TW577930B - A direct smelting process and apparatus - Google Patents
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Description
577930 A7 i、發明說明(1 ) 本發明係關於一種於含熔融浴之冶金容器由含金屬進 料例如礦、部分還原礦且含金屬廢料流生產熔融金屬(該 詞包括金屬合金),特別但非排它地為鐵之方法及裝置。 本發明特別係關於由含金屬進料生產熔融金屬之基於 熔融金屬浴之直接熔煉方法。 一種由含金屬進料直接生產熔融金屬之方法俗稱「直 接熔煉」方法。 一種已知直接熔煉方法俗稱羅梅特(Romelt)方法係基 於使用大容積,且高度攪動的爐渣浴作為熔煉頂進料金屬 氧化物成為金屬介質,以及用於後燃燒氣態反應產物及視 需要傳熱而繼續溶煉金屬氧化物。羅梅特方法包括將富氧 空氣或氧氣透過下排風嘴注入爐渣提供爐渣攪動,以及經 由上排風嘴將氧氣注入爐渣内部提供後燃燒。羅梅特方法 中,金屬層並非主要反應介質。 另一類已知之直接熔煉方法係基於爐渣方法,俗稱r 深部爐渣」方法。此等方法例如DIOS及AISI方法係基於 形成具有3區之爐渣深層,換言之:一上區用於已注入氧 氣後燃燒反應氣體;一下區用於熔煉金屬氧化物成為金屬 ,及一中區其分隔上區與下區。如同羅梅特方法,爐潰層 下方之金屬層並非主要反應介質。 另一種已知之直接溶煉方法係仰賴熔融金屬層作為反 應介質,且俗稱高熔煉(Hlsmelt)方法述於國際專利申請案 PCT/AU96/00197 (W0 96/31627),申請人同本案申請人。 - 國際申請案敘述之高熔煉方法包含: 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請參Λ-5讀背ίβ之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 A7
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 (a) 於谷器形成溶融浴具有一金屬層及一爐渣層於金 屬層上; (b) 於浴内注入: ⑴含金屬進料,典型為金屬氧化物;及 (ii)固體含碳材料,典型為煤,其係作為金屬氧化 物之還原劑以及能源;以及 (c) 熔煉金屬層之含金屬進料成為金屬。 高熔煉方法也包含於浴上方空間使用含氧氣體後燃燒 浴中釋放的反應氣體如C0及H2,以及將後燃燒產生的熱 量傳熱至浴,而促成熔煉含金屬進料所需熱能。 向熔煉方法也包含形成一過渡區段於名目寂靜的浴表 面上方,過渡區段中有熔融金屬及/或爐渣之上升以及隨 後下降的小滴或潑濺或流,其提供有效介質將浴上方經由 後燃燒反應氣體產生的熱能傳熱至浴。 本發明之一目的係提供一種直接熔煉方法及裝置,其 可用於寬廣範圍之煤類型,包括低級煤。 根據本發明,提供一種直接熔煉一含金屬進料之方法 ,該方法包括下列步驟: (a) 使用含氧氣體前處理煤,而生產焦炭及燃料氣體 (b) 使用至少部分於步驟(a)生產的燃料氣體作為能源 ,加熱含氧氣體及/或於氧工廠生產含氧氣體; (c) 將含金屬進料、步驟生產的焦炭、及步驟(1^被 加熱或產生的含氧氣體注入直接熔煉容器;以及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) ---—--------^--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 577930 A7 減 及 五、發明說明( ⑷使用焦炭作為能源以及作為還原劑,於直接熔煉 容器直接熔煉含金屬進料成為溶融金屬,以及使用含氧氣 體後燃燒於熔煉過程產生的反應氣體。 本發明方法之優點為前處理步驟⑷改變煤之性質/組 成’使煤更適合直接炫煉含金屬進料、结果,該製程就於 直接溶練容器中生產之絲金屬而言,可使用低級煤而以 高產能作業。「低級煤」—詞表示相料正常汽蒸煤具有 低加熱值及高度雜質含量,且可被升級。「雜質」一詞表 示如硫、驗金屬、鹽及揮發物等雜f。此等雜質二前處理 步驟⑷區隔於线與燃料氣體間。結果,前處理步驟⑷ 導致供給直接熔煉容器之雜質負載量減低。雜質負載量 低為優點’原因為其表示溶煉含金屬進料速率加快,以 由容器排放的廢氣容積減少。兩種結果皆為優異之處。 此外,本發明方法包括另一項優點係使用步^產 生的燃料氣體加熱含氧氣體,較佳為空氣或富氧空氣,其 又用於直祕煉容器。直接熔煉過財,其可^ =氣或 富氧空«作而後職反應纽,例如高輯生 經過加熱之空氣及富氧空氣任務為—項有意義的議題。步 驟⑷產生之燃料氣體極為適合作為加熱空氣,例如㈣ 高爐加熱空氣之能源,基於此項基礎,此乃本發明方法: 一大優點。 此處須了解「含金屬進料」一詞表示任何金屬進料, 包括金屬氧化物如金屬礦、部分還原礦及含金屬廢料流。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) :—----------1---1 —訂---------. (請L閱讀背’面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此處須了 _「焦炭」一詞表示由煤已經去除至少 50% 577930
•經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(4 水/刀/結合氧/揮發物後剩餘的固體產物。 幸父佳步驟(b)包括供給燃料氣體至熱空氣喷射裝置, 以及使用燃料氣體作為能源用於加熱熱空氣喷射裝置内部 的空氣。 較佳熱空氣喷射裝置為熱高爐。 較佳該方法包括於進料洚入直接熔煉容器前,使用部 分步驟(a)產生燃料氣體預熱含金屬進料。 隨組成而定,燃料氣體也可用於將進料注入直接熔煉 谷器之前部分還原含金屬進料。 步驟(d)可為任一種適當直接熔煉方法。 較佳步驟(d)包括根據高熔煉方法直接熔煉含金屬進 料 ,步驟(d)包括: (a) 於直接熔煉容器形成一熔融浴具有一金屬層及一 爐渣層於金屬層上; (b) 經由複數風口 /風嘴將含金屬進料及焦炭注入金屬 層内部; (C)大致於金屬層熔煉含金屬進料成為熔融金屬; (d) 使熔融金屬及爐渣投射成為潑濺、小滴及流至名 目寂靜的熔融浴表面上方空間,且形成一過渡區段;以及 (e) 經由一或多根風口 /風嘴將含氧空氣注入直接熔煉 谷态,以及後燃燒由熔融浴釋放的反應氣體,藉此上升及 下降溶融金屬及爐渣之潑錢、小滴及流於過渡區段,輔助 傳熱至溶融浴,藉此過渡區段可使由容器經由與過渡區段 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公餐) -------------裝--------訂· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
五、發明說明(5 ) 接觸的側壁之熱損失減至最低。 溶融浴之上下文中,「寂靜表面」一詞於此處須了解 表示於製程條件下熔融浴之表面,其中並無氣/固體注入 ’因此也無浴攪動。 較佳該方法係於直接熔煉容器以高度後燃燒程度作業 〇 較佳後燃燒程度係大於60%,此處後燃燒定義為: [C02] + [H02] [C02] + [H02] + [C0]-f[H2] 此處: [C02]=C02於廢氣之容積〇/〇 ; [h2o]=h2o於廢氣之容積% ; [CO] =co於廢氣之容積% :及 [h2] =h2於廢氣之容積%。 根據本發明,也提供一種直接熔煉一含金屬進料之裝 置,該裝置包含: (a) —直接溶煉容器用於溶煉含金屬進料; (b) —種生產裝置用於由煤及含氧氣體生產焦炭及燃 料氣體; (0—產生裝置用於使用燃料氣體作為能源產生經加 熱的含氧氣體’以及隨後供給該經加熱的含氧氣體至直接 熔煉容器;以及 (d) —供給谷裔用於供給含金屬進料及焦炭至直接溶 煉容器。 --------------------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) , 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
7793〇 - 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製
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圖式之簡單說明 將參照附圖進一步舉例說明本發明,附圖中: 第1圖為本發明方法及裝置之較佳具體例 之流程圖, 大半以示意形式表示;以及 第2圖為通過用於第1圖所示方法/裝置之直接熔煉容 器之較佳形式之縱剖面圖。 發明之詳細說明 第1圖所示較佳具體例之說明係有關由鐵礦生產鐵。 但須注意較佳具體例同等適用於由其它含金屬進料生產金 屬(包括金屬合金)。 參照第1圖,鐵礦於鐵礦預熱器3加熱,及供給直接熔 煉容器105,且於該容器内熔煉成為熔融鐵。 煤呈水液升^式及氧氣供給煤碳化器7,且於⑼ t範圍之溫度反應。煤(包括煤中成分例如揮發物)與氧反 應產生焦炭及燃料氣體。 「碳化單元」一詞須了解於此處表示任何適當裝置, 其中可使煤及含氧氣體接觸而產生焦炭及燃料氣體。 焦厌由碳化器7排放出,經冷卻,堆疊成垛,且隨後 供給直接熔煉容器1〇5作為能源及作為還原劑。 至〆邛分燃料氣體由煤碳化器7排放,且處於約⑺⑻ °C溫度係經由濕滌氣器(圖中未顯示)供給熱空氣噴射系統 9例如熱高爐,且被燃燒而產熱,該熱量將空氣加熱至約 1200°C 溫度。 加熱後之空氣富含氧,及供給直接熔煉容器1〇5。如 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNS)A4規格(210 X 297公爱) 577930 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 五、發明說明(7 ) 參照第2圖說明進一步細節,加熱後之富氧空氣後燃燒於 直接熔煉鐵礦產生的反應產物,例如一氧化碳及氫氣,以 及後燃燒產生之熱用於維持直接熔煉容器1〇5内部溫度。 典型該方法係於超過6 0 %之後燃燒程度作業。 於煤碳化器7產生之部分燃料氣體也用於將鐵礦預熱 器3之鐵礦預熱至約8〇〇°c溫度。 於直接溶煉容器105產生的廢氣係於約165〇艺之溫度 排放,冷卻至1000°C,然後藉加入冷空氣進一步後燃燒, 進一步冷卻,然後處理例如於廢氣滌氣器丨丨處理,及隨後 釋放入大氣。 選擇性地’部分廢氣用於預熱鐵礦預熱器3之鐵礦。 前述之方法及裝置有多種優於已知技術之優點。 舉例s之,已知二階段式直接熔煉法包括預還原階段 及熔煉階段,其注意力集中於使用來自熔煉階段之廢氣作 為預還原階段之還原劑,以及作為能量進給至加熱含氧氣 體來使總能量消耗降至最低。本發明為此等已知方法之替 代之道,而其注意力集中在擴大產能。例如於分開碳化器 7處理煤,然後將碳化器產生之焦炭引進直接熔煉容器1〇5 來減少煤可能帶入直接熔煉容器1〇5之雜質負擔。如此減 V雜質ie成之溶煉問題,且可提高直接溶煉產能及減少容 裔產生之廢氣容積。也可使用低級煤直接熔煉鐵礦。此外 :反化w 7產生之燃料氣體為用於加熱熱高爐之方便燃 燒氣體源。於例如高熔煉等方法中,其使用空氣或富氧空 ,氣而非氧氣用於後燃燒反應氣體,產生大容積加熱後之空 }紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格⑵G χ 297 ) :- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------線氣 發明說明(8 ) 氣或加熱後之富氧空氣為重要議題。此外,本發明方法並 非限於炼煉還原谷器105產生的廢氣中提取熱值,此項提 取可於後燃燒操作至大於70%程度。 直接熔煉容器105作業之直接熔煉法可為任何適當方 法。 於直接熔煉容器操作的較佳直接熔煉法為高熔煉法, 如後文概略參照第2圖所述及其細節述於申請人之國際專 利申請案PCT/AU99/00538,該國際申請案之專利說明書 之揭示内容併述於此以供參考。 較佳直接熔煉方法係基於: (a) 於直接溶煉容态1〇5形成一炫融浴具有一金屬声及 一爐渣層於金屬層上; (b) 經由複數風口 /風嘴將預熱鐵礦及焦炭注入金屬層 内部; (c) 大致於金屬層熔煉鐵礦成為熔融鐵; (d) 使溶融鐵及爐渣投射成為潑濺、小滴及流至名目 寂靜的熔融浴表面上方空間,且形成一過渡區段;以及 (e) 將加熱後之富氧空氣經由一或多根風口 /風嘴注入 直接熔煉容器105,以及後燃燒由熔融浴釋放的反應氣體 ,藉此上升及下降熔融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流於過 渡區段,輔助傳熱至熔融浴,及於過渡區段產生氣相溫度 約為2000°C或以上,藉此過渡區段可使由容器經由與過渡 區段接觸的側壁之熱損失減至最低。 直接炼煉容器105可為任何適當容器。 五、發明說明(9 ) 車乂佳直接炫煉容器為後文參照第2圖概略說明之容器 及其細即述於中凊人之國際專利中請案觸別 該國際中μ案之專利說明書之揭示内容併述於此以供參 考。 第2圖所不容n 1()5有_爐床包括㈣火碑製成之爐底 3及爐側55 ;側壁5形成概略圓柱形筒由爐側55向上伸展, 及包括-上筒段51及一下筒段53; 一頂7; 一廢氣出口9; -前爐床57用於連❹絲融金屬;一前爐床聯結件⑽ 互連爐床及前爐床57 ;及-放液孔61用於沒放溶融爐潰。 使用時,於穩態操作條件下,容器1〇5含有鐵及爐渣 熔浴,其包括一層熔融金屬層15及一層熔融爐渣層16於 金屬層15上。編號π標示的箭頭指示金屬層15之名目寂靜 表面位置,編號19標示的箭頭指示爐渣層16之名目寂靜表 面位置。須了解「寂靜表面」一詞表示未注入氣體及固體 進入容器時之表面。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 容器105也包括二固體注入風口 /風嘴n,以相對於垂 直30-60度夾角向下向内伸展通過侧壁5及進入爐渣層16。 風口 /風嘴11之位置經選擇,使其下端於穩態製程條件下 係高於金屬層15之寂靜表面17。 使用時,於穩態製程條件下,預熱鐵礦、焦炭、助溶 劑(典型為灰石及鎂氧)及夾帶於載氣(典型為氮氣)經由風 口 /風嘴11注入金屬層15内部。固體材料/載氣之動量使固 體材料及氣體穿透金屬層15。碳部分溶解於金屬及部分維 ’持為固體碳。鐵礦熔煉成為金,屬,熔煉反應產生一氧化碳 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐] -一"T2 577930
五、發明說明(10 ) -------------莱--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 氣。氣體輸送入金屬層15内部,經來自金屬層15之熔融金 屬、固體碳及爐渣(由於固體/氣體/注入結果被抽取入金屬 層15内部)顯著上舉浮力,其產生熔融金屬及爐渣之潑濺 、小滴及流之向上運動,此等潑濺、小滴及流當其移動通 過爐渣層16時夾帶爐渣。 嫁融金屬、固體碳及爐渣之上舉浮力引發金屬層15及 爐渣層16之實質攪動,結果爐渣層16之容積膨大,具有箭 頭30指示的表面。攪動程度使金屬及爐渣區獲得合理均勻 溫度’典型為145(M550°C,而各區之溫度變化不超過3〇 t:。 此外’因熔融金屬、固體碳及爐渣之上舉浮力引起熔 融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流之向上運動伸展至高於容 器之熔融材料的頂上空間3 1,以及: (a) 形成過渡區段23 ;及 (b) 投射若干熔融材料(主要為爐渣)超過過渡區段,且 至側壁5之上筒段51部件上,該部分係高於過渡區段23及 投射至頂7。 •經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 概略而言,爐渣層16為液體連續容積其中含有氣泡, 過渡區段23為氣體連續容積帶有熔融金屬及爐渣之潑濺、 小滴及流。 容器105進一步包括風口 13用於將加熱後的富氧空氣 入容器105。風口 13係位置對中,且垂直向下伸展入容器 内部。風口 13之位置及通過封嘴13之氣體流速經選定,因 此於穩態製程條件下,含氧氣體穿過過渡區段23中區,且 13 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) 577930
五、發明說明(11 ) 及維持%繞風口丨3末端之一個大致金屬/爐渣自由空間25 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 使用時,於穩態製程條件下,含氧氣體經由風口 13注 入後燃燒過渡區段23及環繞風口 13末端之自由空間25的 反應氣體一氧化碳及氫氣,且於氣體空間產生約2〇〇〇。〇或 以上之高氣相溫度。傳熱至氣體注入區之熔融材料之上升 與下降潑濺、小滴及流,然後當金屬/爐渣返回金屬層15 時’部分傳熱至金屬層15。 自由空間25由於可夾帶高於過渡區段23空間之氣體進 入風口 13端區,故自由空氣25對達到高度後燃燒相當要緊 ’因而增加可利用之反應氣體暴露於後燃燒。 風口 13位置、通過風口 π之氣體流速與熔融金屬及爐 渣之潑濺、小滴及流向上運動的組合效果係將過渡區段23 概略環繞風口 13下區成形,概略標示為編號27。此種成形 區對經由輕射傳熱至側壁5提供部分障壁。 此外,於穩態製程條件下,金屬及爐渣之上升與下降 小滴、潑濺及流為由過渡區段23傳熱至熔融浴之有效手段 ,結果側壁5區之過渡區段23溫度約為145CM550X:。 容器105係參照當製程於穩態製程條件下操作時,金 屬層15、爐渣層16及容器105之過渡區段23之高度組成; 以及參製程於穩態作業條件下作業時,被投射至高於過渡 區段23之頂空間31的熔融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流組 成,因此: (a)爐床及侧壁5之接觸金屬/爐渣層15/16之下筒段53 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---------線齡 577930 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明(I2 ) 係由耐火材料磚製成(附圖以交叉線表示); (b) 侧壁5之下筒段53至少部分由水冷式面板8背襯; 及 (c) 側壁5之上筒段51及頂7其接觸過渡區段23及頂3 間3 1者係由水冷式面板5 $、5 9製成。 側壁5之上筒段51之各水冷式面板8、58、59(圖中库 顯示)具有平行上緣及下緣及平行側緣,且彎曲而界定厦 柱形筒段。各面板包括一内部水冷卻管及一外部水冷卻管 。水管成开> 為彎蜒構形,且水平區段由彎曲區段互連。各 官進一步包括一進水口及一出水口。水管於垂直方向易位 ,因此當由面板之暴露亦即板之暴露於容器内側該面檢揭 時,外管之水平區段並非緊鄰於内管之水平段後方。各面 板進一步包括一種填塞耐火材料,其填補各管毗鄰水平段 間及官間空間。各面板進一步包括一支持板,其形成面板 外表面。 吕之進水口及出水口係聯結至供水回路(圖中未顯示) ,該回路以高流速循環水流經水管。 可未丨予離本發明之精髓;及範圍對前述較佳具體例作出 多種修改。 舉例言之,雖然較佳具體例包括供給至少部分燃料氣 體至煤碳化器7,但本發明非僅囿限於此而可包括其它選 擇,例如供給燃料氣體至氧工廠作為生產氧的能源。 本纸張尺度賴+ @ @家標準(CNS)A4娜(210 X 297公釐) —-15------ -------------裝--------訂---------轉 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 577930 A7 B7 五、發明說明(I3 ) 元件標號對照 3···鐵礦預熱器 3…爐底 5…側壁 7···煤碳化器 7…頂 8···水冷式面板 9···熱空氣噴射系統 9…出π 10…上段 11…廢氣滌氣器 11…風口 /風嘴 13…風口 15…金屬層 16…爐渣層 17-9…箭頭 23…過渡區段 25…自由空間 27…成形區 30…箭頭 31…頂空間 51…上筒段 53…下筒段 55…爐側 57…前爐床 58,59···水冷式面板 61…放液孔 71…前爐床連結 105···直接熔煉容器 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) Φ 訂---------泰- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS)A4規格(210 X 297公釐)
IF
Claims (1)
- 六、申請專利範圍 第881 12551號專利再審查案 申請專利範圍修正本 修正日期:90年12月 1. 一種直接熔煉一含金屬進料之方法,該方法包括下列步 驟: (a)使用含氧氣體前處理煤,並生產焦炭及燃料 氣體; (b )藉由提供至少一部份在步驟(a)產生的燃料氣 體至一熱空氣喷射裝置來加熱空氣或富含氧之空氣,以 及使用該燃料氣體作為能量來源,以供加熱該熱空氣噴 射裝置中之該空氣或富含氧之空氣; — (C)將含金屬進料、步驟(a)生產的焦炭、以及步 驟(b)產生的經加熱空氣或富含氧之空氣注入直接熔煉 容器;以及 (d)使用焦炭作為能源以及作為還原劑,以及在 .熔煉過程中以經加熱的空氣或富含氧的空氣產生之後 燃燒反應氣體,於直接熔煉容器直接熔煉含金屬進料成 為炼融金屬。 2·如申請專利範圍第!項之方法,其中該熱空氣喷射裝置 為熱高爐。 3·如申請專利範圍第丨項之方法,其包括於將進料注入直 接溶煉容器前,使用至少部分步驟⑷產生的燃料氣體 預熱含金屬進料。 4.如申請專利範圍第3項之方法,其進一步包括於將進料 /主入直接熔煉容器前,使用至少部分步驟0)產生的燃577930 A8 B8 C8 D8 申請專利範圍 料氣體預先還原含金屬進料。 5·如申請專利範圍第丨項之方法,其中該直接熔煉步驟(句 包括: (a)於直接熔煉容器形成一熔融浴具有一金屬層 及一爐渣層於金屬層上; 0) 經由複數風口 /風嘴將含金屬進料及焦炭注 入金屬層内部; (c) 大致於金屬層熔煉含金屬進料成為熔融金屬 (d) 使熔融金屬及爐渣投射成為潑濺、小滴及流 至名目寂靜的熔融浴表面上方空間,且形成一過渡區段 :以及 (e) 經由一或多根風口 /風嘴將含氧空氣注入直接 溶煉容器,以及後燃燒由熔融浴釋放的反應氣體,藉此 .上升及下降熔融金屬及爐渣之潑濺、小滴及流於過渡區 段,輔助傳熱至熔融浴,藉此過渡區段可使由容器經由 與過渡區段接觸的側壁之熱損失減至最低。 6·如申請專利範圍第1項之方法,其進一步包括使用至少 一部份在步驟(a)中產生的燃料氣體作為一氧氣工廠能 源來源,在該氧氣工廠中生產一含氧氣體。 ..................……裝卜: (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) .幻丨 •線· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 18
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