造纸原理与工程
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造纸原理与工程实验指导书适用专业:轻化工程专业学时:15福建农林大学材料工程轻化工程实验室2009年2月19日内容:实验一:打浆、抄纸及纸张物理性能测试1.目的要求:造纸原理与工程综合性实验,是在课堂理论教学后进行。
实验注重理论与实践相结合,以理论指导实践;实验不采用固定的教学模式,在教师的指导下学生根据采集的纸浆原料,按照实验的标准方法,采用不同的打浆比压及打浆时间进行打浆实验,并对打后浆料进行抄纸,然后按照国家标准方法进行纸张物理性能的测试,在实验中实施验证打浆理论、打浆对纸张强度性能的影响。
使课堂上学的理论知识与实践相结合,充分发挥学习的主动性,提高实验实用性,为在专业上独立工作打好基础。
要求学生通过实验了解纸浆与打浆比压、打浆时间与打浆比压之间的关系,制定适宜的打浆工艺,根据纸浆的特点做出合理的打浆曲线图;同时了解纸浆打浆度与纸张物理性能之间的关系,掌握打浆对纸张物理强度影响的基本原理;学习使用瓦利打浆机、叩解度测定仪及各种在各种纸张物理性能测试仪器,将课堂上学习的理论知识进行实际应用。
2.实验原理(1)打浆原理:一定浓度的浆料在打浆机内进行机械处理,使纤维在飞刀和底刀间经受不同的作用而被疏解、切断、润胀、压溃和细纤维化等作用,从而使浆料具有一些特定的性能。
(2)打浆度仪工作原理:根据打浆度程度不同浆料的滤水速度不同的道理设计的打浆度仪,在将含有2g绝干浆的悬浮液1000mL倒入滤水筒内,纤维即在滤网上形成滤层,水通过滤层进入分离室,随之从两个排水管流出。
打浆时间短,浆料滤水快,从侧流管流出的水量就多;反之,从侧流管流出的水量就少。
用特制的量筒收集从侧流管流出的滤液,即可直接读出纸浆的打浆度值。
(3)纸页成形原理:用常规成形器在真空条件下于铜网上,从纸浆悬浮液制备纸页,在400kPa的压力下经两次压榨,然后把紧贴在干燥板的纸页在一定温度下进行干燥。
(4)纸张物理性能测试原理:抗张强度仪工作原理:摆的平衡。
制浆造纸原理与工程部分一、基本要求系统掌握制浆造纸过程的基本概念、基本原理、基本理论及方法、主要装备的工作原理及操作方法等,了解国内外制浆造纸工业的发展趋势和及新技术的应用。
二、具体内容(一)制浆原理与工程1.制浆的概念和现代制浆的基本过程,制浆方法的分类和纯浆品种的区分,制浆方法及技术发展趋势;2.原料贮存及备料;3.化学法制浆;重点掌握蒸煮原理、蒸煮过程与蒸煮技术;了解蒸煮设备特点及应用;掌握化学浆的性质(质量指标)与用途;了解化学法制浆的新发展;4.机械法和化学机械法制浆;5.了解机械法和化学机械法制浆的分类和用途;6.掌握盘磨机磨浆原理及影响因素;7.掌握普通机械浆原理(RMP)、预热盘磨机械浆(TMP)、化学热磨机械浆(CTMP)、化学机械浆(CMP)和磺化化学机械浆(SCMP)、生物机械浆(BMP)、爆破法高得率浆(EXP)、挤压法机械浆(EMP)等制备过程及成浆特性;8.掌握纸浆的洗涤与废液的提取基本原理、洗涤方式及其影响因素,洗涤设备(结构特点为、工艺参数、适应性及优缺点),了解泡沫的形成与消泡;9.掌握纸浆筛选原理及影响因素、筛选设备(工作原理、结构特点、工艺条件、适应性及优缺点);纸浆净化原理、设备及影响因素(沉砂沟、锥形高渣器、筒形除渣器、高浓除渣器、逆向除渣器等的工作原理、结构特点、工艺条件及适应性);了解筛选净化流程的组合;10.了解废纸回用的意义,废纸的分类与收集,废纸再生过和性质的变化;11.掌握废纸的离解与废纸浆的净化与浓缩基本过程及原理;12.掌握废纸脱墨原理、脱墨方法、脱墨剂的性能与种类,废纸脱墨流程、工艺与设备,废纸脱墨的影响因素,浮选法和洗涤法脱墨的比较;了解废纸再生新技术;13.了解漂白历史及发展趋势,漂白目的与分类,漂白化学品和漂白流程;14.掌握纸浆的颜色、白度、发色基因与漂白原理;15.掌握化学浆的含氯常规漂白的方法及原理;16.掌握化学浆的无元素氯与全无氯漂白的方法及原理;17.掌握高得率纸浆的漂白方法及原理;18.掌握废纸浆的漂白方法及原理;19.掌握纸浆的返黄和返黄值,纸浆返黄的机理和影响因素,稳定白度减轻返黄的方法;20.了解蒸煮液的帛备及蒸煮废液的回收与利用。
课程性质与特点ﻫ本课程为制浆造纸专业的主干专业课程。
这是一门理论与实践结合十分紧密的课程,内容涵盖了造纸过程的基本理论和造纸工程的主要工艺过程。
课程内容设置的特点是按照造纸生产过程来安排的,包括绪论、打浆、添料、纸的抄造、纸板的生产、纸张的结构与性质、加工纸和非植物纤维纸。
在内容上既反映了当代造纸学科的先进水平,又兼顾了我国制浆造纸工业的实际情况,做到学以致用。
本课程的另一个特点是综合性较强,应注意与其他相关课程的联系。
学习内容提要概论一. 纸的历史ﻫ二. 造纸工业在国民经济中的地位ﻫ三.国内外造纸工业的现状和发展ﻫ(一)世界纸及纸板的总产量、增长率、主要品种结构及地区分布(二)世界纸浆的总产量、增长率及主要品种结构ﻫ(三)纸及纸板消费(四)当前世界造纸工业的一些特点ﻫ1.产量虽有增长,但由于纸价下降,总体经济效益却没有相应的增长,部分企业经济效益有所下降。
ﻫ2. 纸及纸板消耗的原浆量不断下降3.纸及纸板产量的增长,既有新增生产能力,也依靠设备运转率的提高;纸浆增长则主要依靠运转率的提高。
ﻫ4.企业间的合并、收购事件不断增加,企业规模日益扩大。
(五)中国造纸工业现状及发展1、基本情况纸和纸板年产量居世界第二位。
纸和纸板消费总量居世界第二位。
ﻫ中国人均消费:30 KG。
世界人均消费:56KG。
ﻫ2、我国造纸工业面临的挑战ﻫ3、近年来的成绩4.存在的主要问题ﻫ木浆比重小、企业规模小、中高档纸生产能力小;环境污染大。
5. 中国造纸工业的发展前景十分乐观,原因是:①国民经济持续稳定发展,造纸工业相应发展。
②各项改革的继续和深化,以及组织结构、产业结构、产品结构的调整,市场经济日趋成熟。
造纸企业的产品、品种、档次必将会逐步适应市场需求,实际上这个过程正在发生,也正在逐步显效。
ﻫ③世界造纸工业的科技进步和结构调整,形成了造纸工业国际化的世界格局,今后国际竞争全球化的趋势会更加明显。
中国市场潜力巨大,吸引国际资本和技术向中国转移,提供了发展机遇,同时激烈的竞争,又给中国的造纸工业带来了严峻的挑战和压力。
造纸原理与工程复习题一、绪论:1、纸的定义:以纤维(主要是植物纤维和非植物纤维)和非纤维添加物(如填料等)为主要原料,借助水或空气等介质分散和成形的、具有多孔性网状物结构的特殊薄张材料。
2、什么是纸页的两面差?纸张正面比较平滑,细小纤维多,其结构细密;反面(网面)比较粗糙,粗大纤维较多,其结构比较疏松;纸张正面有浓度较高的胶料、填料和细小纤维,使纸张两面的整饰和反射度有差别3、纸张的机械性能有哪些?裂断长、耐破度、耐折度、撕裂度、紧度、不透明度、伸长率和伸缩性、吸收性和透气度、脆性4、多层抄造的纸具有什么特点?二、打浆1、纤维间氢键:P18纸幅在干燥时,水分蒸发,纤维受水的表面张力作用,使纸幅收缩,纤维之间进一步靠拢,当相邻的两根纤维的羟基距离缩小到0.28nm以内时,纤维素分子中羟基的氢原子与相邻纤维羟基中的氧原子产生了O-H-O连接,形成氢键结合。
2、打浆的定义?利用物理的方法处理水中的纸浆纤维,使其具有适应造纸机抄造上所要求的特性,而抄出来的纸张又能达到质量要求的一项工艺过程称为打浆。
3、为什么要打浆?1、原浆表面光滑挺硬而富有弹性,纤维比表面积小有缺乏结合性能2、在网上难获得均匀的分布,成纸疏松多孔,表面粗糙易起毛,结合强度低,纸页性能差,不能满足使用要求。
4、打浆能完成哪些任务?1)利用物理方法,对水中纤维悬浮液进行机械等处理,使纤维受到剪切力,改变纤维形态,使纸浆获得某些特征(机械强度、物理性能),保证抄造出来的产品取得预期质量要求;2)通过打浆,控制纸料在网上的滤水性能,以适用纸机生产需要。
5、打浆在纤维上的作用引起哪些变化?1)细胞壁的位移和变形;2)出生壁和次生壁外层的破除;3)吸水润胀;4)细纤维化5)横向切断或变形 6)产生纤维碎片 7)其他次要作用6、打浆方式有哪几种?什么叫粘状打浆?长纤维游离状打浆、短纤维游离状打浆、长纤维黏状打浆、短纤维黏状打浆。
黏状打浆即以纤维吸水润胀,细纤维化为主的打浆方式。
《制浆造纸原理与工程》课程教学大纲Pulping and Papermaking Principles and Engineering1、开课学院资源科学与造纸工程学院2、学时:96学时;学分:6学分3、适用专业:轻化工程4、课程类别:专业领域课5、授课方式:理论6、课程的性质和任务:通过本课程的学习,使学生掌握制浆造纸过程的基本概念、基本理论及其主要工艺,纸浆的蒸煮、筛选、净化及漂白,纸与纸板的抄造等基本原理与现代工艺技术,通过本课程的学习,使学生对制浆造纸工艺技术有一个较全面、系统的认识。
7、课程内容与基本要求:本课程为轻化工程专业必修的专业课程,主要讲解整个制浆造纸过程的基本概念、基本原理与相关工艺技术,制浆造纸新技术、新工艺及其工程应用。
通过本课程的学习,使学生掌握制浆造纸相关的基本知识与理论,熟悉国内外制浆造纸科学与技术领域新理论、新工艺和新装备,为从事制浆造纸科学技术工作打下良好的基础。
课程的内容主要包括纤维特性与原料备料、化学法制浆、高得率制浆与废纸制浆、纸浆的筛选净化、纸浆的漂白、蒸煮液制备以及制浆废液的回收与利用;纸料的流体与湿部化学特性,磨(打)浆原理与技术,非纤维物质的添加与应用原理,造纸机的供浆与白水系统,纸与纸板抄造过程(纸料上网、纸页的成型与月兑水、纸页的压榨、干燥、纸页的压光、卷曲和完成、纸页的表面处理),纸与纸板的结构与特性等。
8、各章节主要内容及教学计划第一部分制浆原理与工程绪论1学时介绍制浆的基本概念和现代制浆的基本过程;制浆方法的分类和纸浆品种的名称;制浆技术的进展和发展趋势。
第一章备料4学时第一节原料的贮存、介绍原料贮存的目的:维持正常连续生产的需要;改进原料质量的需要二、介绍对原料场的基本要求:在防火与安全、排水、通风、照明、运输这五个方面应注意的问题三、介绍原木的贮存和木片的贮存:木材原料的特点;原木水上贮存与地面贮存两种方式的特点及要求;木片贮存在贮存场地和运输上的特点;外购木片贮存与原木贮存的比较四、介绍非木材原料的贮存:非木材原料的种类与特点;制浆造纸常用非木材原料的贮存方法;打包打捆与堆垛、蔗渣的湿法散堆第二节备料过程及其质量控制一、介绍原料的备料:原木备料的工序,各工序的作用及基本要求二、介绍非木材原料的备料:以稻麦草、芦苇芒杆、竹子、甘蔗渣原料为例,介绍其备料的基本工序,要求与特点;湿法备料与干法备料的比较第三节料片的输送和贮存介绍料片输送的不同方式与特点;料仓的作用、类型及要求。
造纸原理与工程一.造纸生产流程:a.打浆;b.加填;施胶;c.纸料前处理和流送、流浆箱中的布浆、整流、上网;d.在造纸机上通过成形、压榨、干燥、压光、考取、复卷或截切、包装、入库。
见P17图0-14第一章打浆一.打浆:1.什么是打浆:利用物理方法使浆料中的纤维产生切断、压溃、润胀和细纤维化作用。
2.为什么要打浆:未经打浆的浆料中含有很多纤维束,且纤维太常太粗,表面光滑而富有弹性,纤维比表面积小又缺乏结合性能,不能满足草纸的要求。
3.打浆的任务:通过一些机械作用给于纸料一些特殊的性质,(机械强度、物理性质、胶体性质),借于保证抄成纸或纸板后能取得预期的质量。
并控制纸料在网上的滤水性能;是纸叶获得良好的成形。
一.常用打浆术语:1.打浆度;DegreeSchopperRiegler:“SR”:也叫“叩解度”,只表示纸浆的滤水性,SR愈高,00滤水性愈差,用肖氏打浆仪测定。
2.Canada标准有力度(CanadaStandardFreeness):游离度与打浆度不同的只是测定表示方法的不同(C·S·f)。
C·S·f愈大,0SR愈小,滤水速度越快。
北美和日本使用C·S·f,我国和欧洲使用0SR。
3.湿重:间接地表示了纤维的平均长度。
测定多采用框架法,纤维平均长度越长,框架上挂住的纤维越多,则湿重越大。
4.保水值(%):纤维间的润胀水,及少量纤维表面水和纤维之间的水保水值指针可以说明纤维的润胀程度,从而反映出细纤维化程度,说明了纤维之间的结合力。
§2打浆理论二.打浆对纤维的作用:1.细胞壁的位移和变形:2.出生壁和次生壁外层的破除(P层和S层)13、润胀:润胀是指高分子化合物在吸收液体的过程中,伴随体积膨胀的一种物理现象。
纸浆纤维之所以有润胀能力,主要是由于纤维和半纤维分子结构中所含有的极性羟基与水分子产生吸引。
使水分子进入无定形区而发生润胀,纤维润胀后,其内聚力下降,组织结构变得松弛,其比表面积和比容量增大,有利于细纤维化。
4、细纤维化:细纤维化作用是指在打浆过程中,打浆设备的机械物理作用使纤维获得纵向分离,并分离出细纤维,而且使纤维产生起毛现象。
内部细纤维化:纤维细胞壁同心层的连接被破坏,次生壁中层发生层间滑动。
外部细纤维化:纤维纵向产生分裂两端帚化,纤维表面分丝起毛。
5、切断:指纤维横向发生断裂的现象。
原因:(1)打浆设备的的剪切作用。
(2)打浆比压相当大。
一般情况下,在打浆过程中不希望过度的切断纤维,因为过度切断纤维,就会使纸张的强度大大降低。
三.纸张强度、纤维的结合及其影响因素水分子在浆料中的三种结合形式:P25二)影响纤维结合力的因素:见新书P25。
1.原料种类的影响:结合力的大小:CP棉浆>草浆>MWP2.半纤维素的影响:含半纤维素多的纸浆易打浆,抄成的纸张强度也高。
半纤维素含量多的纸料,打浆时易吸水润胀,增加了纤维的比表面积和结合面积,因此提高了纸张强度。
1原因是:新书P25。
3.纤维素的影响:纤维素含量和聚合度(DP)高的纤维强度好,打浆时不易切断,而润长和细纤维化程度高,所以纸张强度也高。
4.木素的影响:新书P26。
木素含量高,纸的强度差。
5.纤维长度的影响:新书P26。
纤维长度与纸张的强度有重要关系(尤其是对撕裂度),当决定纸张强度的纤维结合力增长到一定程度时,纤维长度就显示出它的重要性。
对于机械浆,纤维长度非常重要。
为什么强度曲线随着打浆度升高出现转折现象?6、添加剂的影响:见新书P26。
加入亲水性物质,会增加纸的强度。
加入有机物或无机物时,会降低纸的强度。
§3打浆工艺低浓打浆和高浓打浆的区别?1)高浓打浆的原理:低浓打浆时,刀片直接与纤维作用,而高浓打浆时,靠纤维之间的相互摩擦作用进行打浆,这是高浓与低浓打浆的主要区别。
见P372)高浓打浆浆料的性能:a.更多的保留了纤维的长度和强度,很少增加细小纤维的组分,成浆的撕裂度很高。
b.纤维多是扭曲和卷曲状,纤维具有很高的收缩能力,能大大提高纸张的收缩率和韧性,纸张强、韧、耐破度高。
(对于水泥袋纸、卷烟纸、高速轮印刷纸非常重要)c.不足:设备复杂,动耗大,(成纸紧度大,不透明度达)尺寸的稳定性、纸的刚性和挺度均较差。
见P382.中浓打浆:因效果不显著,动耗大,未能在工业上获得应用。
三.打浆质量检查一)打浆度:打浆度值反映浆料脱水的难易程度,综合的表示纤维被切断、分裂、润胀和水化程度。
打浆0度=1000-斜管排出的水量(ml)/10RS见p43二)纤维长度:显微镜法测定方法纤维湿重法1.显微镜法:见P432.纤维湿重法:见P43三)水化度保水值(WRV):纤维保留水分的能力,测量浆料的保水值是为了测定纸浆打浆后纤维吸水润胀的程度。
见P43水化度:离心保水值={(湿浆重—干浆重)/干浆重}×100%经高速离心处理的湿纸浆所含水分的重量,与该浆绝干重量的百分比率。
四)筛分析(筛分):通过筛分析使纤维长度得到分级,测出各级纤维的长度和百分率。
见P44五)紧度:P44§4草浆打浆一.草浆打浆的特点:1.草浆打浆帚化困难,即草浆不易实现外部细纤维化。
22.草浆的非纤维细胞含量高,在打浆过程中,由于其易破碎而使打浆度上升很快,大大增加草浆的滤水困难。
3.草浆打浆应以氢度打浆较为合理。
§5打浆设备间歇式:槽式打浆机连续式:圆柱磨浆机锥形磨浆机,圆盘磨浆机一)间歇式打浆机:槽式打浆机,见P47。
二)连续打浆设备:1.锥形磨浆机:见P48。
2.圆柱磨浆机:见P49。
特点:a.打浆的适应性强,可打木、竹、草、棉、麻浆。
b.打浆的质量好,切断作用小,帚化分丝能力强。
d.生产能力达,但动耗大,刀辊的磨损较快。
设备维修工作量大。
见P50三.圆盘磨浆机:1.概述:见P50优点:生产能力大,成浆质量好,电耗低,占地少,效率高,适应性能强。
2.盘磨机的类型和结构:a.类型立式卧式b.单盘磨:一个磨盘固定,另一个转动。
双盘磨:两个磨盘同时转动,方向相反。
三盘磨:两边两个磨盘固定,中间磨盘转动,形成二个磨区。
单流式:如两台串联的单盘磨。
三盘磨双流式:如两台并联的单盘磨。
3.盘磨机打浆的原理:见P52图1-294.盘磨的结构和齿型:见P52。
1)齿型疏解型—正锯齿型和斜锯齿型帚化型—平齿型和圆弧齿型以疏解纤维,轻微打浆,切断作用为主的采用细沟、细齿和浅齿;以分丝帚化为主的,采用较大的齿宽;对浓度较高的浆料,采用窄的齿纹和浅齿,以减少浆料在齿忠沉积和堵塞。
2)粗磨区:浆料入口处,盘间间隙大,采用浅齿沟和宽的齿纹,能促进浆料迅速疏解,并使浆料均匀进入精磨区。
精磨区:盘齿较窄,齿沟较深,线速度大,有利于纸浆精磨。
3)磨纹倾角:磨齿与磨盘半径之间的夹角,见P534)挡坝式封闭圈:见P54。
5)磨齿的材质:见P54。
四)高浓打浆设备—高浓盘磨。
1.纸浆浓度20%,浆料流动性差。
2.采用强制均匀进料。
3.采用窄齿和浅齿槽。
4.高浓磨浆产生大量热量(蒸汽),故常用空心转轴。
5.磨盘需有较大的梯度,以便顺利进料和排除蒸汽。
一.浆辅助设备一)碎解设备:i.水力碎解机:用于浆板,废纸和板纸的碎解处理。
优点:疏解能力强,占地面极少,产量大,效率高,电耗低,对纤维没有切断作用。
3立式卧式间歇式连续式单转盘双转盘高转盘类型见P61高浓水力碎浆机:浓度≥12%;多用于处理废纸。
特点:在高浓下,浆料互相摩擦,转子对浆料七四类作用,单位能耗低50%以上,化学药品生20%,流程简单。
疏解设备:齿盘式疏解机ii.高频疏解机孔盘式疏解机带有锥度的齿盘式主要用来疏解草浆、木浆、棉短绒浆和废纸。
原理:在机械力、水利和超声波的作用下,纤维素或纸片受到强烈的疏解,被分解成单根纤维。
1.添料1.什么是添料,加添?添料是指纸浆中加入非纤维性的物质;在纸浆中加入添料,改变纸张的性质,更好的满足使用的需要,这一生产过程称为加添。
2.目的:提高纸的质量,增加产量,改进操作,减少流失,见低成本。
见P67施胶胶料用于纸内施胶:松香胶、强化松香胶、合成胶、分散松香胶。
用于纸面施胶:氧化淀粉、聚乙烯醇、羟甲基纤维素、动物胶、合成树脂。
§1-2纸内施胶三、影响施胶的因素:1、浆料的性质:1)不同浆料具有不同的施胶效应。
GP>竹(草)浆>KP木浆、蔗渣浆>半漂半化学浆>人造丝浆>棉浆2)打浆度越高,施胶效果越好。
2、PH值:PH=4.7~5.53、阴离子:见P77:碱金属离子会给施胶造成困难;松香酸钙沉淀。
4、阳离子:见P77:络合能力Cl<SO<CHCOO<草酸根<OH2----435、施胶温度:施胶温度最好控制20~25C,最高不超过35C006、松香粘度的影响:P77~78。
7、打浆对施胶的影响:P788、加添对施胶的影响:P789、胶体稳定剂的影响:P7810、网部和压榨各部对施胶的影响:P7811、干燥和压光的影响:四、强化松香胶:1、松香胶起施胶作用的官能基是(COOH),若能设法增加松香的羧基数量,则可望提高松香的施胶效能——制备强化松香胶的理论依据。
2、马来松香:P79马来松香定义:以100g松香所加入的马来酐的克数来命名。
%五、分散松香胶:含游离松香量接近或达100%的高游离松香分散体。
1、制备方法——逆转乳化法:其特征是:随着水的加入,松香液由水/油型,逆转为油/水型,制成稳定的松香分散体。
2、施胶机理:P81。
六、合成胶41.中性施胶与中性造纸:P83。
2.中性施胶的分类:合成胶的种类反应型:在碱性条件下,胶料直接与纤维反应,使胶料固着在纤维上。
自行固着型:阴离子施胶剂树脂型聚合型3.烷基烯酮二聚物(AKD)1)AKD的结构、性质和应用。
2)AKD的施胶机理。
i.纸面施胶一)目的和用途:目的:1.提高憎液性能、适印性能和抗油性能。
2.提高表面性能物理强度。
3.减少纸页的两面差和变形。
4.减少胶料的流失。
用途:用于质量要求较高和用途特殊的纸种。
§2加填三)加填方式间歇式浆内连续式网前箱ii.填料的选用与性质一)填料的选用:一般情况:定量在50g/m2以上的印刷纸,加用廉价的滑石粉,40g/m2以下薄型字典纸,需考虑加TiO填料。
2二)填料的种类和性质:天然填料:滑石粉、高领土、白土、石膏。
人造填料:碳酸钙、硫酸钡、钛白(TiO)2a)滑石粉(30.6%MgO,62%SiO和高领土(瓷土))2滑石粉目前使用最广泛,白度较高。
P95高领土:39%AlO45%SiO。
P952.碳酸钙:天然:磨碎碳酸钙,白垩。
人造:沉淀碳酸钙,由石灰乳液通CO制成。
P96表2-22-323223.二氧化钛(钛白)98%TiO24.合成硅铝——人造填料:四.填料留着率一)纸张填料留着率:是指纸张中所含的填料量A与加入纸料中填料量B的百分比:R=A/B×100%从控制生产出发,求得近似值已满足需要。