熱軋帶鋼高速鋼復(fù)合軋輥周期性熱沖擊下的溫度波

馮明杰,王恩剛,赫冀成

(東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)110819)

熱軋帶鋼高速鋼復(fù)合軋輥周期性熱沖擊下的溫度波

馮明杰,王恩剛,赫冀成

(東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng)110819)

建立了高速鋼復(fù)合軋輥在帶鋼熱軋過(guò)程中的2維傳熱模型,以Flunet6.3為計(jì)算平臺(tái),利用移動(dòng)坐標(biāo)系技術(shù)和自定義函數(shù)功能,研究周期性熱沖擊下輥內(nèi)溫度波的傳播特點(diǎn)和咬入溫度及軋制速度對(duì)溫度波的影響,探討高速鋼復(fù)合軋輥工作層的適宜厚度。結(jié)果表明:輥內(nèi)的溫度場(chǎng)表現(xiàn)為以軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周為周期的高頻波和以軋制一塊帶坯為周期的低頻波。高頻波具有強(qiáng)烈的薄層效應(yīng),而低頻溫度波隨深度衰減緩慢,影響范圍較深。同一深度處溫度波動(dòng)的幅度隨咬入溫度的增加而增大,隨軋制速度的增加而減小,且軋制參數(shù)對(duì)高頻溫度波的影響遠(yuǎn)大于對(duì)低頻溫度波的影響。工作層有足夠厚度時(shí),才能消除低頻溫度波對(duì)高速鋼復(fù)合軋輥雙金屬?gòu)?fù)合界面結(jié)合質(zhì)量的影響。

熱軋;帶鋼;高速鋼復(fù)合軋輥;溫度波;熱沖擊

高速鋼復(fù)合軋輥是20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)的一種新型軋輥,其工作層采用的是具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和易淬透的高碳高速鋼,芯部采用的是具有良好韌性的鍛鋼或球磨鑄鐵,兩者以冶金結(jié)合的方式復(fù)合在一起。這種軋輥很好地解決了單種材質(zhì)強(qiáng)度和韌性之間的矛盾,并能節(jié)約大量貴重金屬,滿足了目前軋鋼設(shè)備大型化、高速化、自動(dòng)化和惡劣工作條件的需求,被廣泛應(yīng)用于熱、冷軋帶鋼和板材生產(chǎn)[1-4]。在帶鋼的熱連軋過(guò)程中,工作輥的周期性受到帶坯的傳熱和冷卻介質(zhì)的冷卻作用(周期性的熱沖擊),輥內(nèi)的非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)表現(xiàn)為周期性的溫度波。這種周期性的溫度波決定著軋輥的熱凸度和輥縫形狀,同時(shí)周期性的熱作用也會(huì)影響到軋輥表面附近材料的組織和性能。發(fā)紋、龜裂和掉肉等問(wèn)題往往起源于軋輥的表面,而周期性熱沖擊所帶來(lái)的表層附近劇烈的溫度波動(dòng)是主要原因之一。因此,工作輥在軋鋼過(guò)程中的溫度分布問(wèn)題,受到相關(guān)科技工作者的極大關(guān)注,并被深入研究[5-11]。但對(duì)于高速鋼復(fù)合軋輥而言,在工作層與輥芯之間還存在雙金屬?gòu)?fù)合面,由于兩種金屬無(wú)論在成分上還是在性能上都存在很大差異,并且界面附近往往還存在氣孔、夾雜等缺陷,在較大的溫度波動(dòng)下,會(huì)因較大熱應(yīng)力的產(chǎn)生而影響到界面的應(yīng)用性能。因此,進(jìn)一步研究高速鋼復(fù)合軋輥在軋鋼過(guò)程中的溫度分布和溫度波的傳播問(wèn)題,具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本工作建立了帶鋼熱軋工作輥的2維傳熱模型,以Fluent6.3為計(jì)算平臺(tái),利用該軟件提供的“用戶自定義函數(shù)(User Defined Function)”功能結(jié)合自編的C語(yǔ)言程序,以精軋F(tuán)1機(jī)架的高速鋼工作輥為對(duì)象,研究了軋鋼過(guò)程中周期性溫度波的傳播特點(diǎn)及咬入溫度和軋制速度對(duì)溫度波的影響,探討了高速鋼復(fù)合軋輥工作層的合理設(shè)計(jì)厚度。

1 數(shù)學(xué)物理模型的建立

1.1 傳熱模型

考慮到工作輥的徑向傳熱遠(yuǎn)大于軸向傳熱,為了研究上的方便,在本研究中僅考慮軋輥中間橫截面上的徑向和周向傳熱,而將軸向傳熱忽略不計(jì)。并作如下假定:(1)軋輥材料各向同性;(2)雙金屬?gòu)?fù)合界面上不存在結(jié)合缺陷;(3)忽略帶坯咬入和拋出時(shí)軋制速度的變化。將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在軋輥中間橫截面的中心,建立笛卡爾坐標(biāo)系,則工作輥內(nèi)的2維非穩(wěn)態(tài)傳熱過(guò)程可由式(1)來(lái)描述:

式中:ρ為軋輥材料的密度,kg/m3;c為軋輥材料的比熱容,J/(kg·K);λ為軋輥材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m· K);τ為時(shí)間,s;t為軋輥的溫度,℃;x和y分別為軋輥中的某點(diǎn)在x和y方向上的坐標(biāo),m。

1.2 換熱邊界條件

根據(jù)換熱邊界條件的不同情況,沿工作輥的周向劃分為8個(gè)不同的區(qū)域(Z1～Z8),如圖1所示。其中Z1為與軋件相接觸區(qū),Z2和Z8為輻射換熱區(qū),Z3和Z7為水霧冷卻區(qū),Z4和Z6為噴射冷卻區(qū),Z5為與支承輥接觸傳熱區(qū)。具體邊界條件的求取在文獻(xiàn)[12]中有詳細(xì)論述,在此不再累述。

圖1 工作輥的換熱邊界條件Fig.1 Heat transfer boundary conditions of work roll

2 計(jì)算方法和模型驗(yàn)證

2.1 計(jì)算方法

F1機(jī)架工作輥的直徑為730mm,其中工作層的厚度為70mm,相關(guān)軋制參數(shù)如表1所示。用Gam2 bit2.0前處理軟件創(chuàng)建求解區(qū)域,采用四邊形網(wǎng)格對(duì)求解區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格剖分。首先沿徑向?qū)^(qū)域分為3層。外層采用0.1mm的細(xì)網(wǎng)格,中間層采用因子為1.12單比例剖分法,沿徑向由外向內(nèi),尺寸逐漸變大,輥芯為內(nèi)層,采用等比例剖分法,然后生成面網(wǎng)格。高速鋼復(fù)合軋輥工作層材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%,下同):C 1.81,M n 0.37,Si 0.31,Cr 4.13,Mo 9.21, V 4125,W 4.12,P 0.021,S 0.024,余量為Fe。輥芯材料的化學(xué)成分:C 2190,Si 1182,M n 0152,P 01027,S 01038,余量為Fe。兩種材料的比熱和導(dǎo)熱系數(shù)等物性參數(shù)以溫度二次函數(shù)的形式導(dǎo)入計(jì)算模型中,工作層和輥芯的密度分別取為8667kg/m3和7713kg/m3。計(jì)算時(shí),帶坯的咬入溫度tin分別取900, 1000,1100℃和1200℃,軋制速度v分別取1.0,2.0, 3.0m/s和4.0m/s,設(shè)定工作輥所在的坐標(biāo)系為固定坐標(biāo)系,而邊界條件是以ω角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的移動(dòng)坐標(biāo)系,將帶坯的咬入溫度和軋制速度交叉配對(duì),分別進(jìn)行計(jì)算。邊界條件采用Fluent6.3提供的“用戶自定義函數(shù)(U ser Defined Function)”功能結(jié)合自編的C語(yǔ)言程序?qū)雮鳠嵊?jì)算模型中。對(duì)傳熱方程的離散,在時(shí)間上采用一階全隱格式,在溫度上采用二階中心差分格式,工作輥的初始溫度設(shè)為25℃,計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s。

2.2 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性,采用快速反應(yīng)R型可伸縮性熱電偶和電腦數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄系統(tǒng),在穩(wěn)定軋制的情況下,連續(xù)測(cè)定了軋輥表面某點(diǎn)的溫度在純軋和間歇階段的溫度變化。其中,熱電偶安裝在后切水板的下側(cè)并與軋輥表面充分接觸,圖2為實(shí)測(cè)結(jié)果和該軋制條件下數(shù)值模擬的結(jié)果,從圖2可知,計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好,變化趨勢(shì)一致,純軋階段的最大溫差不大于60℃,間歇階段的最大溫差不大于30℃。由此可知,該數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法具有較高的可信度。

表1 F1機(jī)架的軋制參數(shù)___________Table 1 Rolling parameter________________ of_F1mill

圖2 實(shí)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果的比較(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.2 Comparison between the numerical simulation and the measured results(tin=1200℃,v=2.0m/s)

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 溫度波的傳播特點(diǎn)

圖3為帶坯咬入溫度tin為1200℃,軋制速度v為210m/s條件下,一塊帶坯軋制過(guò)程中,輥內(nèi)不同深度處的溫度波(其他軋制條件下,溫度波相似)。從圖3中可以看出,無(wú)論是純軋階段還是間歇階段,軋輥表面和內(nèi)部的溫度都會(huì)發(fā)生周期性的變化。每轉(zhuǎn)動(dòng)一周,都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最高溫度和一個(gè)最低溫度,隨深度的增加,最高溫度迅速變小而最低溫度緩慢升高,兩者的溫差逐漸縮小。純軋階段,軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)約5～6周后,表面溫度波的極值趨于穩(wěn)定,最高溫度為612.5℃,最低溫度為37.2℃,而內(nèi)部的最高和最低溫度都隨著軋制過(guò)程的進(jìn)行而逐漸升高。進(jìn)入空轉(zhuǎn)階段后,表面的最高溫度和最低溫度迅速降低,空轉(zhuǎn)約10周后,溫度極值趨于穩(wěn)定。內(nèi)部的最高和最低溫度也隨著軋輥空轉(zhuǎn)而逐漸降低,但降低的幅度隨深度的增加而逐漸變緩,且離開(kāi)表面的距離越遠(yuǎn),溫度曲線越高。如果以軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周所經(jīng)歷的時(shí)間為一個(gè)考察周期,在軋輥較深處的溫度波的波幅幾乎衰減到了零;但當(dāng)以軋制一塊帶坯所經(jīng)歷的時(shí)間為一個(gè)考察周期時(shí),該處的溫度依舊存在較大的起伏。由此可見(jiàn),輥內(nèi)的溫度波可以分為以軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周所經(jīng)歷的時(shí)間為一個(gè)周期的高頻波和以軋制一塊帶坯所經(jīng)歷的時(shí)間為一個(gè)周期的低頻波(包括純軋和間歇兩個(gè)階段)來(lái)進(jìn)行分析,輥內(nèi)的溫度分布是這兩種溫度波共同作用的結(jié)果。

圖3 一塊帶坯軋制過(guò)程中輥內(nèi)離表面不同深度處的溫度波(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.3 Temperature wave of different distance from the surface during a slab rolling(tin=1200℃,v=2.0m/s)

圖4為輥內(nèi)高頻溫度波和低頻溫度波在軋鋼過(guò)程中的變化。其中圖4(a)是一塊帶坯的純軋階段表面附近不同深度處的高頻溫度波。可以看出,當(dāng)表面進(jìn)入接觸傳熱區(qū)(Z1)后,溫度迅速升高,脫離鋼坯的瞬間,軋輥表面達(dá)到了最高溫度。進(jìn)入出口輻射換熱區(qū)(Z8)后,帶坯與工作輥表面之間的換熱大為減弱,再加上熱量向軋輥內(nèi)部的傳導(dǎo)作用,軋輥表面的溫度迅速下降。進(jìn)入冷卻區(qū)后(Z7～Z3),冷卻介質(zhì)將軋輥表面附近的熱量快速帶走,溫度進(jìn)一步降低。當(dāng)軋輥表面轉(zhuǎn)到入口輻射區(qū)(Z2)后,又會(huì)受到軋前帶坯的輻射熱作用,溫度又會(huì)逐漸升高。同時(shí),表面層附近不同深度的溫度也發(fā)生周期性的變化,但隨著深度的增加,溫度波的波幅快速衰減,且溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間逐漸后移。圖4(b)是4塊帶坯軋制過(guò)程中,軋輥內(nèi)部不同深度處的低頻溫度波。進(jìn)入純軋階段后,由于軋輥表面的凈換熱量是正值,熱量不斷地由輥面?zhèn)飨騼?nèi)部,輥內(nèi)深處的溫度會(huì)不斷升高。當(dāng)完成一塊帶坯的軋制進(jìn)入間隙階段后,受冷卻作用的影響,軋輥表面的凈換熱量變?yōu)樨?fù)值,熱量通過(guò)表面?zhèn)飨蚶鋮s介質(zhì),使軋輥內(nèi)部的溫度又逐漸降低,而后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。可以看出,隨著深度增加,低頻溫度波的波幅也不斷衰減,但衰減程度遠(yuǎn)小于表面層的高頻溫度波,并且隨著軋鋼塊數(shù)的增加,軋輥內(nèi)部的整體溫度緩慢升高。盡管工作輥換熱條件的周期性變化不是簡(jiǎn)諧波,但非簡(jiǎn)諧的周期性變化都可以展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù),表示為無(wú)窮多個(gè)簡(jiǎn)諧波的疊加[13],因此,軋輥中的溫度響應(yīng)可以看作是一系列簡(jiǎn)諧波相互疊加的結(jié)果。由簡(jiǎn)諧溫度波的傳播特點(diǎn)可知,波幅與深度成指數(shù)關(guān)系衰減,并與頻率相關(guān),溫度波的頻率越高,溫度波的衰減越快。這正是高頻波影響深度小而低頻波影響深度大的根本原因。

圖4 軋輥表面附近的高頻溫度波(a)和軋輥深處的低頻溫度波(b)(tin=1200℃,v=2.0m/s)Fig.4 High2frequency temperature wave in outer layer(a)and low2frequency temperature wave in interior of roll(b)(tin=1200℃,v=2.0m/s)

3.2 咬入溫度和軋制速度對(duì)高頻溫度波的影響

圖5 不同咬入溫度和軋制速度下高速鋼復(fù)合軋輥高頻溫度波的波動(dòng)大小與深度的關(guān)系(a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/sFig.5 Relation ship of high2frequency temperature fluctuation and dep th of roll in different biting temperature and rolling speed (a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/s

劇烈的周期性的溫度波動(dòng),必然會(huì)給軋輥帶來(lái)很大的熱應(yīng)力,而熱應(yīng)力往往會(huì)導(dǎo)致材料裂紋的萌生和擴(kuò)展,嚴(yán)重的話,會(huì)造成軋輥的龜裂或掉肉,因此了解輥內(nèi)不同深度處溫度的波動(dòng)大小具有重要的意義。需要說(shuō)明的是,頻率對(duì)材料使用性能的影響也有很大關(guān)系,頻率愈高,在同樣的溫度波動(dòng)下,對(duì)材料的危害將更大。圖5為不同咬入溫度和軋制速度下,高速鋼復(fù)合軋輥在純軋階段高頻波在一個(gè)周期內(nèi)(軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周)的溫度波動(dòng)大小與深度的關(guān)系。可以看出,高頻波的溫度波動(dòng)幅度隨著深度的增加而快速減小,在同一軋制速度下,隨著咬入溫度的降低,溫度波動(dòng)幅度隨深度的變化曲線逐漸下移;在咬入溫度一定的條件下,軋制速度愈大,軋輥表面的溫度波動(dòng)幅度愈大,但隨深度增加而減小的程度也愈大。如果以溫度波動(dòng)幅度Δt≥5℃的所在的深度為軋輥的熱沖擊影響深度,可以看出,熱沖擊影響深度與咬入溫度的關(guān)系不大,而受軋制速度的影響相對(duì)較大,在軋制速度v為110,4.0m/s條件下,軋輥的高頻熱沖擊影響深度分別為8.0,3.5mm,更深處熱沖擊的影響變得微乎其微。在正常生產(chǎn)條件下,軋制速度一般都大于210m/s,因此,軋輥高頻熱沖擊的影響深度一般不大于5mm。需要說(shuō)明的是,軋輥的表面裂紋不僅與熱沖擊有關(guān),同時(shí)也受軋輥材料性能和工人操作水平等因素的影響。高頻溫度波所影響區(qū)域位于軋輥的表面層,頻率高,溫度波動(dòng)劇烈,對(duì)軋輥應(yīng)用性能的影響較大。

3.3 咬入溫度和軋制速度對(duì)低頻溫度波的影響

高頻熱沖擊盡管程度劇烈,但影響的深度有限,僅局限于表面層附近的幾個(gè)毫米。輥內(nèi)還存在以軋制一塊板坯所經(jīng)歷的時(shí)間為周期的低頻溫度波,也存在一定的溫度波動(dòng),盡管作用周期長(zhǎng),溫度變化相對(duì)緩慢,但它的影響深度要遠(yuǎn)大于高頻溫度波。圖6為不同咬入溫度和軋制速度下,高速鋼復(fù)合軋輥內(nèi)的低頻溫度波在一個(gè)周期內(nèi)的溫度波動(dòng)大小與深度的關(guān)系。可以看出,隨著深度的增加,低頻溫度波的波幅緩慢減小,溫度曲線變化斜率遠(yuǎn)小于高頻。在咬入溫度一定的條件下,隨軋制速度的增大,同一深度處的溫度波動(dòng)幅度逐漸變小。在咬入溫度為1200℃條件下,當(dāng)軋制速度由1.0m/s升高到4.0m/s時(shí),離軋輥表面10mm深度處的溫度波動(dòng)幅度由118.5℃減小到了74.8℃。在軋制速度一定的條件下,隨著咬入溫度的增加,溫度波動(dòng)幅度的變化曲線逐漸升高。但到達(dá)一定深度后,4條曲線幾乎匯聚在了一起,并接近于零,該深度幾乎與咬入溫度無(wú)關(guān)。如果用高頻熱沖擊影響深度相同的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判斷低頻熱沖擊的話,在實(shí)際生產(chǎn)的軋制速度下,低頻熱沖擊的影響深度約為35～40mm。

圖6 不同咬入溫度和軋制速度下高速鋼復(fù)合軋輥低頻溫度波的波動(dòng)大小與深度的關(guān)系(a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/sFig.6 Relationship of low2frequency temperature fluctuation and depth of roll in different biting temperature and rolling speed (a)v=1.0m/s;(b)v=2.0m/s;(c)v=3.0m/s;(d)v=4.0m/s

軋輥內(nèi)部存在一定厚度的雙金屬結(jié)合界面是高速鋼復(fù)合軋輥的典型特征,結(jié)合界面外側(cè)的高碳高速鋼(工作層)和內(nèi)側(cè)的球墨鑄鐵或鑄鋼,兩者在線膨脹系數(shù)、彈性模量等物性參數(shù)上都存在很大不同,如果界面位于低頻熱沖擊的影響范圍之內(nèi),將會(huì)由于周期性熱應(yīng)力的作用而使界面的應(yīng)用性能受到影響。因此,工作層厚度的確定是高速鋼復(fù)合軋輥設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,為了消除低頻熱沖擊對(duì)復(fù)合界面結(jié)合質(zhì)量的影響,工作層應(yīng)當(dāng)有足夠的厚度。

4 結(jié)論

(1)輥內(nèi)的溫度波可分為以軋輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周為周期的高頻波和以軋制一塊帶坯為周期的低頻波。在表層附近,高頻溫度波起主要作用,溫度波動(dòng)極為劇烈,但隨著深度的增加迅速衰減,影響深度僅為幾個(gè)毫米。在軋輥內(nèi)部熱沖擊較小,低頻溫度波起主要作用,但影響范圍廣,溫度波衰減緩慢,影響深度約為35～40mm。

(2)在軋輥的同一深度溫度波動(dòng)的幅度與咬入溫度和軋制速度有關(guān),隨軋制溫度的增加而增大,隨軋制速度的增加而減小,且軋制參數(shù)對(duì)高頻溫度波的影響遠(yuǎn)大于對(duì)低頻溫度波的影響。

(3)計(jì)算結(jié)果表明,為了消除低頻溫度波對(duì)高速鋼復(fù)合軋輥雙金屬?gòu)?fù)合界面結(jié)合質(zhì)量的影響,工作層應(yīng)當(dāng)有足夠的厚度。

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Numerical Simulation on Temperature Wave of High Steel Composite Roll Under Periodic Heating Shock During Continuous Hot Slab Rolling

FENGM ing2jie,WANG En2gang,HE Ji2cheng
(Key Laboratory of National Education M inistry for Electromagnetic Processing of Materials,Northeastern University,Shenyang 110819,China)

A 22dimension heat transfer model of high steel composite rolls during continuous hot slab rolling was established,meanw hile the sp reading p ropertiesof temperature waves under periodic heat2 ing shock and the effects of biting temperature or rolling speed of slabs on temperature waves in the rollswere studied by use of rotating reference frame and user2defined functions based on Flunet6.3 software.A t the same time,the app rop riate dep th of working layer of high speed steel composite roll w as also discussed.The results indicate that the temperature field in the rolls can be describe by use of a high2frequency temperature w ave and low2frequency temperature w ave of w hich periodic is the costing time of work roll rotating one cycle and rolling one slab,respectively.The high2frequency tem2 perature wave has severe thin2liver effect,w hile the low2frequency temperature wave slow ly attenu2 ates w ith dep th and its influence dep th ism uch deeper than that of high2frequency temperature w ave. The value of temperature fluctuation increases w ith biting temperature rising and decreases w ith roll2 ing speed rising at the same dep th,and the influence of rolling parameters on temperature fluctuation of high2frequency temperature w ave is much greater than that of low2frequency temperature wave. When the dep th of working layer is enough,the impact of low2frequency temperature w ave on com2 posite quality of high speed steel composite rolls can be avoided.

ho t rolling;slab steel;high speed steel composite roll;temperature w ave;heating shock

TG249.9

A

100124381(2010)1220008206

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2003AA 331050);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(200809123)

2009210222;

2010206217

馮明杰(1971—),男,博士,講師,主要研究方向:高速鋼復(fù)合軋輥的制備及應(yīng)用,聯(lián)系地址:遼寧省沈陽(yáng)市東北大學(xué)材料電磁過(guò)程研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(110819),E2mail:fengm j@epm.neu.edu.cn