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JP4681688B2 - 鉄鉱石焼結用炭材 - Google Patents

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Description

本発明は、鉄鉱石を焼結して焼結鉱を製造するときの燃料として用いることができる炭材に関する。
焼結鉱の製造においては、まず、粉鉄鉱石を主原料として、石灰石、珪石、蛇紋岩などの副原料、固体燃料、返鉱などからなる配合原料をドラムミキサーなどにより混合、造粒して擬似粒子とし、配合原料の擬似粒子を焼結パレットに層状に装入後、表層の配合原料中の固体燃料に着火し、焼結パレットの下方から吸引通風することによって燃焼を順次下層に移行させ、装入された配合原料を焼成して焼結鉱としている。
従来より焼結鉱を製造するときの固体燃料としては、粉コークスが使用されていた。粉コークスはコークス炉で製造された塊コークスのうち、粒度が小さくて高炉に装入できないものを篩い分けして得たものである。
また、粉コークス以外の鉄鉱石焼結用の固体燃料としては、例えば以下の特許文献1および2に関するものが公知である。
特許文献1には焼結鉱の製造に当たり配合する燃料(燃料炭材)の10重量%以上を、石炭を300℃以上900℃以下の温度範囲で熱分解したチャーを配合することが記載されている。
また、特許文献2には、粉状鉄鉱石と石炭の混合物を石炭が熱分解するのに十分な300℃以上900℃以下に加熱保持し、得られたチャーと部分還元鉱石からなる固体物質を焼結用の燃料とすることが開示されている。
特開平5−230558号公報 特開平5−230557号公報
近年、無煙炭や粉コークスの原料となる粘結炭の価格が上昇している。したがって、焼結鉱製造のために用いることができる、より安価な代替の固体燃料が求められている。
また、環境上の問題から二酸化炭素の排出量低減が図られており、この目的を達成するために燃料の原単位低減が求められている。したがって、代替の固体燃料としては従来の固体燃料よりも燃焼効率に優れているものが所望されている。
さらに、高炉の出銑量増大、出銑比向上が図られており、このためには焼結鉱の増産、および焼結鉱の品質向上が不可欠となる。したがって、従来の固体燃料を用いる場合よりも焼結鉱の生産率、および成品歩留まりの改善を可能とするような新たな焼結鉱製造方法が求められている。この点、特許文献1または2は、焼結鉱の生産率、および成品歩留まりの改善について何ら開示していない。
さらにまた、二酸化炭素と同様に、焼結機排出ガス中における窒素酸化物(NOx)についても低減されることが求められている。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、従来用いられていた焼結用燃料よりも安価であって燃焼効率に優れ、且つ焼結鉱の生産率、および成品歩留まりを改善することができるとともに、焼結鉱生産時における窒素酸化物排出量の低減を実現可能とする鉄鉱石焼結用の固体燃料すなわち、炭材を提供することを目的とする。
本発明は前記問題点に鑑みなされたものであり、その要旨とするところは
(1)鉄鉱石焼結用の固体燃料として使用するための炭材であって、以下の性質を有することを特徴とする炭材。
(i)反応開始温度が550℃以下、
(ii)揮発分(VM)が1.0%以上
(iii )水素と炭素の原子数比(H/C)が0.040以上、
(iv)水銀圧入法で測定される孔径0.1〜10μmの気孔量が50mm/g以上
(2)前記炭材がさらに以下の性質を有することを特徴とする(1)に記載の炭材。
(v)反応速度最大温度が600℃以下、
(vi)1000℃での反応速度が0.19min−1以上
(3)前記炭材がさらに以下の性質を有することを特徴とする(1)または(2)に記載の炭材。
(vii )ミクロ強度指数(MSI0.21)が20以上
(4)前記炭材が亜瀝青炭又は褐炭を原料として製造されることを特徴とする(1)または(2)に記載の炭材。
(5)前記炭材が亜瀝青炭又は褐炭を原料として製造されることを特徴とする(3)に記載の炭材。
(6)(1)または(2)に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
(7)(3)に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
(8)(4)に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
(9)(5)に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
本明細書において反応開始温度とは、以下の温度をいう。すなわち、熱天秤に所定の粒度(0.15〜0.25mm)に調整した試料を所定の重量(10〜20mg)入れ、空気雰囲気中で所定の昇温速度(10℃/min)で昇温し、重量減少を測定する。ここで、重量減少率が安定して0.002(1/min)を超える温度を反応開始温度という。
また、本明細書において、重量減少曲線の傾きが最大となる温度(単位時間あたりの重量減少が最大となる温度)を、反応速度最大温度という。
また、本明細書において、1000℃での反応速度とは、熱天秤に所定の粒度(0.15〜0.25mm)に調整した試料を所定の重量(10〜20mg)入れ、窒素雰囲気中で1000℃まで昇温し、その後雰囲気を空気雰囲気とした初期における単位時間あたりの重量減少比(重量減少量と初期重量の比)(1/min)をいう。
また、本明細書の揮発分(VM)は、JISM8812に記載の方法で測定することができる。
また、水素と炭素の原子数比(H/C)は、元素分析により測定される炭素と水素の重量百分率C%およびH%をもとに、H/C=(H%/1)/(C%/12)で求めることができる。
また、本明細書において、気孔量は水銀圧入法によって測定されている。水銀圧入法は、多孔質粒子等の試料について、圧力を加えながらその細孔に水銀を浸入させ、圧力と圧入された水銀量との関係から細孔径分布等の情報を得る手法である。当該水銀圧入法による気孔量分布は、固体物質内の孔径が0.01〜100μmの大きさの気孔量分布を測定する機器であって一般的に用いられている水銀ポロシメーターを用いて決定することができる。
また、本明細書においてミクロ強度指数(MSI0.21)とは、φ24.2×L300mmの円筒容器内に0.5〜1.0mm試料2gとφ7.9mm鉄球12個を入れ、25rpmで800回転の衝撃を加えた後、70mesh(0.21mm)の篩で篩い分け、重量を測定したときの+0.21mm(0.21mm以上)の試料に対する重量百分率をいう。
本発明によれば、従来用いられていた焼結用燃料よりも安価であって燃焼効率に優れ、且つ焼結鉱の生産率、および成品歩留まりの改善することができるとともに、焼結鉱生産時における窒素酸化物排出量の低減を実現可能とする鉄鉱石焼結用の燃料を提供することができる。
本発明の実施形態の炭材の製造工程の概略図である。 実施例Hおよび比較例Aの気孔量分布を示すグラフである。 実施例Hおよび比較例Aの重量と温度の関係を示すグラフである。 実施例Hおよび比較例Aの重量減少率と温度の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の炭材を用いた焼結鉱の製造工程の概略図である。 焼結過程の焼結原料の状態を示す模式図である。
本発明の実施形態の炭材は、例えば亜瀝青炭または褐炭を原料とし、これを例えばロータリーキルンなどの熱分解炉を用いて熱分解することにより製造される。当該亜瀝青炭や褐炭は、粉コークスよりも非常に安く入手することが可能であり、生産コスト等を考慮しても、従来の固体燃料より安価とすることができる。なお、本発明の実施形態に係る炭材の原料はこれに限定されるものではなく、粘結炭よりも石炭化度が低い石炭類(非微粘結炭、一般炭、亜瀝青炭、褐炭等)、より具体的には酸素と炭素の原子数比(O/C)が0.07以上の石炭を原料とすることができる。このうち、原料を亜瀝青炭または褐炭とすると、本発明の実施形態の炭材を用いて焼結鉱を製造したときに生産率および成品歩留まりがより改善されるため、好ましい。
まず、本発明の実施形態の炭材の製造について、例を挙げて具体的に説明する。図1は本発明の実施形態の炭材1の製造工程の概略図であり、2は熱分解炉(ロータリーキルン)であり、断熱壁によって大気雰囲気から遮断した内部空間が形成された閉鎖容器である。また、3は予熱炉であり、4は散水クーラーである。また、図1において実線矢印は亜瀝青炭または褐炭などの炭材の原料、および製造された炭材1の流れを表す。一方、破線矢印は熱分解工程等により生じたガスの流れを表す。
まず、原料となる亜瀝青炭または褐炭はホッパー(図示しない)に装填され、第1のロータリーバルブ5aを介して予熱炉3のスクリューコンベア3aに供給される。スクリューコンベア3aを介して予熱炉3内に装入された亜瀝青炭または褐炭は、予熱炉3内で前処理として例えば490℃で加熱され、水分が除去される。
当該前処理された亜瀝青炭または褐炭は予熱炉3から送出され、続いて第2のロータリーバルブ5bを介し、ロータリーキルン2のスクリューコンベア2aに供給されてロータリーキルン2内に装入される。ロータリーキルン2内においては、原料の亜瀝青炭または褐炭を任意の速度で攪拌、移動しながら650〜850℃で熱分解が行われる。これにより、亜瀝青炭または褐炭から揮発分(VM:炭化水素類、CO、H等のガス成分)の一部やタールが放出される。一方、ロータリーキルン内に残った固形成分はチャーと称され、これが後述する性質を有する本発明の実施形態の炭材となる。当該チャーはロータリーキルン2内から送出された後、散水クーラー4によって冷却され、焼結炉における使用のために保存することができる。
ロータリーキルン2における熱分解によって製造される炭材(チヤー)は、一般に堅牢なコークスとは異なり、粉化性のある炭材である。周知のようにコークスはコークス炉において1100〜1200℃で乾留されたものであり,石炭粒子が相互に粘結して塊状となったものであるが,本発明の炭材の場合には,かような粘結性は不要であり,揮発分の一部とタールが石炭から除去された熱分解生成物であればよい。
なお、本実施形態においては予熱炉3による前処理を行ってからロータリーキルン2に装入して熱分解を行っているが、当該前処理を省略して熱分解を行うようにしてもよい。また、冷却の方法についても特に限定されず、散水クーラーのほか、外部冷却式のロータリークーラーを用いるようにしてもよい。
また、熱分解によって生成したガス(VMガス)は炉内からガス利用設備に供給することによって再利用することができる。具体的には、熱分解にて生じたガスを燃料としてロータリーキルン1に供給し、亜瀝青炭または褐炭を熱分解するようにしてもよい。また、当該ガスを燃焼炉6で燃焼させた後、生じた燃焼排ガスを予熱炉2に送出して予熱過程にて有効利用することもできる。
このようにして亜瀝青炭または褐炭を650〜850℃で熱分解することにより製造された本発明の実施形態の炭材(チャー)は、揮発分(VM)が1.0%以上、水素と炭素の原子数比(H/C)が0.040以上、および水銀圧入法で測定される0.1〜10μm気孔量が50mm/g以上であり、反応開始温度が550℃以下となる。
すなわち、揮発分(VM)が1.0%以上である本発明の実施形態に係る炭材は、化学構造が切れやすく、鉄鉱石などとともに焼結炉に装入されたときに、より低温で反応が開始される。また、原子数比(H/C)が0.040以上であることにより、構造内に水素原子を多く含み、芳香族の多環化が十分に進んでおらず、化学構造が切れやすく、低温で反応を開始するような構造を含んでいる。
また、水銀圧入法で測定される孔径が0.1〜10μmの気孔量が50mm/g以上であることにより、50mm/gより値が小さいときよりも燃焼開始温度が低く、燃焼速度が大きくなるため、焼結反応をより促進する。なお、0.1μmよりも孔径の小さい気孔は、焼結層での反応雰囲気条件において、酸素の拡散速度が燃焼速度に比べて相対的に遅いため、小さい気孔量の大小が燃焼性を決める因子とはならない。また、10μmよりも大きい気孔は、気孔表面積が小さいため、燃焼性への影響は少ない。したがって、本発明の実施形態に係る炭材では、孔径が0.1〜10μmの気孔量が燃焼性に大きな影響を与えることとなる。ここで、理解をより容易とするために、図2に後述する実施例Hの炭材と粉コークスである比較例Aの気孔量分布を示す。図2に示すように、実施例Hでは孔径が0.1〜10μmの大きさの気孔が比較例Aよりも非常に多く存在している。
そして、揮発分(VM)、原子数比(H/C)、および水銀圧入法で測定される孔径が0.1〜10μm気孔量について以上のような性質を有する炭材は、反応開始温度が550℃以下となり、粉コークスよりも低い温度で反応が開始される。ここで、理解をより容易とするために、図3に実施例Hと比較例Aの重量減少曲線、および図4に図3の一次微分を縦軸にプロットし、温度と反応速度の関係を表した重量減少率曲線を示す。図3および図4に示すように、実施例Hの炭材は比較例Aの粉コークスよりも反応開始温度が低温であって、550℃以下である。
よって、当該炭材からなる本発明の実施形態の固体燃料は、焼結機内で着火されたときに、粉コークスよりも低い温度で炭化水素等のガス(燃焼ガス)を放出する。当該燃焼ガスは焼結用の原料や燃料の昇温を加速するとともに燃焼帯において焼結反応を促進し、燃焼効率が改善されるため、焼結用燃料の原単位削減を実現することができ、焼結鉱製造時の二酸化炭素の排出量を従来よりも削減ことができる。また、当該炭材からなる本発明の実施形態の固体燃料を用いて製造された焼結鉱は、粉コークスを使用して製造された場合よりも強度が高く、したがって焼結鉱の生産率および成品歩留まりを改善することができる。
加えて、上述のように燃焼効率が改善されるため、燃焼時の窒素酸化物の発生量が低減する。これは、燃焼性が良いために炭材周辺のCO濃度が相対的に高く、炭材から発生する窒素酸化物が還元されやすいためと考えられる。したがって本実施形態の炭材を用いて焼結鉱を製造することにより、焼結鉱生産時における窒素酸化物の排出量を従来よりも削減することができる。
なお、揮発分(VM)が高い炭材については、焼結機で使用すると、低温領域で発生する揮発分(VM)の一部が燃焼に寄与せずに集塵機、ブロワーに吸引されるため、集塵機等のより頻繁なメンテナンスが必要となる場合があり、手間やコストがかかるようになる。このため、本発明の実施形態の炭材は、揮発分(VM)が10%以下であることが好ましい。
また、本発明の実施形態に係る炭材は、反応速度最大温度が600℃以下であり、1000℃での反応速度が0.19min-1以上であることが好ましい。当該性質を有することにより、焼結反応をさらに促進させることができるため、焼結鉱の生産率および成品歩留まりをさらに改善することができる。
さらにまた、本発明の実施形態の炭材は、以上の条件に加えて、ミクロ強度指数(MSI0.21)が20以上であることが好ましい。20以上であるとき、焼結鉱の生産率および歩留まりがさらに一層改善される。このようにミクロ強度指数が20以上である場合に生産率および歩留まりがさらに一層改善される理由は明らかとなっていないが、原料鉄鉱石と混ぜて混合、造粒し、配合原料を調整する過程において、本発明の実施形態の炭材が壊れて微紛となる率が低下することにより、配合原料としての造粒物の表面に本発明の実施形態の炭材の露出率が大きくなる結果、造粒物の着火性が増すこと、および微粉化が抑制される結果、飛散して燃料としての機能を発揮しないものが少なくなるためと考えられる。
次に、本実施形態の炭材を用いた焼結鉱の製造について、下方吸引式のドワイドロイド式の焼結機を用いた場合を例に挙げて説明する。図5は焼結鉱の製造工程の概略図であり、10は焼結機であり、11(11a〜11d)はホッパーであり、12(12a,12b)はドラムミキサーである。
まず、焼結鉱の原料となる、粉状或いは適切な粒度に破砕調整された鉄鉱石と、石灰石、蛇紋岩などの副原料と、返鉱と、本実施形態の炭材や粉コークスなどの固体燃料とが、鉄鉱石用ホッパー11a、副原料用ホッパー11b、返鉱用ホッパー11c、および固体燃料用ホッパー11dに装填される。各ホッパーから送出された鉄鉱石、副原料、返鉱、および固体燃料は混練用ドラムミキサー12aに所定の比率で装填されて破砕および混練され、続いて造粒用ドラムミキサー12bにおいて水分が添加されて造粒され、擬似粒子(造粒物)となる。当該擬似粒子はサージホッパー13に装填された後、ドラムフィーダー14によって切り出され、ドワイトロイド式焼結機10の無端であるパレット10a上に所定の厚さ(たとえば500〜700mm)となるように層状に装入される(以下、当該擬似粒子が積層された層を原料層31という)。
次いで、点火炉15によりパレット10a上の表層の造粒物(擬似粒子)中の固体燃料に着火して、焼結過程を開始する。着火後はウインドボックス10bにより、下方に向けて空気を吸引しながら固体燃料、および固体燃料から放出される揮発分を燃焼させ、その燃焼熱によってパレット10a上の擬似粒子を焼結させて焼結ケーキ40とする。
図6は焼結過程の焼結原料の状態を模式的に表したものであり、本実施形態の固体燃料を焼結用燃料とした場合のパレット10b上の焼結原料の或る時点の温度分布を例示したものである。点火炉15で原料層31上部の本実施形態の炭材等が着火され、燃焼帯32は下方へさがってくるが、燃焼帯直下の乾燥帯33では燃焼ガスによって原料や燃料が昇温される。一方、さきに燃焼が進行して終了した部分は温度が下がり、冷却帯34となる。図6に加えて図5を参照することにより、無端のパレット10aの折り返し点に近づくにつれて、燃焼が進行し、原料層31が減少するとともに冷却帯34が増加して焼結ケーキ40が形成される様子が模式的に理解される。なお、図6に示した温度分布は、粉コークスを固体燃料とした従来の場合と実質的に同様の挙動である。
焼結過程により形成された焼結ケーキは無端のパレット10aから送出された後、第1のクラッシャー16により破砕され、クーラー17にて通風冷却される。続いて、スクリーン18および第2のクラッシャー19によりさらに破砕された後、多段式の篩い20に供され、所定の粒径を有する焼結鉱となる。一方、所定の粒径に満たない焼結鉱は返鉱となり、焼結原料として再利用される。
なお、焼結過程によって生じたガスはウインドボックス10bから送出され、集塵機21、ファン22を経て排気筒23から排出される。
本発明の実施形態の炭材は、ホッパーに装填される固体燃料の少なくとも一部として使用することができる。焼結鉱製造に用いられる固体燃料中の本実施形態の炭材を混合比率は特に限定されるものではなく、固体燃料を全て本実施形態の炭材とすることも可能であり、本発明の実施形態の炭材と粉コークスとを混合して使用してもよい。
以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明の目的を阻害しない限り、本発明が以下に示す条件等に限定させるものではない。
表1に示す原料より、ロータリーキルンを用い、650〜850℃で熱分解して実施例C〜Iの炭材を製造した。これらについて、揮発分(VM)の割合、水素と炭素の原子数比(H/C)、反応開始温度、反応速度最大温度、1000℃での反応速度、水銀圧入法による0.1〜10μm気孔量(水銀ポロシメーターを用いて測定)、およびミクロ強度指数を決定した。
すなわち、反応開始温度については、熱天秤に粒度を0.15〜0.25mmに調整した試料を10mg入れ、空気雰囲気中で昇温速度10℃/minで昇温し、重量減少を測定した。このときの重量減少率が安定して0.002(l/min)を超える温度を反応開始温度とした。
また、反応速度最大温度については、上述の重量減少の測定から図1に示すような重量原料曲線を作成し、当該重量減少曲線の傾きが最大となる温度(単位時間あたりの重量減少が最大となる温度)を反応速度最大温度とした。
また、1000℃での反応速度については、熱天秤に粒度を0.15〜0.25mmに調整した試料を10mg入れ、窒素雰囲気中で1000℃まで昇温し、その後雰囲気を空気雰囲気とした初期における単位時間あたりの重量減少比(重量減少量と初期重量の比)(1/min)を測定することにより決定した。
また、揮発分(VM)を、JISM8812に記載の方法で測定した。
また、水素と炭素の原子数比(H/C)を、元素分析により測定される炭素と水素の重量百分率C%およびH%をもとに、H/C=(H%/1)/(C%/12)で算出した。
また、水銀圧入法により計測される孔径0.1〜10μmの気孔量は水銀ポロシメーターを用いて測定した。
また、ミクロ強度指数(MSI0.21)は、φ24.2×L300mmの円筒容器内に0.5〜1.0mm試料2gとφ7.9mm鉄球12個を入れ、25rpmで800回転の衝撃を加えた後、70mesh(0.21mm)の篩で篩い分け、重量を測定したときの+0.21mm(0.21mm以上)の重量の試料重量に対する重量百分率を求めることにより決定した。
さらに、実施例C〜Iの炭材を用いたときの焼結鉱の生産率および成品歩留まりを焼結鍋試験によって評価した。
焼結鍋試験としては、直径30cm、層高60cmの焼結試験装置を用いて、所定の配合原料豪卅産鉄鉱石:53%、ブラジル産鉄鉱石:30%、石灰石:14%、蛇紋岩:3%(いずれも質量%)で焼結鉱を製造する試験を実施した。まず、配合原料を焼結試験装置内に60cm高さまで装入した後、原料層の表層の炭材にプロパンガスバーナーで90秒間添加する操作を行った。その後、15kPaの一定負圧で下方へ空気を吸引しながら焼結反応を行った。一連の焼結処理が完了した焼結体は、十分に冷却した後、2m高さから4回落下させて破砕し、5mm以上の粒度を焼結鉱として回収した。このマテリアルバランスから焼結鉱の生産率および歩留まりを測定した。評価は、生産率、成品歩留まりで行い、粉コークス(炭材A)を用いたベース条件と比較して、同等の場合を△、優れている場合を○、より優れている場合を◎で評価した。また、当該焼結鍋試験における排ガス中のNOxについても測定を行った。
これらの結果を表1に示す。また、比較例Aとして、固体燃料として粉コークスを用い、実施例と同様の測定および評価を行った。さらに、比較例Bとして、炭材用の原料を粘結炭として実施例と同様の方法で炭材を製造し、実施例と同様の測定および評価を行った。
表1に示すように、反応開始温度がいずれも550℃以下である実施例C〜Iは、粉コークスである比較例よりも生産率が向上するとともに、成品歩留まりも改善される。特に、反応速度最大温度が600℃以下であり、且つ1000℃での反応速度が0.19min-1以上である実施例F〜Iはさらに生産率、成品歩留まりが改善される。さらにまた、以上の条件を満たし、且つミクロ強度指数が20以上である実施例HおよびIは、一層の生産率、および成品歩留まりの改善の効果が得られる。また、排ガス中のNOxの濃度も削減することができている。
本発明によれば、従来用いられていた焼結用燃料よりも安価であって燃焼効率に優れ、且つ焼結鉱の生産率、および成品歩留まりの改善することができるとともに、焼結鉱生産時における窒素酸化物排出量の低減を実現可能とする鉄鉱石焼結用の燃料を提供することができる。

Claims (9)

  1. 鉄鉱石焼結用の固体燃料として使用するための炭材であって、以下の性質を有することを特徴とする炭材。
    (i)反応開始温度が550℃以下、
    (ii)揮発分(VM)が1.0%以上
    (iii )水素と炭素の原子数比(H/C)が0.040以上、
    (iv)水銀圧入法で測定される孔径0.1〜10μmの気孔量が50mm/g以上
  2. 前記炭材がさらに以下の性質を有することを特徴とする請求項1に記載の炭材。
    (v)反応速度最大温度が600℃以下、
    (vi)1000℃での反応速度が0.19min−1以上
  3. 前記炭材がさらに以下の性質を有することを特徴とする請求項1または2に記載の炭材。
    (vii )ミクロ強度指数(MSI0.21)が20以上
  4. 前記炭材が亜瀝青炭又は褐炭を原料として製造されることを特徴とする請求項1または2に記載の炭材。
  5. 前記炭材が亜瀝青炭又は褐炭を原料として製造されることを特徴とする請求項3に記載の炭材。
  6. 請求項1または2に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
  7. 請求項3に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
  8. 請求項4に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
  9. 請求項5に記載の炭材を固体燃料として用いることを特徴とする焼結鉱の製造方法。
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