CN102712034A - 孕育方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种将成核添加剂引入浇注布料器内的熔融铁合金中的孕育方法，该方法包括使用具有部分浸在熔融铁合金中的阳极和位于所述合金表面上的阴极的转移电弧等离子体炬，所述阳极或所述阴极或二者包含石墨，优选合成结晶石墨，用以为所述铁合金提供所述成核添加剂。此外，本发明描述了一种用于实施所述孕育方法的孕育装置。

Description

孕育方法和装置

技术领域

本发明涉及新的孕育方法，用于孕育(灰口或球墨)铸铁，特别是设置在熔炉出口和铸模线(line of molds)之间的浇注设备(铁水沟、炉或浇包)所包含的熔融铁水浴。孕育可以改进基础金相组织，能够影响金属基体中石墨的形状、尺寸以及分布。本发明同样涉及实施所述孕育方法的装置。

背景技术

制造铸铁部件需要使用称为孕育剂的特定添加剂，其在熔融和/或浇注过程中被引入熔融铁水浴中以获得期望的金相组织并确保部件的内部健康。

孕育被定义为在浇注某些合金之前的时刻供应至金属浴中以造成石墨分布的变化、力学特性的改善和白口化趋势的减少。

孕育的目的是产生在凝固期间固相在其上生长的晶核化核。

在某些情况下，这些晶种来自于添加待凝固的同相细粒。这些粒子不完全溶解，引起晶体的生长。因此，例如，在浇注之前的时刻在铸铁中添加石墨碳促进了石墨在金属浴中成核并且防止在凝固过程中过冷。然而，用作添加剂的碳必须具有高结晶度以产生能够析出石墨形式的碳的成核种子。

由与那些凝固粒子不同的材料粒子可以得到这种相同的效果。熔融金属中核的数目的增加有利于可在最小过冷下发生共晶凝固，特别是石墨析出，从而减少形成共晶碳化物的趋势并且有利于石墨析出。目前使用的大多数孕育剂主要含有45～75％的Si和可变百分数的Ca和Al(纯硅合金对于孕育没有效果)。根据待制造的部件的特征性质和现有的制造方法，所述孕育剂可以引入可变量的其他元素，例如Ca、Ba、Mg、Mn和Zr，用来增加孕育剂的溶解度和域强度。

孕育可以在铸型的内部或外部进行。常规外部孕育方法(最常用的孕育方法)包括在充填浇注包的过程中在来自处理包转移的金属流中加入孕育剂。目的是获得均匀的混合物以及良好稀释的孕育剂。这个方法存在显著的局限性，既影响待处理的金属重量(对小量无效)，又影响有用的浇注时间(孕育效果的衰退非常快)。

在铸型外的孕育中，使用颗粒或线形式的材料，它们通过不同方式并且在浇注线的不同点处引入熔融金属中。

专利GB 2069898描述了一种用于压力浇注炉的线孕育方法，其中孕育材料被引入在容器的出口浇道(runner)中的熔融金属流道中，使熔融金属通向流槽(spout)，在其另一端是经其充填铸型的浇注管嘴。根据所提出的设计进行推断，该方法具有几个操作缺陷或局限性，主要来源于浇注流的规律性。显然，浇注线的停止导致浇注单元相应停止，以及随后的孕育效果衰退和暴露于敞口槽中的金属的快速冷却。

防止上述问题的方法包括在浇注流进入铸型的确切时刻将孕育剂颗粒投入金属流中。这种类型的孕育方法描述在专利JP 55122652中。在这种情况下，操作缺点转化为不规律且通常低的产量，这是由于因投料自身和因金属流上的部分颗粒反弹导致的材料损失造成的。这些投料方法的另一缺点在于难以使流量适应金属流量，原因在于投料发生在充填的精确时刻。通常的做法包括根据平均浇注流量制定固定的孕育剂流量，考虑到铸型被充填，因此流量可以在几百克/秒～几公斤/秒之间变化。在常规的铸型充填操作期间，显而易见的是缺少比例性，即在铸型中存在过孕育部件以及相对的孕育不足的部件，这会导致在相同铸型中产生相反性质的缺陷。

就前述石墨碳孕育而言，要强调的是在Fe-C图中C在共晶点(T_E＝1153℃)处具有4.26％的饱和度。合金元素提高或降低该饱和点的温度。在利用石墨的孕育中，必须仔细观察溶解度。一旦供应的石墨碳溶解，它就失去了作为成核剂的性质，这涉及根据温度、化学组成和热熔体搅拌程度，其效果以不可控的方式快速衰退。这使得利用石墨进行孕育是很少使用的方法。

该孕育在极端条件的铸件中可能是必不可少的，如具有低氧含量的过烧金属，这使得晶核与氧化物之间产生弱反应。在这种情况下，石墨的引入必须刚好在充填铸型之前进行，这涉及用于凝固的低温和短等待时间。

具有导流器和用氮气加压的浇注炉在市场上的出现涉及制造工艺的巨大改进并转化为生产率的直接增长。然而，品质和制造成本并没有同等受益，其原因在于新炉引入了来自于其自身的构思与设计的新的具体问题。

因为解决了上述的两个重要缺点即金属的温度损失和镁的衰减(在球墨铸铁中)，所以这些炉允许保持金属可用于浇注更长的时间。然而，上述炉有一个非常重要的一般操作问题：炉必须始终保持熔融金属覆盖导流器，因此导流器必须始终运行。金属在其循环通过导流器的过程中遭受的冶金品质损失必须加入由于在非操作期间维持金属所产生的成本中。已经证实，用于控制冷却曲线的主要参数(共晶温度和再辉温度)根据金属的温度和容器中的停留时间而遭受逐步线性退化。

已经提到的两种技术被用于补偿和修正这种劣化：首先通过将材料供应至转移浇包(ladle)的流中而在炉充填期间对金属进行孕育；然后通过在充填铸型的时刻投料从而在浇注流中对金属进行孕育。这两种技术的组合使得对冶金品质的控制达到可接受的程度，并且是目前在具有此类炉的浇注中常用的方法。

然而，消极方面的总和即该方法累积了衰退的缺陷和缺乏孕育剂的比例性和效率的缺陷抵消了积极方面的总和。其中还必须加入由于在浇注阶段供应固体合金化剂而出现的产生熔渣的缺陷。

因此，在现有技术中仍然需要提供一种至少部分克服上述缺点的用于孕育铸铁的新的孕育方法。

附图说明

图1是浇注炉的具有浇道或流槽配置的浇注布料器(distributor)的图，其中a-1或a-2是指阳极可在阴极的上游或下游；c是阴极；S是用于封闭使金属外流至铸型的管嘴的圆柱体(塞棒)；f是铸铁，M是铸型。

图2是具有铁水沟(trough)配置的浇注布料器的图，其中a-1或a-2是指阳极可在阴极的上游或下游。

图3是具有可倾式浇包配置的浇注布料器的图，其中c-1和c-2是指阴极在浇包的流槽内或在浇包的储罐内的两个可能的位置，a-1和a-2是指阳极的可能位置。

图4是具有浇包转移至浇盘配置的浇注布料器的图，其中a和c表示阳极和阴极在浇注布料器中的可能位置，c表示阴极在浇盘中的可能位置。

图5示出静态冷却曲线，表示在使用本发明的孕育方法的铸铁合金中的低共晶温度(T_eLow)和再辉(Recalescence)的演变过程。

图6示出动态冷却曲线，表示在使用本发明的孕育方法的铸铁合金中的低共晶温度和再辉的演变过程。

发明概述

本发明的第一方面涉及一种对铸铁合金进行添加剂孕育的方法，包括在所述合金的表面和转移电弧等离子体炬的阴极之间建立等离子体电弧，所述转移电弧等离子体炬设置在位于铸模线前方的浇注布料器中。在本发明的领域中，浇注布料器理解为设置在熔炉的出口和铸模线之间的浇注装置。还应理解的是，浇注布料器中所包含的铸铁合金被移向所述铸模线。

所述等离子体炬包括部分浸在铸铁合金中的阳极和设置在所述合金上的阴极。

在一个特定的实施方案中，阴极包含石墨，阳极是任意常规阳极。在另一特定实施方案中，阳极包含石墨，阴极是任意常规阴极。在另一特定实施方案中，阴极和阳极均包含石墨。阴极的石墨、阳极的石墨或二者为铁合金提供成核添加剂。在本发明的范围内，所述添加剂是脱离阳极、脱离阴极或脱离二者的碳物质，并且碳物质理解为包括带有一个或更多个正电荷的一个或更多个碳原子。

在一个优选的实施方案中，所述石墨是合成结晶石墨。

当碳物质脱离阴极时，它们通过等离子体电弧产生的等离子体气体的夹带被引入到合金中，阴极与等离子体气体接触的部分含有合成结晶石墨。

等离子体炬的阴极以任意可变的高度设置在金属表面上，从其中产生电弧，冲击在铸铁合金的表面上。该阴极具有中心孔，在其整个长度上从中引入通过产等离子体的气体(plasmagenic gas)，优选惰性气体(氮气、氩气等)。当施加电流并建立电弧时，阴极温度由于通电和电弧自身辐射的双重影响而升高，该温度在电极尖端达到其最大值，因为电极尖端是接触电弧的区域。在其核心处达到超过4000℃的温度，使得电极尖端被快速加热并开始脱离出碳物质。这些碳物质被等离子体气体自身夹带并注入铸铁合金中用作强孕育剂，其由于浇注布料器中铸铁合金的运动以及等离子体的实际作用而均匀地分布在熔体中。

通过控制在每一时刻所施加的等离子体炬功率和所施用的产等离子体气体的流量来调节来自阴极的碳物质的供应，二者以直接成比例的方式作用，这是因为供应增加的程度与阴极温度和气体夹带能力增加的程度分别成比例。因此，可以通过气体流量和施加功率的平衡来得到相同的结果。如果工作是以低功耗进行，则有必要增加气体流量以促进夹带效果；与此相反，如果采用高功率，则必须降低流量以保持碳物质的相同供应体积。

当阳极包括石墨时，通过阳极与铸铁合金接触，成核添加剂从阳极上脱离并被引入铁合金，阳极与铸铁合金接触的部分包含石墨，优选是合成结晶石墨。

阳极是等离子体炬的第二电极并且其供应碳物质的原理与阴极的原理的不同之处在于其功能和组合体的设置。考虑到电路通过浸在铸铁合金中的阳极而封闭，因此相对于阴极这包括两个显著的差异。首先，在阳极尖端不存在电弧，因此阳极与铸铁合金接触的区域的温度显著低于阴极的温度，原因在于阳极被包围它的铸铁合金永久冷却。其次，阳极是固体的，这意味着前述的在阴极中适当产生的产等离子体气体的夹带功能被铸铁合金在浇注布料器中移动所导致的磨损和稀释所替代。

阳极的孕育能力基本上是基于用于引入在浇注铸铁合金的每个时刻所需的确切和必需量的孕育剂的系统能力。阳极可以任意地浸在合金中，而不改变功率设定值或其他电变量。其结果是暴露在铸铁合金的磨损作用下的阳极区域(石墨区域)可以通过任意的和直接的方式进行控制。

在阳极和阴极包括石墨的情况下，成核添加剂通过用于石墨阳极和石墨阴极的单独实施方案的上述机制从阳极和阴极二者上脱离，由此增加了两个电极(阳极和阴极)的孕育效果。

此外，阳极和阴极可以设置为使得在阴极中产生的等离子体电弧的辐射作用在阳极的非浸渍部分上，从而加热阳极(例如，阳极和阴极安置在同一个腔室内)。在这种情况下，石墨物质的引入体积还受益于阳极的非浸渍部分所达到的高温并且该高温通过传导而传递到浸在合金中的部分。这个温度与等离子体电弧中所施加的功率成比例，因为所述加热主要是因来自所述电弧的辐射而产生。因此，在阳极和阴极位于同一个腔室这样的设置中，孕育程度的控制必须考虑该变量，因为该变量对过程的加速有高度影响。

总而言之，孕育机制所涉及的变量一方面是铸铁合金的流量、速度和温度，另一方面是施加的功率、产等离子体的气体的流量、阳极和阴极之间的距离以及阳极与铸铁合金的接触表面。显然，通过使等离子体系统的工作参数符合冶金和浇注金属流量的实时要求来控制操作，在所有时间均保持在安排其立即浇注的金属中的精确孕育程度。这种孕育方法允许达到比市场上的现有标准高得多的精度和可靠性水平。

本发明的方法在理论上可以在任何常规的浇注布料器中实施。在本发明方法的一个具体实施方案中，浇注布料器具有选自以下的配置：1)浇注炉的浇道或流槽；2)铁水沟(例如，中间包(Tundish))；3)可倾式浇包；和4)浇包转移至浇盘。

因此，本发明方法的重要优点在于，它允许单一和可变地管理电极(阳极和阴极)以及下述的条件和参数：等离子体炬的功率、浇注流量、浇注温度和阳极表面的浸渍面积，这导致对孕育的绝对控制。该方法允许在浇注方向上流通地将碳物质供应至铸铁合金的广阔可能性，使得最终的冶金品质可以不断地调整以符合根据铸件分析控制指南以及生产的要求。

另一个非常重要的优点来自于转移电弧等离子体炬在浇注布料器中的位置，因为添加剂的供应点接近铸模线，这由于实际消除了衰退影响而允许获得高成核率。

差热分析(DTA)已被用来确定孕育方法对铸铁合金的影响。DTA是预测液体状态的合金的冶金品质的工具，由此预先知道在凝固后的相的形成。利用DTA，可以综合方式来评估影响在材料金相组织中存在的相的成核的所有变量的综合效果，以及估计冶金型(渗碳体)和/或进料型(缩孔)的外观缺陷的概率的可能性。

这种技术是基于对凝固过程中的合金的冷却曲线的解释。冷却曲线表示浇注在中心处配置有热电偶的标准铸型中的样品的温度随时间的演变。

通过对冷却曲线的数学模型解释，可以确定在金属凝固过程中内部结构发生转变的临界温度。

冷却曲线及其临界点的解释是复杂的。一些最重要的转变参数和温度列举如下：

○低共晶温度(Lower eutectic temperature，T_Elow)：其为部件冷却导致的热损失被石墨析出的共晶反应放出的热所补偿的温度。该温度在灰口铸铁中是金属成核状态的量度。

○再辉(R)：再辉是以℃测量的上述T_ELow与高共晶温度(T_Ehigh)之间的温差，高共晶温度(T_Ehigh)为在成核和石墨析出期间产生的热导致材料达到的温度。

为了获得无缺陷部件，合宜的是具有低再辉值和尽可能高的低共晶温度(T_Elow)。因此，防止过冷石墨的析出甚至是渗碳体的存在，另一方面，石墨膨胀将被二次收缩所抵偿，从而防止缩孔和内部孔隙度。

可以证明，在本发明的孕育中，铸铁合金的再辉降低并且低共晶温度增加。

利用成核添加剂使铸铁合金孕育的孕育装置也是本发明的一个目的，所述装置包括转移电弧等离子体炬和浇注布料器，所述等离子体炬设置在位于铸模线前的所述浇注布料器中，所述等离子体炬包括部分浸在所述浇注布料器所包含的铸铁合金中的阳极和位于所述铸铁合金的表面上的阴极，用以建立在阴极和熔融合金的表面之间的等离子体电弧，阳极或阴极或二者包含供应所述成核添加剂至铸铁合金的石墨。

石墨可以是合成结晶石墨。

阳极可以设置有用于调节浸在铸铁合金中的阳极的表面的面积的装置。调节浸在铸铁合金中的阳极量的可能性允许控制熔融的阳极量，并因此控制从阳极进入铸铁合金进行孕育的成核添加剂的量。

例如，一方面，根据对每个参考温度固定的温度范围和布料器自身中的和/或浇注流中的登记温度，即在金属转移至铸型的时刻，通过有规律地施加功率来控制浇注温度。进而根据在特定时刻施加的功率来调节孕育。因此，对于阳极和阴极为石墨的情况，如果功率高，则阳极的浸渍深度成比例地减小，因为碳物质的转移优选从阴极进行。然而，当功率降低时，阳极浸渍更大的深度以提供更大的溶解表面，从而补偿阴极碳物质转移的降低。

等离子体炬可以包括用于调节等离子体电弧功率的设备。

浇注布料器可具有选自以下的配置：

1)浇注炉的浇道或流槽。这些炉具有中央储罐和用于充填来自熔炉的金属的装料孔。所述罐是不泄漏的并且金属由于注入该罐中的气体压力而移动向浇注流槽。氮气常用于对所述罐加压，这是因为氮气是不影响金属组成的惰性气体，但空气常用于制造灰口铸铁或可锻铸铁，这是因为灰口铸铁或可锻铸铁不含易氧化元素。当金属达到其在流槽中的工作液位时，开始利用电极对金属浴进行加热和孕育。其在流槽中的位置主要是通过该流槽的尺寸来调节并且可以任意改变而不涉及其性能的任何下降。金属通过组装在流槽底部并且位于铸型充填料斗的轴上的浇注管嘴浇注至铸型。充填流量通过用于封闭所述管嘴的塞棒或塞子进行调节。通过调节储罐内部的压力，使金属在流槽中的液位保持不变，并且表面通过接触电极进行控制。在此类型的装置中，如图1所示，阳极可以位于相对于流槽中阴极(C)的上游a-1或下游a-2处。

2)浇注铁水沟。该浇注装置是简化的加压炉，主要由在浇注过程中在其中保持并浇注熔融金属的敞口罐构成。出料系统由相同的部件组成，即管嘴和塞棒的组合件，与前述装置不同的是，所述铁水沟中的金属液位并不恒定，而是随浇注的进展而下降。加热和孕育的效果传递至全部存储金属质量，如图所示，等离子体系统的电极设置可以根据铁水沟的几何形状自由修改。同样地，在这种情况下，阳极可以位于相对于流槽中阴极(C)的上游a-1或下游a-2处。

3)可倾式浇包。这种类型的浇包主要用于水平成型线，并且由于通过直接倾斜浇注至铸型进行流量调节所涉及的困难而用于中等-高铸型重量(超过25Kg)。由于其特殊的几何结构，通过阳极进行孕育的选择受到储罐的限制，使得在保持状态下使用随金属液位一同下降的阳极。阳极的位置可选择为a-1或a-2。然而，阴极可以根据铸件的具体要求而位于c-1或c-2，推荐的是c-1用于在等待阶段的保持，c-2用于浇注中温度的控制。

4)浇包转移至浇包。这是可倾式浇包的一个变化方案，其中从供应浇包向位于铸型充填料斗的轴线上的浇盘的中间转移设定为选项。该系统允许双重等离子体系统的组合体，其中具有第一等离子体炬，以及安装在供应浇包或进料浇包中的电极a-1和c-1，其中进行孕育并保持金属的温度。作为辅助设备，该系统可以引入低功率等离子炬a-2、c-2用以调节中间盘自身的浇注温度。

阳极和阴极可设置在位于流通轴上并在朝向所述熔融铁合金的铸型出料方向上的浇注布料器中。

阳极或阴极或二者可以设置在惰性气氛下的封闭腔室内。

等离子炬可用作加热装置，其可以增加铸铁合金的温度，用以将该温度调节至设定点的浇注温度，公差小于±5℃。

以下给出本发明的示例性实施例，用以更好地理解本发明，在任何情况下所述实施例均不应被认为是对本发明范围的限制。

实施例

实施例1：灰口铸铁部件制造方法中的孕育步骤

孕育步骤在可倾式浇包(图3)中静态进行。所用金属是灰口铸铁(加入浇包中600Kg)。使用直径为50mm的合成结晶石墨的阳极。所用的阴极是8mm的穿孔合成石墨。阳极和阴极之间的距离为230mm。阳极浸渍深度为50mm。

使用UHP(超高纯度)电极(阳极和阴极)，其特征在于：

比电阻率：6.5μΩ/米

扭转强度：9.0Mpa

弹性模量：12.0GPa

最大灰分：0.3％

颗粒密度：1.65g/cm³。

测试时间为95分钟，在这期间铁水浴的温度保持恒定在1430℃。平均施加功率为57千瓦。

测试开始时的碳含量为3.47％，测试结束时的碳含量为3.48％(两个wt％均相对于热熔体的总重量)。所述含量通过LECO Y发射光谱确定。测试开始时的共晶温度(Telow)为1147℃，测试结束时的共晶温度为1151℃。

阳极消耗量为2.4克/千瓦。

阴极消耗量是1.8克/千瓦。

图5示出铸铁合金的冷却曲线，表示TeLow和再辉的演变。

实施例2：球墨铸铁部件制造方法中的孕育步骤

孕育步骤在具有导流器的浇注浇道中动态进行(压力浇注)(图1)。所用金属为球墨铸铁，浇道中的金属重量为280Kg，浇注流量为7.2吨/小时。电极的设置为阳极在阴极的上游。

使用直径为50mm的合成结晶石墨的阳极。所用的阴极是8mm的穿孔合成石墨。

使用UHP(超高纯度)电极(阳极和阴极)，其特征在于：

比电阻率：6.5μΩ/米

扭转强度：9.0Mpa

弹性模量：12.0GPa

最大灰分：0.3％

颗粒密度：1.65g/cm³。

阳极和阴极之间的距离为180mm。阳极浸渍深度为70mm。测试时间为180分钟，在这期间铁水浴的温度保持在1390～1410℃。等离子体的平均施加功率为24千瓦，在导流器中为150千瓦。

测试开始时的共晶温度(Telow)为1138℃，测试结束时的共晶温度为1141℃。

阳极消耗量为3.8克/千瓦。

阴极消耗量是0.4克/千瓦。

图6示出铸铁合金的冷却曲线，表示TeLow和再辉的演变。

Claims (16)

1.一种用于使铸铁合金孕育的孕育方法，所述方法包括在所述合金的表面和转移电弧等离子体炬的阴极之间建立等离子体电弧，所述转移电弧等离子体炬设置在位于合金铸模线前方的浇注布料器中，所述转移电弧等离子体炬包括部分浸在所述铸铁合金中的阳极和设置在所述合金上的所述阴极，所述阳极或所述阴极或二者包含石墨，其供应成核添加剂至所述铁合金中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极为石墨。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述阳极为石墨。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述阴极和所述阳极均为石墨。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的方法，其中所述石墨是合成结晶石墨。

6.根据权利要求1、2、4或5中任一项所述的方法，其中所述成核添加剂脱离所述阴极并通过所述等离子体电弧产生的等离子体气体的夹带被引入所述铸铁合金中，所述阴极的与所述等离子体气体接触的部分包含合成结晶石墨。

7.根据权利要求1、3、4或5中任一项所述的方法，其中所述成核添加剂通过所述阳极与所述铸铁合金的接触脱离所述阳极并被引入所述铸铁合金中，所述阳极的与所述铸铁合金接触的部分包含合成结晶石墨。

8.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述阳极和所述阴极设置为使得在所述阴极上产生的所述等离子体电弧的辐射作用于所述阳极的非浸渍部分上，导致所述阳极的加热。

9.一种用于孕育铸铁合金的孕育装置，包括(i)转移电弧等离子体炬和(ii)位于铸模线前方的浇注布料器，所述等离子体炬设置在所述浇注布料器中，所述等离子体炬包括部分浸在包含在所述浇注布料器中的铸铁合金中的阳极和位于所述铸铁合金的表面上的阴极，以在所述阴极和熔融合金的表面之间建立等离子体电弧，所述阳极或所述阴极或二者包含石墨。

10.根据权利要求9所述的孕育装置，其中所述石墨是合成结晶石墨。

11.根据权利要求9或10所述的孕育装置，还包括用于调节浸在所述铸铁合金中的所述阳极的所述表面的面积的设备。

12.根据权利要求9～11中任一项所述的孕育装置，其中所述浇注布料器具有选自以下的配置：1)浇注炉的浇道或流槽；2)铁水沟；3)可倾式浇包；和4)浇包转移至浇盘。

13.根据权利要求12所述的孕育装置，其中所述阳极和所述阴极在所述浇注布料器中，所述浇注布料器位于流通轴上并在朝向所述熔融铁合金的铸型的出料方向上。

14.根据权利要求13所述的孕育装置，其中所述阳极或所述阴极或二者设置在惰性气氛下的封闭腔室内。

15.根据权利要求9～14中任一项所述的孕育装置，还包括用于调节所述等离子体电弧功率的设备。

16.根据权利要求9～15中任一项所述的孕育装置，其中所述等离子体炬是加热装置，其可增加所述铸铁合金的温度，用以调节所述温度至设定点浇注温度，公差小于±5℃。

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