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原创论文案例——新型材料在火力发电设备中的应用研究

admin    2025-02-11    57

 

随着全球能源需求不断增长及环保要求日益严格,传统材料在高温、高压、强腐蚀及剧烈磨损等极端工况下已难以满足设备高效、稳定运行的要求。为此,开发具有耐高温、抗腐蚀和抗磨损等优异性能的新型材料成为火力发电技术升级的重要突破口。本文首先对火力发电设备的运行环境进行了深入剖析,明确了设备在长期运行过程中面临的温度、压力及化学介质等多重考验,并归纳总结了材料在耐高温、抗氧化和抗磨损等方面的基本性能要求;随后,结合国内外相关文献和工程实例,系统探讨了新型耐高温合金、高性能陶瓷及复合材料的研发进展、设计原理及应用现状,分析了它们在改善设备效率、延长使用寿命和降低维护成本等方面所展现的独特优势与存在的技术瓶颈;最后,针对新材料在实际推广过程中所遇到的产业化难题和经济性挑战,提出了优化制造工艺、加强多学科协同和构建完善质量监控体系等策略,并对未来研究方向作出展望。研究结果表明,新型材料的应用不仅为火力发电设备提供了坚实的技术支撑,也为推动能源结构转型和实现绿色低碳发展奠定了基础。

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关键词新型材料;火力发电;耐高温合金;复合材料

 

论文类型:应用研究

 

 



1  引言

1.1 研究背景与选题意义

火力发电作为全球主要的能源供应方式之一,在现代工业发展和社会运行中扮演着至关重要的角色。然而,随着能源需求的持续增长以及环保法规的日益严格,火力发电行业正面临着提高能效、降低污染排放和延长设备寿命等多方面的挑战。在这一背景下,材料科学的创新成为提升火电设备性能的重要推动力。传统的火电设备材料,如碳钢、不锈钢和耐热合金等,虽然在一定程度上能够满足高温、高压和腐蚀环境的要求,但在长期使用过程中仍然存在磨损、腐蚀、氧化等问题,导致设备寿命缩短、维护成本增加。因此,如何开发和应用更高性能的新型材料,提高火力发电设备的运行稳定性、耐用性和经济性,成为当前研究的重要课题。

新型材料的引入不仅有助于提高火电设备的热效率,还能减少因材料劣化导致的能量损耗,从而降低煤炭消耗和污染物排放。例如,超超临界锅炉技术的应用要求材料具备更高的耐温能力,而先进的耐高温合金、高性能陶瓷和复合材料的开发,为该领域提供了新的解决方案。此外,新材料的应用还能够优化设备设计,减少设备重量,提升安全性。因此,本研究将围绕新型材料在火力发电设备中的应用进行深入探讨,分析其性能特点、应用现状及未来发展趋势,以期为火电行业提供理论支持和技术参考。

1.2 国内外研究现状与发展趋势

1.2.1 国外研究现状

1.高温合金领域

Kaufman2000)指出,镍基高温合金因其优异的抗蠕变和耐高温性能,成为燃气轮机叶片等核心部件的首选材料。他强调,通过掺杂铪(Hf)和铼(Re)等元素,可以显著提高材料的强度和耐久性。Smith等(2014)的研究进一步完善了镍基合金的微观组织模型,指出合金中的γ′相析出对高温强度具有决定性作用。

2.陶瓷材料领域

国外对陶瓷材料的研究以高性能和轻量化为核心目标。EvansZok1994)对陶瓷基复合材料(CMC)进行了系统性总结,指出这种材料具有优异的抗氧化性和抗热冲击性能,适用于极端高温环境。近年来,英国帝国理工学院的Ritchie2018)研究了SiC陶瓷的失效机理,发现通过增强纤维界面结合力可以显著提高其断裂韧性。此外,美国航空航天局(NASA)在陶瓷基复合材料的制备和实际应用上处于领先地位,开发出适用于燃气轮机燃烧室衬里的新型SiC/SiC复合材料。

3.复合材料领域

复合材料在火力发电设备中的应用研究近年来逐渐受到关注。Banerjee等(2016)探讨了金属基复合材料(MMC)在高压锅炉中的应用,认为通过引入纳米颗粒增强相,可以提高材料的耐磨性和导热性。欧洲“地平线2020”计划支持了复合材料的多领域应用研究,其中重点关注火力发电设备中的轻量化部件开发。Gholami等(2020)强调,复合材料的长时间稳定性研究是目前的主要技术瓶颈,需要更深入的实验验证。

1.2.2 国内研究现状

1.高温合金领域

曹春晓(2004)主编的《高温合金》一书系统总结了我国高温合金研究的进展。他指出,国内在铁基和镍基合金方面已形成完整的研发体系,但超高温环境下的性能优化仍有待提高。李元元等(2015)通过研究镍基合金中铝和钛的含量对γ′相析出行为的影响,提出了优化成分比例的方法,显著提高了材料的抗蠕变性能。此外,北京钢铁研究总院开发的耐高温合金已经在部分火力发电设备中实现国产化替代。

2.陶瓷材料领域

我国在高性能陶瓷材料领域的研究逐步缩小与国际的差距。王福会等(2012)对氧化锆和氮化硅陶瓷进行了系统研究,发现通过掺杂稀土元素可显著提高材料的抗热震性能。中科院上海硅酸盐研究所的葛庆杰(2017)团队研发了新型碳化硅陶瓷涂层技术,用于火力发电设备的耐腐蚀防护,并在工业应用中取得良好效果。

3.复合材料领域

复合材料领域的研究主要集中在金属基复合材料和聚合物基复合材料。杨绍普(2018)指出,通过优化铝基复合材料的颗粒分布,可以显著提升材料的抗磨损性能,适用于高压锅炉部件。此外,陈刚(2020)在《复合材料科学与技术》期刊上发表研究,提出一种高温高压环境下稳定性增强的碳纤维增强复合材料制备方法,为火力发电设备的轻量化发展提供了新思路。

1.3 研究内容与方法

本研究主要围绕新型材料在火力发电设备中的应用展开,重点分析其材料性能、应用案例以及未来发展趋势。具体而言,研究内容包括以下几个方面:首先,探讨火力发电设备对材料的技术需求,分析其运行环境对材料的耐温性、抗腐蚀性和抗磨损性的要求,并梳理传统材料在该领域的应用情况及其局限性。其次,系统分析新型材料在火力发电设备中的应用,包括新型耐高温合金、高性能陶瓷材料及复合材料的研发与应用前景。此外,还将探讨新材料应用过程中面临的技术挑战、经济性及产业化问题,并提出相应的解决方案。最后,结合国内外研究进展,展望新型材料在火力发电领域的未来发展方向。

本研究将采用文献综述和案例分析相结合的方法,全面梳理国内外相关研究成果,归纳总结新材料的性能特点及其在火力发电设备中的应用现状。同时,将通过数据分析,对比不同新型材料在火电设备中的性能表现,并结合行业发展趋势,提出未来的研究方向。此外,为了增强研究的实用性,还将结合典型案例分析新材料在实际应用中的技术挑战及其应对策略,以期为火电行业提供可行性参考。

 


2 火力发电设备对材料的技术需求

2.1 火力发电设备运行环境分析

火力发电设备在实际运行过程中处于极为严苛的环境条件下,其运行环境涉及高温、高压、强振动以及多种化学介质的侵蚀。

首先,火力发电厂中的锅炉、汽轮机等核心设备往往需要在高温环境下工作,锅炉内的燃烧室温度可达到上千摄氏度,而设备表面的温度也常常维持在几百度以上,长期高温作用使得设备材料容易发生氧化、热疲劳和蠕变现象。其次,高压环境对材料的机械性能要求极高,设备必须在高压蒸汽和水的冲击下保持稳定运行,避免因热应力和压力波动引发裂纹扩展和结构失效。此外,在燃烧过程中,燃料中的杂质、硫化物、氯化物等有害成分会生成具有强腐蚀性的化学介质,这些介质与高温氧气共同作用,对金属材料表面形成严重的化学腐蚀,进而影响材料的整体耐久性。再者,火电设备在启停过程中经常经历剧烈的温度波动和负荷变化,这种热循环效应容易导致材料出现热疲劳、裂纹萌生和微观结构变化,从而缩短设备的使用寿命。同时,燃烧过程中产生的灰渣、飞灰等固体颗粒以及燃料燃烧不完全时产生的积炭,都会在设备表面形成磨损,进一步加剧了材料的磨损和疲劳损伤。除此之外,火力发电设备在长期运行中还会受到振动、冲击等动态载荷的影响,这些物理冲击作用叠加化学与热效应,使得设备材料的微观结构和力学性能不断退化。

综上所述,火力发电设备所处的运行环境不仅要求材料在高温、高压和腐蚀介质中保持稳定的物理性能,还需要具备出色的抗热疲劳、抗冲击及抗磨损能力,确保设备能够在复杂多变的工况下实现长时间高效稳定运行,这对于设备的设计、材料选择以及后续维护都提出了极高的技术要求。

2.2 材料性能要求:耐高温、抗腐蚀与抗磨损

在火力发电设备中,材料性能的优劣直接决定了设备运行的安全性和经济性,因此耐高温、抗腐蚀与抗磨损成为评判材料适用性的三大核心指标。耐高温性能要求材料在长期处于高温环境中时,能够保持其力学性能和微观结构的稳定,不发生明显的软化、蠕变或热疲劳失效。为此,新型材料需要具备高熔点、低热膨胀系数以及优异的热稳定性,同时在热循环和高温负荷作用下保持良好的抗氧化性能。抗腐蚀性能则要求材料在遭受燃烧产物、硫化物、氯化物等腐蚀性介质侵蚀时,能够形成致密稳定的保护膜,防止材料内部金属元素的持续流失和腐蚀扩展,从而延长设备使用寿命。针对火力发电设备常见的高温腐蚀和应力腐蚀问题,材料研究者不仅需要优化合金成分,还要通过表面处理、涂层技术等手段来提高耐蚀能力。此外,抗磨损性能同样至关重要,因设备在运行过程中往往受到颗粒物冲击和摩擦磨损的共同作用,导致材料表面出现微裂纹、剥落甚至断裂。因此,高性能材料应具备高硬度、优良的耐磨性及抗冲击韧性,确保在长时间的机械磨损作用下,依然能够维持较高的结构完整性和功能稳定性。综合来看,这三大性能要求不仅需要单一指标的提升,而应通过材料结构、成分设计和工艺改进等多方面综合优化,形成一套完整的性能保障体系,以满足火力发电设备在高温、高压、多腐蚀介质及动态负荷等极端工况下的严格要求,为实现设备的高效、稳定与长寿命运行提供坚实的技术支撑。

2.3 传统材料在火力发电设备中的应用与局限性

传统材料如碳钢、不锈钢及部分耐热合金在火力发电设备中长期应用于锅炉、汽轮机和管道等关键部位,具有较好的加工性能和成本优势。然而,这些传统材料在面对日益严苛的运行环境时,逐渐暴露出一些不可忽视的局限性。

首先,虽然碳钢和低合金钢在常规温度下具备较好的力学性能,但在高温环境下容易发生氧化、热疲劳和蠕变,长期运行后会出现材料结构松散、裂纹扩展等问题,从而引发设备安全隐患。其次,不锈钢虽能在一定程度上抵御腐蚀,但在超高温或高压环境中,其耐蚀性和抗氧化性能依然有限,加上在高温下容易形成脆性氧化皮,导致机械性能下降,限制了其在高温部件中的广泛应用。再者,传统耐热合金虽然具有较高的耐温极限,但其生产成本较高、工艺要求严格,且在极端高温与腐蚀环境中,合金成分容易发生分解或相变,导致性能衰退。此外,由于传统材料的显微组织和成分设计未能充分考虑火电设备在高温、腐蚀及磨损等多重应力作用下的综合效应,其抗热疲劳、抗裂纹扩展等能力往往难以满足现代超超临界等高端火电技术的要求。与此同时,传统材料在设计时往往忽略了与新型涂层、复合材料等协同作用的潜力,导致在设备长期运行过程中出现维护成本高、换修周期短等问题。

综合来看,尽管传统材料在火力发电设备中曾发挥过重要作用,但其在高温耐蚀、抗磨损以及长周期稳定性等方面的不足,迫使科研人员不断寻求新材料、新工艺和新结构,以期在满足经济性的前提下,实现设备性能的全面提升,推动火力发电技术向着更高效、更环保和更智能的方向发展。

 


3  新型材料在火力发电设备中的应用探索

3.1 新型耐高温合金的研发与应用

新型耐高温合金作为火力发电设备关键部件材料的核心,其研发与应用在确保设备高效、安全运行中发挥着至关重要的作用。近年来,随着超超临界及超临界发电技术的发展,对材料的耐温、抗氧化以及抗蠕变性能提出了更高要求。新型耐高温合金在传统镍基、铁基及钴基合金的基础上,通过优化元素配比、引入微合金化和精细晶粒强化技术,有效提升了材料在极端温度环境下的力学性能和抗氧化能力。

研发过程中,科研人员不仅关注合金在高温环境下的长期稳定性,还注重材料微观结构的调控,通过热处理、表面改性及复合强化等手段,改善合金的热疲劳性能和抗裂纹扩展能力。与此同时,新型耐高温合金在实际应用中逐步替代传统材料,用于汽轮机叶片、燃烧室及热交换器等高温部位,实现了耐高温极限和使用寿命的大幅提升。其在高温高压、强腐蚀环境下的出色表现,得益于材料表面形成的致密氧化膜,能够有效阻挡氧气和腐蚀介质的侵入,从而延缓材料的劣化。另一方面,针对燃料燃烧不完全时产生的杂质沉积问题,新型耐高温合金也通过优化成分设计,降低了杂质对金属基体的侵蚀,确保了长周期运行的可靠性。经济性方面,虽然新型合金的制备工艺复杂、生产成本较高,但随着技术的不断成熟和大规模产业化进程的推进,其性价比优势逐渐显现,为火力发电设备提供了更为坚实的材料保障。

未来,随着计算材料学和先进制造技术的发展,新型耐高温合金将更加注重多尺度、多相协同设计,实现从微观组织到宏观性能的全面优化,进而推动火电设备整体效率的提升和环境友好型能源技术的革新。总体来看,新型耐高温合金的研发不仅是材料科学的一大突破,也是推动火力发电设备技术升级的重要支撑,其应用前景将随着能源结构调整和环保要求的不断提高而日益广阔,为现代火电行业实现安全、高效和绿色运行奠定了坚实基础。

3.2 高性能陶瓷材料在火力发电中的应用前景

高性能陶瓷材料因其优异的耐高温、抗腐蚀以及良好的热稳定性,正逐步成为火力发电设备中替代或补充传统金属材料的重要选择。在高温燃烧、蒸汽及腐蚀性介质环境下,陶瓷材料展现出极高的化学稳定性和硬度,使其在锅炉内壁、燃烧室衬里以及涡轮叶片保护层等关键部位得到广泛关注。近年来,硅酸盐陶瓷、氮化硅、氧化铝及碳化硅等新型陶瓷材料经过不断改进,已经在耐热性、抗氧化和抗磨损性能上取得显著突破。其在火电设备中的应用前景主要体现在几个方面:首先,陶瓷材料的高熔点和低热膨胀系数使得其在长时间高温负荷作用下,依然能够保持稳定的物理形态和力学性能,从而有效延缓材料因热疲劳而引发的裂纹扩展;其次,陶瓷的高硬度和耐磨损特性,使得其在防止飞灰、灰渣等固体颗粒对设备表面的冲击和侵蚀方面具备天然优势;再次,陶瓷材料在腐蚀性介质环境下能够形成致密、稳定的表面保护层,降低因化学反应导致的材料损失。尽管陶瓷材料在加工工艺、脆性及连接技术上仍存在一定挑战,但通过复合结构设计、表面涂层技术及陶瓷与金属的梯度过渡设计,这些问题正逐步得到有效解决。

随着材料制备技术的不断进步以及智能制造技术的引入,高性能陶瓷材料在火力发电设备中的应用不仅能够显著提升设备的耐用性和工作效率,还能降低维护成本,推动能源利用向高效、低碳方向转型。未来,随着对高温陶瓷微观结构和界面反应机理研究的深入,其在火力发电领域的应用将进一步拓宽,为实现设备高温、高效、长寿命运行提供更加可靠的技术支持,成为现代火电行业迈向绿色发展的重要技术突破。

3.3 新型复合材料的设计与性能优化

新型复合材料作为整合多种材料优点、克服单一材料缺陷的重要研究方向,近年来在火力发电设备中的应用探索日益受到重视。复合材料通常通过将金属、陶瓷以及聚合物等不同相材料进行合理组合,形成具有多重性能优势的结构体系,从而在高温、腐蚀及磨损等极端工况下,实现更高的力学性能和环境适应性。

在设计过程中,研究人员通过材料组分的优化、界面结构的控制以及多尺度力学性能的协调,不仅能够显著提升材料的整体强度和韧性,还能改善其耐高温、抗疲劳和耐腐蚀性能。具体而言,新型复合材料的设计首先需要确定合理的相组成比例,通过引入强化相、韧性相及耐蚀相,实现材料性能的协同增效;其次,界面结合是复合材料性能发挥的关键,通过控制界面结合强度和界面过渡层的构建,能够有效防止各组分之间因热膨胀系数不匹配而产生的应力集中和微裂纹扩展;此外,针对火电设备在实际工况中可能遇到的高温循环和动态载荷问题,研究人员还通过数值模拟和实验验证相结合的方法,对复合材料的热机械行为进行深入分析,进而提出针对性优化策略。经过一系列工艺改进和性能测试,新型复合材料在实际应用中展现出较传统单一材料更为优越的综合性能,不仅显著延长了设备使用寿命,还在降低维护成本和提高工作效率方面发挥了积极作用。

未来,随着先进制造技术和智能控制系统的引入,新型复合材料的设计理念将更加注重多功能集成与系统协同,其在火力发电设备中的应用将呈现出从局部改进到整体性能优化的转变,为设备高效、绿色运行提供全方位的材料支撑。通过不断的理论研究和实际应用验证,新型复合材料必将成为推动火电技术革新和能源转型的重要力量,进一步提升火力发电行业在全球能源结构调整中的竞争力。

 


4  应用挑战与未来发展方向

4.1 新型材料在火力发电设备中的技术瓶颈

当前,新型材料在火力发电设备中的应用虽然展现出显著的性能优势,但在实际推广过程中仍面临着一系列技术瓶颈制约着其大规模应用。

首先,在材料研发阶段,由于火力发电设备运行环境极为苛刻,高温、高压、强腐蚀和磨损等多重应力共同作用,对材料的热稳定性、抗氧化性以及抗蠕变性能提出了前所未有的要求,而现有新型材料在微观结构调控和合金成分设计方面仍存在一定不足,导致材料在长周期运行中易发生性能衰减和断裂风险。

其次,新型材料在加工和制造过程中普遍面临工艺复杂、热处理工艺控制难度大以及高温环境下界面结合不稳定的问题,这不仅使得材料制备成本居高不下,而且在大规模生产时难以保证产品一致性与稳定性。与此同时,在火力发电设备实际应用中,新材料与传统结构之间的衔接、界面过渡层的设计以及多相材料的协同作用仍需深入研究,如何有效避免因热膨胀系数不匹配引起的内应力集中、微裂纹萌生及扩展等问题,依然是制约其实际使用寿命的重要技术难题。

此外,材料在实际运行中还面临燃烧产物、腐蚀性介质和磨损颗粒的综合侵蚀,如何在极端条件下形成稳定、致密且具有自修复能力的保护膜,是目前材料表面工程领域亟待突破的关键环节。近年来,尽管部分研究通过引入微合金化、纳米结构强化以及新型涂层技术等手段取得了一定进展,但仍缺乏在实际工况下的长期验证和工程化示范。

综上所述,新型材料在火力发电设备中应用的技术瓶颈主要集中在材料组成与微结构优化、制备工艺的稳定性、界面结合技术以及长期运行可靠性等方面,这些问题的解决需要多学科交叉、理论与实践相结合的系统研究,以推动材料性能从实验室成果向工业化应用的转化,从而满足火力发电设备对材料的极端环境适应性要求,为实现设备高效、绿色和安全运行提供坚实的技术保障。

4.2 推动应用的经济性与产业化策略

新型材料在火力发电设备中的应用不仅在技术上具有突破性意义,其经济性与产业化问题也是决定其推广应用成败的关键因素。在当前全球能源转型和环保压力不断增大的背景下,火力发电行业亟需通过材料升级来提高设备运行效率和延长使用寿命,但新型材料往往面临研发投入大、生产成本高和技术成熟度不足等挑战,导致企业在应用时犹豫不决。为此,必须构建以市场需求为导向、产学研深度融合的经济性与产业化发展模式。一方面,政府和科研机构应加大对新材料研发的支持力度,通过设立专项资金、税收优惠及技术创新奖励等措施,降低企业创新风险,鼓励跨部门、跨领域的合作,推动材料从实验室走向产业化。

另一方面,企业在应用过程中需要注重工艺优化和规模化生产,借助现代化智能制造技术实现工艺流程标准化和自动化,进而降低人工成本和材料损耗。同时,通过建立完善的质量监控体系和技术服务网络,确保新材料在生产、运输、安装和运行各环节中保持稳定性能,进一步增强产品的市场竞争力。此外,还应加强新型材料与传统材料之间的协同应用,利用梯度过渡设计和复合结构优化,实现性能与成本的最佳平衡。市场层面,通过制定行业标准和认证体系,为新材料应用提供技术规范和质量保障,有助于提高用户信心和接受度,从而推动产业链上下游的协同发展。与此同时,国际间的技术交流与合作也十分必要,通过引进先进技术、吸收国外成熟经验,结合本土实际情况不断改进和优化新材料工艺,形成具有自主知识产权和核心竞争力的产品体系。

总之,推动新型材料在火力发电设备中的经济性应用与产业化,需要在政策支持、技术突破、工艺创新、质量管控及市场推广等多个环节形成合力,构建一个既能满足高技术要求又具有竞争力的产业发展生态系统,为火力发电设备实现高效、环保和经济运行提供坚实的材料基础和产业支撑。

4.3 未来研究方向与展望

展望未来,新型材料在火力发电设备中的应用将朝着更加智能化、绿色化和高效化的方向不断迈进,其研究方向和技术突破也将呈现多元化、系统化的发展趋势。首先,从材料自身角度看,未来研究将更加注重多尺度、多相协同设计,通过引入计算材料学、人工智能及大数据分析等现代技术手段,实现从原子级别到宏观性能的全面优化,探索新型合金、陶瓷及复合材料在极端工况下的性能演化规律,并通过精细调控微观结构和界面特性,提升材料的抗疲劳、抗腐蚀和抗磨损性能。其次,材料与工程的结合将进一步加强,通过系统性工程实验和现场示范,验证材料在实际火力发电设备中的长期稳定性和经济效益,为工业化应用提供可靠数据支撑。同时,跨学科的协同创新将成为未来研究的重要趋势,材料科学、热工学、结构力学和智能制造等多领域的融合,有望打破传统壁垒,形成一整套综合性能优越的材料系统与工艺流程。与此同时,环保和可持续发展也将成为未来研究的核心驱动力,新材料在保证高温高压性能的同时,其制备过程、资源利用和循环再利用等问题也需纳入研究范畴,探索绿色制造和低碳生产的路径。未来,随着国际合作和技术交流的不断加深,新型材料的研发将不仅限于单一材料的突破,而是围绕多功能集成系统协同展开,形成从基础理论、材料制备到设备应用和全生命周期管理的完整技术链。总体来看,未来研究方向将聚焦于新材料的高性能、低成本和绿色环保三大目标,通过前沿技术的不断渗透和创新,推动火力发电设备在高效、稳定、安全和环境友好方面实现质的飞跃,从而为全球能源结构转型和绿色发展提供坚实的技术支撑和产业保障。



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