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"PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA TRANSFORMATION, PAR EFFET JOULE DANS LA MASSE,
DE MELANGES VITRIFIABLES EN VERRE AFFINE".
On connaît divers procédés pour transformer, par la seule inter- vention de l'énergie électrique, un mélange vitrifiable en verre affiné. Ces procédés comprennent deux phases : dans une première phase, le mélange vitrifiable subit une trans- formation plus ou moins avancée se traduisant par la formation d'une propor- tion plus ou moins importante de matière fondue ; dans une deuxième phase, on achève la fusion, puis on affine le verre.
Pour l'exécution de cette deuxième phase, les procédés en question utilisent le même mode de chauffage, c'est-à-dire la chaleur engendrée par des courants électriques circulant entre des électrodes immergées dans le bain de fusion.
Mais ces procédés connus se distinguent les uns des autres par le mode de chauffage mis en oeuvre dans la première phase et par le degré de fusion du mélange vitrifiable à la fin de cette première phase. Ce chauffage est obtenu dans les divers procédés : soit en exposant le mélange vitrifiable à la chaleur développée par l'arc électrique ; soit en faisant rayonner sur le mélange vitrifiable des resistors extérieurs portés à haute température ; soit en étalant le mélange vitrifiable sur la surface d'un bain de verre servant de resistor; soit en plaçant le mélange vitrifiable dans un champ électrique de haute fréquence;
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soit en faisant traverser le mélange vitrifiable, dans toutes ses parties, par le courant électrique.
Ces procédés connus présentent divers inconvénients dont les plus importants sont : le mauvais coefficient de transformation de l'énergie électrique en chaleur; le mauvais rendement du transfert de la chaleur au mélange vitrifiable; l'importante corrosion des matériaux réfractaires par le mélange vitrifiable; enfin, le collage de la masse aux matériaux d'en- ccinteo
La présente invention a pour objet un procédé qui remédie aux inconvénients ci-dessus rappelés et qui consiste essentiellement : à créer dans la zone centrale du mélange vitrifiable (par exemple par amorçage au moyen d'un arc électrique ou par tout autre moyen) une colonne de conducti- bilité électrique suffisante pour qu'il soit possible de la chauffer par effet Joule dans la masse en utilisant des courants électriques de fréquence et de tension industrielles;
à intensifier et à étendre le chauffage par effet Joule dans la matière de cette zone centrale de manière à réaliser un état de fusion très avancée dans un volume suffisamment important ; à inter- rompre le chauffage par effet Joule, à un moment où la matière en fusion est encore séparée des parois de l'enceinte de travail, et éventuellement de 1' atmosphère ambiante, par une certaine quantité de matière à l'état pulvéru- lent, grâce à quoi on écarte le risque de collage de la matière en fusion aux dites parois, la matière pulvérulente se comportant en outre comme ca- lorifuge ;
enfin, à transférer la matière ainsi fondue dans un bain de verre servant de resistor où s'achève la fusion et où s'effectue l'affinage, ce transfert étant fait de manière que la matière fondue entraîne une quantité aussi faible que possible du mélange vitrifiable peu ou pas transformé.
Le moment où l'on arrête le chauffage par effet Joule est déter- miné par les considérations suivantes : il y a intérêt, du point de vue de la meilleure utilisation de l'énergie électrique, à pousser aussi loin que possible le dit chauffage et à fondre, par conséquent, une partie aussi im- portante que possible de la masse de matières vitrifiables.
Mais il importe, pour qu'il ne se produise pas.de collage aux parois de l'enceinte, que la masse en fusion soit entourée d'une épaisseur suffisante de mélange vitrifia- ble encore à l'état pulvérulento
Le nouveau procédé offre l'avantage de limiter l'action de 1 énergie électrique au passage du courant dans la zone centrale du mélange vitrifiable ; de plus, les pertes de calories sont réduites en raison du fait que la température est moins élevée dans la zone périphérique qui joue le rôle de calorifuge.
L'invention a, en outre, pour objet des dispositifs pour la mise en oeuvre du procédé susviséo
Ces dispositifs peuvent être réalisés de diverses manières : ils comportent, comme caractéristique générale, la combinaison, avec une enceinte en matériau non conducteur de l'électricité ouverte à sa partie supérieure, d'un système d'électrodes traversant sa paroi ou fixées sur cette paroi et de moyens permettant le transfert de la matière fondue dans le bain de verre où s'achève la fusion et où s'effectue l'affinage.
A titre d'illustration seulement, sans aucun caractère limitatif de la portée de l'invention, on a représenté sur le dessin schématique annexé deux modes de réalisation d'un tel dispositif :
La fig, 1 est une coupe transversale d'un mode de réalisation simple de l'appareil, celui-ci étant en fonctionnement et la figure montrant l'état du mélange vitrifiable vers la fin de l'opération, c'est-à-dire au moment où l'on va transférer la matière fondue dans le récipient {non figuré) de fin de fusion et d'affinage;
La fig. 2 est une coupe longitudinale d'un deuxième mode de réa- lisation, l'appareil étant supposé vide ;
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La fig. 3 en est une coupe transversale.
Le dispositif de la fig. 1 comprend une enceinte 1 en matériau céramique réfractaire non conducteur de l'électricité, ouverte à la partie supérieure et dans le fond de laquelle est prévue une ouverture d'écoulement normalement fermée par un bouchon 2.
Dans le mode de réalisation simple que représente la fig. l, le dispositif comporte deux électrodes en graphite 3, mobiles, dans le sens lon- gitudinal à travers la paroi de l'enceinte et servant successivement : à amorcer et à créer la colonne de conductibilité électrique suffisante; ensuite à étendre la fusion dans un volume de mélange vitrifia- ble suffisamment important.
Pour mettre en oeuvre le procédé au moyen de ce dispositif, on. opère de la façon suivante :
Après avoir mis en contact les extrémités des électrodes 3, on remplit de mélange vitrifiable l'enceinte 1. Les électrodes ayant été connec- tées à une source de courant alternatif de fréquence et de tension industriel- les,on les écarte l'une de l'autre de manière à faire jaillir un arc électri- que entre leurs extrémités en regard, puis on augmente progressivement leur écartement jusqu'à ce que l'arc s'éteigne : le courant électrique passe alors dans la faible épaisseur de mélange vitrifiable se trouvant entre les électro- des et l'échauffe.
En continuant à écarter les électrodes, on crée rapidement une colonne de mélange vitrifiable qui est le siège d'un important dégagement de chaleur par effet Joule dans la masse.
On arrête le mouvemént des électrodes lorsque leur écartement est tel qu'il permette de fondre une quantité importante de mélange vitrifiable avec des pertes minimes de chaleur, une épaisseur convenable de mélange vitri- fiable à l'état pulvérulent étant conservée entre la surface interne de l'en- ceinte et la zone fortement chauffée par effet Joule.
Dans ces conditions, la fusion par effet Joule dans la masse s' étend graduellement, vers les couches inférieures du mélange vitrifiable, par le jeu de la gravité s'exerçant sur la zone centrale comprise entre les élec- trodes.
.Lorsque la partie inférieure du volume intéressé par la fusion ar- rive à proximité du fond de l'enceinte, l'opération est terminée. La fig. 1 montre très schématiquement l'état du mélange vitrifiable au moment considéré : on voit en F la partie du mélange vitrifiable en fusion, en P le mélange vitri- fiable resté à l'état pulvérulent et, entre les deux, la croûte T de mélange plus ou moins fritté, croûte qui, au moment de la coulée de la masse fondue, maintient en place la partie pulvérulente P et s'oppose à son entraînement par la masse fondue.
Dans ce mode de réalisation de l'invention, le transfert de la masse de mélange vitrifiable dans un état de fusion très avancée dans le ré- cipient de fin de fusion et d'affinage se fait de préférence par soutirage partiel, en enlevant le bouchon 2. Si l'on utilise un bouchon en graphite et si l'on ménage l'orifice d'écoulement dans une pièce en graphite rapportée sur le fond de l'enceinte, on évite le collage de la matière fondue aussi bien au moment du débouchage qu'au moment du rebouchage de l'ouverture. Dans ce mode de mise en oeuvre de l'invention,il faut régler l'écartement des électrodes en fonction de leur hauteur au-dessus de l'orifice d'écoulement et du mode de développement de la masse en fusion sous l'effet perturbateur de la gravité.
L'appareil des fig.- 2 et 3 constitue un mode de réalisation plus perfectionné de l'invention se prêtant à une utilisation industrielle plus commode.
Dans ce mode de réalisation, le dispositif comprend également une
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enceinte 1 en matériau céramique réfractaire non conducteur de l'électri- cité ouverte à sa partie supérieure.
L'enceinte porte des tourillons creux 3' reposant dans des paliers 4 On peut la faire tourner de 180 et la vider de son contenu en agissant sur la poignée 5,
Dans ce mode de réalisation, l'appareil comporte des électro- des principales et des électrodes auxiliaires. Les électrodes principales 6, en graphite, sont fixées sur les parois extrêmes de l'enceinte;
ces électrodes n'occupent pas toute la surface de la section transversale, de manière à ménager un espace 7 entre leur périphérie et la surface interne de l'enceinte, grâce à quoi la zone périphérique du mélange vitrifiable ne se trouve pratiquement pas soumise à l'effet Joule,
Les deux électrodes auxiliaires, ou d'amorçage, 8, également en graphite, traversent les électrodes 6 et peuvent être déplacées suivant leur axe, en vue de leur rapprochement ou de leur éloignement (voir fig.2), à l'intérieur des tubes 9 en acier réfractaire dont les collerettes 9 sont reliées aux électrodes fixes 6;
ces tubes constituent les amenées de cou- rant à ces électrodes,
Entre les tourillons creux 3' et les tubes en acier 9 sont disposés des manchons 10 en matériau céramique isolant ou en silice vitreu- se qui isolent électriquement les tourillons des tubes précités.
Le dispositif que l'on vient de décrire est enfermé dans une chambre 11 située au-dessus du récipient d'utilisation (non figuré) du pro- duit sortant de l'enceinte. Un registre 12 ferme la dite chambre à sa partie inférieure. Un autre registre 13 est prévu à la partie supérieure du dispo- sitif. Ces registres 12 et 13 forment, avec les parois 14, une enveloppe ca- lorifuge autour de l'enceinte..
Avec le dispositif des fig. 2 et 3, on opère de la façon sui- vante :
Après avoir mis en contact les extrémités des électrodes auxi- liaires 8, on manoeuvre le registre 13 et on remplit de mélange vitrifiable l'enceinte 1. Les électrodes ayant été connectées à une source de courant alternatif de fréquence et de tension industrielles, on écarte l'une de 1' autre les électrodes auxiliaires de la manière exposée plus haut à propos de la fig.. 1 en agissant progressivement jusqu'à ce qu'elles soient venues au droit des électrodes principales fixes 6 qui, elles, assurent l'extension de la fusion.
L'opération se poursuit dans les mêmes conditions et avec les mêmes avantages qu'avec le dispositif de la fig, l, jusqu'à ce qu'une quan- tité convenable de mélange vitrifiable ait été fondue, une épaisseur conve- nable de mélange vitrifiable à l'état pulvérulent étant conservée entre la surface interne de l'enceinte et la zone fortement chauffée par effet Joule.
On transfère alors le contenu de l'enceinte dans le récipient de fin de fusion et d'affinage, après enlèvement du registre 12, en faisant basculer l'enceinte de 1800 autour de ses tourillons au moyen de la poignée 5. L'enceinte se vide complètement, la masse fondue entraînant avec elle la matière restée à l'état pulvérulent. Ce léger inconvénient est largement compensé par le fait que l'appareil des fig. 2 et 3 est d'une utilisation industrielle très commode. La quantité de matière restant à l'état pulvéru- lent et ainsi entraînée peut varier.
A titre d'indication seulement, sans aucun caractère limitatif des conditions de mise en oeuvre de l'invention, on peut préciser que le pourcentage, en poids, de la couche périphérique pulvérulente qui évite le collage aux parois de l'enceinte est de l'ordre de 20% du poids total de mélange vitrifiable introduit dans l'enceinte;
Avec l'un ou l'autre mode de réalisation, après transfert de la masse fondue, il suffit, pour que le dispositif soit prêt à fonctionner de la même manière, de remettre les électrodes 3 ou 8 en contact dans la zone centrale et de garnir à nouveau l'enceinte de mélange vitrifiable.
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Il est bien entendu que les détails de réalisation décrits et figurés n'ont été donnés qu'à titre d'illustration et qu'on pourrait les modifier de diverses manières ou remplacer certains éléments ou moyens par des éléments ou moyens équivalents sans que l'économie de l'invention s'en trouve,pour cela, altérée.
C'est ainsi, notamment, qu'avec le dispo- sitif des figo 2 et 3 : on peut, pour créer dans la zone centrale la colonne de con- ductibilité électrique suffisante, remplacer les électrodes mobiles par un resistor que l'on chauffe électriquement et que l'on retire lorsque les couches de mélange vitrifiable qui l'entourent sont suffisamment chaudes pour pouvoir être chauffées par effet Joule dans la masse par le courant passant entre les deux électrodes fixes; dans une variante ne comportant pas d'électrodes mobiles, on ' ne garnit d'abord l'enceinte du mélange vitrifiable que jusqu'au niveau du centre des électrodes fixes 6, après quoi on dépose sur ce premier lit de mélange, d'une électrode à l'autre, une lame de verre portée à haute tem- pérature et prise dans un four auxiliaire ;
on achève le remplissage de l'enceinte en mélange vitrifiable. On met alors les électrodes sous ten- sion : un courant électrique important traverse de bout en bout la lame de verre et la chauffe par effet Joule.
R E S-U M E .
**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.
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"PROCESS AND DEVICE FOR THE TRANSFORMATION, BY JOULE EFFECT IN THE MASS,
OF VITRIFIABLE MIXTURES IN REFINED GLASS ".
Various methods are known for transforming, by the sole intervention of electrical energy, a vitrifiable mixture into refined glass. These processes comprise two phases: in a first phase, the vitrifiable mixture undergoes a more or less advanced transformation resulting in the formation of a greater or lesser proportion of molten material; in a second phase, the melting is completed, then the glass is refined.
For the execution of this second phase, the processes in question use the same heating mode, that is to say the heat generated by electric currents flowing between electrodes immersed in the molten bath.
However, these known processes are distinguished from one another by the heating method used in the first phase and by the degree of melting of the vitrifiable mixture at the end of this first phase. This heating is obtained in the various processes: either by exposing the vitrifiable mixture to the heat developed by the electric arc; either by radiating on the vitrifiable mixture external resistors brought to high temperature; either by spreading the vitrifiable mixture on the surface of a glass bath serving as a resistor; either by placing the vitrifiable mixture in a high frequency electric field;
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or by passing the vitrifiable mixture, in all its parts, by the electric current.
These known methods have various drawbacks, the most important of which are: the poor conversion coefficient of electrical energy into heat; the poor efficiency of heat transfer to the batch mixture; significant corrosion of refractory materials by the vitrifiable mixture; finally, the bonding of the mass to the materials of en- ccinteo
The present invention relates to a process which overcomes the drawbacks recalled above and which essentially consists of: creating in the central zone of the vitrifiable mixture (for example by initiation by means of an electric arc or by any other means) a column of sufficient electrical conductivity so that it is possible to heat it by the Joule effect in the mass using electric currents of industrial frequency and voltage;
to intensify and extend the heating by the Joule effect in the material of this central zone so as to achieve a very advanced state of fusion in a sufficiently large volume; to interrupt the heating by the Joule effect, at a time when the molten material is still separated from the walls of the working chamber, and possibly from the ambient atmosphere, by a certain quantity of material in the pulverized state. slow, whereby the risk of the molten material sticking to said walls is avoided, the pulverulent material also behaving as a calorifuge;
finally, in transferring the material thus melted into a glass bath serving as a resistor where the melting is completed and where the refining takes place, this transfer being done in such a way that the molten material entrains as small a quantity of the mixture as possible vitrifiable little or not transformed.
The moment when the Joule effect heating is stopped is determined by the following considerations: it is advantageous, from the point of view of the best use of electric energy, to push the said heating as far as possible and in melting, therefore, as large a part as possible of the mass of batch materials.
But it is important, so that no sticking occurs to the walls of the enclosure, that the molten mass is surrounded by a sufficient thickness of vitrifiable mixture still in the pulverulent state.
The new process offers the advantage of limiting the action of 1 electrical energy to the passage of current in the central zone of the vitrifiable mixture; in addition, the calorie losses are reduced due to the fact that the temperature is lower in the peripheral zone which acts as a heat insulator.
The invention further relates to devices for implementing the aforementioned method.
These devices can be produced in various ways: they include, as a general characteristic, the combination, with an enclosure made of an electrically non-conductive material open at its upper part, of a system of electrodes passing through its wall or fixed to this wall and means allowing the transfer of the molten material into the glass bath where the melting is completed and where the refining takes place.
By way of illustration only, without any limiting nature of the scope of the invention, the appended schematic drawing shows two embodiments of such a device:
Fig, 1 is a cross section of a simple embodiment of the apparatus, the latter being in operation and the figure showing the state of the batch mixture towards the end of the operation, that is to say say when we are going to transfer the molten material into the vessel (not shown) of the end of melting and refining;
Fig. 2 is a longitudinal section of a second embodiment, the apparatus being assumed to be empty;
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Fig. 3 is a cross section thereof.
The device of FIG. 1 comprises an enclosure 1 made of refractory ceramic material which is not electrically conductive, open at the top and in the bottom of which is provided a flow opening normally closed by a plug 2.
In the simple embodiment shown in FIG. 1, the device comprises two graphite electrodes 3, movable, in the longitudinal direction through the wall of the enclosure and serving successively: to initiate and create the column of sufficient electrical conductivity; then to extend the fusion in a sufficiently large volume of batch mixture.
To implement the method by means of this device, one. operates as follows:
After having brought the ends of the electrodes 3 into contact, the enclosure 1 is filled with vitrifiable mixture. The electrodes having been connected to an alternating current source of industrial frequency and voltage, they are separated from one of them. the other so as to cause an electric arc to shoot out between their opposite ends, then their spacing is gradually increased until the arc is extinguished: the electric current then passes through the small thickness of the vitrifiable mixture. between the electrodes and the heater.
By continuing to separate the electrodes, a vitrifiable mixing column is quickly created which is the site of a significant release of heat by the Joule effect in the mass.
The movement of the electrodes is stopped when their spacing is such as to allow a large quantity of vitrifiable mixture to be melted with minimal heat loss, a suitable thickness of the vitrifiable mixture in the pulverulent state being maintained between the internal surface of the mixture. the enclosure and the area strongly heated by the Joule effect.
Under these conditions, the melting by the Joule effect in the mass gradually extends, towards the lower layers of the batch mixture, by the play of gravity acting on the central zone between the electrodes.
.When the lower part of the volume concerned by the fusion arrives near the bottom of the enclosure, the operation is finished. Fig. 1 shows very schematically the state of the vitrifiable mixture at the time considered: we see at F the part of the vitrifiable mixture in fusion, at P the vitrifiable mixture which has remained in the pulverulent state and, between the two, the crust T of the mixture more or less sintered, crust which, when the molten mass is poured, holds the pulverulent part P in place and opposes its being carried away by the molten mass.
In this embodiment of the invention, the transfer of the batch of batch mixture in a very advanced state of melting into the end-of-melting and refining vessel is preferably carried out by partial withdrawal, removing the stopper. 2. If a graphite plug is used and if the flow orifice is kept in a graphite part attached to the bottom of the enclosure, the sticking of the molten material is avoided both at the time of unblocking only when filling the opening. In this embodiment of the invention, the spacing of the electrodes must be adjusted as a function of their height above the flow orifice and of the mode of development of the molten mass under the disturbing effect. of gravity.
The apparatus of Figs. 2 and 3 constitutes a more improved embodiment of the invention which lends itself to more convenient industrial use.
In this embodiment, the device also comprises a
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enclosure 1 in refractory ceramic material which is not electrically conductive, open at its upper part.
The enclosure carries 3 'hollow pins resting in bearings 4 It can be rotated by 180 and emptied of its contents by acting on handle 5,
In this embodiment, the apparatus includes main electrodes and auxiliary electrodes. The main electrodes 6, made of graphite, are fixed to the end walls of the enclosure;
these electrodes do not occupy the entire surface of the cross section, so as to leave a space 7 between their periphery and the internal surface of the enclosure, whereby the peripheral zone of the vitrifiable mixture is practically not subjected to the 'Joule effect,
The two auxiliary or starting electrodes 8, also made of graphite, pass through the electrodes 6 and can be moved along their axis, with a view to bringing them closer together or away (see fig. 2), inside the tubes. 9 in refractory steel, the flanges 9 of which are connected to the fixed electrodes 6;
these tubes constitute the current feeds to these electrodes,
Between the hollow journals 3 'and the steel tubes 9 are arranged sleeves 10 of insulating ceramic material or of vitreous silica which electrically insulate the journals of the aforementioned tubes.
The device which has just been described is enclosed in a chamber 11 located above the container for use (not shown) of the product leaving the enclosure. A register 12 closes said chamber at its lower part. Another register 13 is provided at the top of the device. These registers 12 and 13 form, with the walls 14, a calorifuge envelope around the enclosure.
With the device of FIGS. 2 and 3, we operate as follows:
After having brought the ends of the auxiliary electrodes 8 into contact, the register 13 is operated and the chamber 1 is filled with vitrifiable mixture. The electrodes having been connected to a source of alternating current of industrial frequency and voltage, one sets aside one of the other the auxiliary electrodes in the manner explained above with regard to FIG. 1, acting gradually until they have come to the right of the fixed main electrodes 6 which, in turn, ensure the extension of the merger.
The operation is continued under the same conditions and with the same advantages as with the device of fig, 1, until a suitable quantity of vitrifiable mixture has been melted, a suitable thickness of mixture. vitrifiable in the pulverulent state being kept between the internal surface of the enclosure and the zone strongly heated by the Joule effect.
The contents of the enclosure are then transferred into the end of melting and refining container, after removal of the register 12, by tilting the 1800 enclosure around its journals by means of the handle 5. The enclosure is tilted. emptied completely, the molten mass carrying with it the material which remained in the pulverulent state. This slight drawback is largely offset by the fact that the apparatus of FIGS. 2 and 3 are of very convenient industrial use. The amount of material remaining in the powdery state and thus entrained can vary.
By way of indication only, without any limiting nature of the conditions for implementing the invention, it can be specified that the percentage, by weight, of the pulverulent peripheral layer which prevents sticking to the walls of the enclosure is l 'of the order of 20% of the total weight of vitrifiable mixture introduced into the enclosure;
With either embodiment, after transfer of the molten mass, it suffices, for the device to be ready to operate in the same way, to put the electrodes 3 or 8 back into contact in the central zone and to fill the chamber again with the vitrifiable mixture.
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It is understood that the details of embodiment described and shown have been given only by way of illustration and that they could be modified in various ways or certain elements or means replaced by equivalent elements or means without the economy of the invention is thereby altered.
Thus, in particular, with the device of figs 2 and 3: it is possible, to create in the central zone the column of sufficient electrical conductivity, replace the mobile electrodes with a resistor which is heated. electrically and which is removed when the layers of vitrifiable mixture which surround it are hot enough to be able to be heated by the Joule effect in the mass by the current passing between the two fixed electrodes; in a variant not comprising any mobile electrodes, the chamber is firstly filled with the vitrifiable mixture only up to the level of the center of the fixed electrodes 6, after which is deposited on this first mixture bed, a electrode to the other, a glass slide brought to high temperature and taken in an auxiliary furnace;
the filling of the chamber with a vitrifiable mixture is completed. The electrodes are then put under tension: a large electric current passes through the glass slide from end to end and heats it by the Joule effect.
ABSTRACT .
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