTiO2

将上式合并得

(MTi-0.6MTiO2)·(ω[O]%原-0.4MTiO2)2=10-6.549T=2.82×10-7

MTi—100㎏钢液中Ti的加入量,㎏;

MTiO2—100㎏钢液中TiO2的生成数量,㎏;

ω[O]%原—钢液内原始的氧含量;

ω[O]%平—钢液内平衡时的氧含量;

ω[Ti]%平—钢液内平衡时的氧含量。

转炉终点的氧含量计算

ω[O]ω[C]=

碱性电弧的氧含量计算

[O]终=

熔池铁液中氧的饱和含量关系

ω[O]=0.23αFeO

钢中氧化量计算:

αo=94.07+36.8862/[%C]ppm

100t转炉钢水含氧量计算

[O]=10.99/[%C]+1.63T(℃)-880[%Mn]-2236ppm

150t转炉钢水含氧量计算

αo=36.63/[%C]+0.77T(℃)-1350.57[%Mn]-1387.78ppm

钢中氧含量计算

(%O)=-0.154[%C]+0.006(ΣFeO)-0.018[%Mn]+12×10-7T(℃)+0.0392

氧的脱碳效率

ηO2=

0.933=22.4/(2×12)

氧化单位碳量所需的氧量将随[%C]的不同而不同,大致如下

ω[C]/%

0.9~1.0

0.3~0.6

0.1~0.25

0.05~0.10

<0.05

单位耗氧量(m3)

0.03~0.06

0.04~0.06

0.05~0.07

~0.50

1.25~1.90

 

钢中碳的溶解

碳溶于铁液是吸热过程,随温度上升溶解度增加,吸收每克碳吸热1887J。

在炼钢的温度范围内,对于Fe—C二元系和Fe—C—Σ多元系,在不同温度下碳的饱和溶解度计算式:

Fe—C二元系 :

ω[C]%饱=1.3+0.00257t

Fe—C—Σ多元系:

ω[C]%饱=1.3+0.00257t+0.17ω[Ti]%+0.135ω[V]%+0.12ω[Nb]%+0.065ω[Cr]%+0.027ω[Mn]%+0.015ω[Mo]%-0.4ω[S]%-0.32ω[P]%-0.31ω[Si]%- 0.22ω[Al]%-0.074ω[Cu]%-0.053ω[Ni]%

上式中的标准含量以1%作单位。

合适含量见下表,合适温度范围是1150~2000℃。

铁中元素

Ti

V

Nb

Cr

Mn

Mo

S

P

Si

Al

Cu

Ni

含量/%

1

3.4

1

9

25

2

0.4

3

5.5

3.8

8

上式从各元素前的系数大小可看出变化程度,以此来估计多种元素的吸碳能力的大小。

碳氧浓度积

Kc===m=/ω[C]%·ω[O]%

不同碳含量和温度时的m值

ω[C]%

温度/℃

1650

1700

m×10-3

0.01

1.76

1.91

2.06

2.19

2.33

0.05

2.11

2.22

2.34

2.44

2.55

0.10

2.20

2.30

2.41

2.51

2.60

0.50

2.51

2.61

2.72

2.83

2.94

1.00

2.91

3.02

3.16

3.27

3.40

氧气转炉熔池中的实际氧含量ω[O]%实际高于在该情况下与碳平衡的氧含量ω[O]%平衡(m)值

ω[C]%·ω[O]%实际>ω[C]%·ω[O]%平衡(m)值

Δω[O]%=ω[O]%实际-ω[O]%平衡=ω[O]%实际-(m/ω[C]%)

11、出钢量计算

出钢量=

12、钢铁料计算

钢铁料消耗(kg/t钢)=

 

其中:

生铁包括冷生铁、高炉铁水、还原铁;废钢铁包括各种废钢、废铁等;

a.轻薄料废钢,包括锈蚀的薄钢板以及相当于锈蚀薄板的其他轻薄废钢,按实物量×60%计算,其加工压块按实物量×60%计算;

b.渣钢是指从炉渣中回收的带渣子的钢,按实物×70%计算;经过砸碎加工(基本上去掉杂质)的渣钢,按实物量×90%计算;

c.优质钢丝(即过去所称“钢丝”)、钢丝绳、普通钢钢丝(即过去所称“铁丝”)、铁屑以及钢锭扒皮车屑和机械加工的废钢屑(加工压块在内),按实物量×60%计算;

d.钢坯切头切尾、汤道、中注管钢、桶底钢、冻包钢、重废钢等均按实物计算;

简单算法

钢铁料消耗(kg/t钢)= 金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/合格钢坯

合格钢坯=[装入量×(1-吹损率)+合金加入量×合金回收率]×铸坯收得率

铸坯收得率应考虑钢包残钢量、连浇炉数、中包残钢量、铸坯定尺长度、铸坯割缝、头坯量和尾坯量、废品量(现场+退废)、切割时氧化损失、引流损失等影响。

钢铁料消耗(kg/t钢)=金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/(装入量-各种损失)

损失:

化学损失、炉渣损失、烟尘损失、喷溅损失等

钢铁料消耗(kg/t钢)=金属装入量(铁水+废钢+生铁块)×1000/(装入量-各工序损失)

各工序损失:

原料工序损失:

铁水带渣扣减量、铁水预处理的比例及其工序铁水损失、铁水翻罐和兑入时泼洒、废钢的折算;

炼钢工序损失:

化学烧损、钢渣中金属损失、金属铁氧化、渣中钢珠损失、喷溅损失、烟尘金属料损失、回炉钢水及新循环废钢损失(回炉钢水+自循环废钢)×吹损率)、按钢种分类统计;

连铸工序损失:

氧化铁皮损失、切缝损失、切头、切尾损失、连铸中间包余钢、工序钢包余钢、漏钢损失、连铸坯合格率、轧后退废。

13、炉渣氧化性的表示方法

全氧法

Σω(FeO)=ω(FeO)+1.35ω(Fe2O3)

全铁法(常用)

Σω(FeO)=ω(FeO)+0.9ω(Fe2O3)

当ω[C]>0.1%时,转炉吹炼末期的氧化铁总量计算式

Σω(FeO)%=4ω(CaO)%/ω(SiO2)%+0.3/ω[C]%+1×10-6t2+1.25

对于任何炉种的炉渣,特别是低碳钢(ω[C]≤0.05%)的钢液,氧化铁含量计算式

Σω(FeO)%=12+0.9/ω[C]%

在纯氧化铁渣下(α(FeO)=1),金属中的平衡含氧量即为饱和含氧

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