CN110966006B - 水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力式海底多金属结核矿石采集机构，包括安装于海底采矿驱动装备顶部的蓄矿料仓，蓄矿料仓顶部设置有高压蓄水容器，高压蓄水容器前端连通有一顺时针放倒的L型刚性输水弯道，刚性输水弯道末端沿其宽度方向设置有多个高压射流喷嘴；海底采矿驱动装备前端设置有向前下方延伸的弧形导流板，导流板末端通过扰动滚轮驱动连杆连接土层扰动轮，土层扰动轮通过转动装置与海底采矿驱动装备的动力机构相连；刚性输水弯道和土层扰动轮的宽度均接近于蓄矿料仓的宽度。本发明还公开了利用该机构的采集方法，其充分考虑到多金属结核赋存条件的特殊性，充分利用海底富水环境，有效率高、环境扰动小、集矿密度大和工作稳定可靠、耗能小。

Description

水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法

技术领域

本发明涉及一种海底采矿设备，尤其是一种水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法。

背景技术

随着我国机械、建筑、航天等领域的发展，我国钴、铜、镍等战略金属资源的需求量日益增长。由于陆地资源的不断枯竭，位于深海的矿产资源逐步走入了人们的视野，经深海探测表明，海底有丰富的多金属结核、多金属硫化物以及富钴结壳等固体矿石资源，这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属，总储存量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍，这些资源都具有极大的商业开采价值，因此开发深海资源是发展壮大我国各领域的必要支撑。

多金属结核赋存于水深数千米深的海底土层，所在的海洋环境极其特殊，主要表现为海底压力极高、海底沉积的土层底质十分稀软、剪切强度极差；其次，结核矿石赋存在海底表层或次表层稀软沉积物上，粒径大小不一、埋深程度不同；因此矿产资源的开发必须依赖海底采矿的装备及技术。

首先，目前国际最有商业前景、最普遍的深海多金属结核开采技术，主要利用海底集矿车蓄集矿石，再利用海底输送技术将矿石提升到海面的采矿船上，整个采集系统中将赋存环境极为特殊的多金属结核采集起来是需要重点突破的领域。基于对海底沉积土层环境及多金属结核矿物研究，目前主要存在两种集矿装备，一种是机械式，即运用采矿戽斗，开采时矿车的牵引机带动绳索， 使戽斗不断地在海底拖过，挖取多金属结核至集矿车料仓内并提升到船上。另一种是水力式，即利用喷嘴高速射流剥离矿石，并使大量矿石和部分沉积物悬浮，进而利用水力的抽吸作用裹挟矿石通过输送通道至蓄矿料仓内。上述两种方式均进行过海上试验，从原理上均可实现采集。

现有技术下，机械式集矿装备存在若干缺点，一方面，由于多金属结核矿物粒径大小不均，受现有装备的限制，造成开采效率极低；另一方面，受到深海海底地形环境复杂、动力不足的限制，各类机械部件经冲击后易损坏，在深海条件下的维修和更换部件均非常困难。传统水力式采集装备，虽然受深海地形影响较小，但也存在许多不足，水力条件要求苛刻、耗能大、对海底环境扰动大、采集矿石中泥沙含量多等，都成为传统水力式采集的阻碍。

中国专利CN 205679411 U公开了一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统，包括模拟水槽、机架、储矿仓、机械齿式输送带、输送带驱动电机、支撑架、水泵、喷水管、高压水射流喷嘴、连接板和牵引装置，所述的储矿仓固定于机架上，所述的机械齿式输送带通过支撑架安装于机架上并位于整个试验系统前进方向的一端，且机械齿式输送带前端的输送方向为由下至上，所述的连接板一端连接于机械齿式输送带后端的最高处，另一端延伸至储矿仓内以使锰结核矿进入储矿仓中，输送带驱动电机设置于机械齿式输送带上并驱动机械齿式输送带运动，所述的喷水管一端为吸水头，另一端为高压水射流喷嘴，喷水管固定于机械齿式输送带上，高压水射流喷嘴设置于机械齿式输送带前端的最低处，牵引装置设置于模拟水槽上并连接和驱动机架运动，所述的模拟水槽内灌装有盐水，底部铺设有模拟海底沉积物，模拟海底沉积物上放置有模拟多金属结核矿石。该实用新型专利公开了一种深海多金属结核矿石水池模拟集矿试验系统，主要用于室内模拟试验，不能应用于实际深海多金属采集。此外该专利虽能有效提升赋存于海底沉积物中的矿石，但采集过程中需要水泵持续提供高压水流，未能充分利用海底高压水，能耗大幅提升；机械齿式输送带的运转也耗费大量能源。该专利的储矿仓为简单收集装置，高压水射流剥离矿石的过程中会裹挟大量泥沙进入储矿仓，进而导致储矿仓收集效率过低。

中国专利申请CN101482018A、101482020A分别公开了铁锰结核水帘/重力选矿车，主要由行进履带、挖矿轮、传输履带、高压水喷射头、矿箱、电力系统和两端提升绳组成，矿车行进时，旋转的挖矿轮在前方将矿物挖起并送到传送履带上，传送履带下方安装高压水喷射头，高压水喷射头透过传送履带间隙冲洗矿物，使较轻矿物及淤泥等杂物吹出，铁锰矿及更重矿物由传送带进入矿箱。该专利利用旋转的挖矿轮将赋存于海底沉积物中的矿石挖起，虽能有效采集矿石，但机械式的挖矿轮对海底环境扰动大，降低了行走机构下卧土层的承载力，容易导致矿车沉陷。该专利的高压水射喷头虽能有效冲洗矿物，但此过程需要外部系统持续提供高压水流；同时传送履带的运转需要外部系统的动力供应，能耗大幅提升。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有深海集矿装备及技术的不足，提供一种水力式海底多金属结核矿石采集机构及方法，充分考虑到多金属结核赋存条件的特殊性，充分利用海底富水环境，有效率高、环境扰动小、集矿密度大和工作稳定可靠、耗能小。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种水力式海底多金属结核矿石采集机构，包括安装于现有的海底采矿驱动装备顶部的蓄矿料仓，蓄矿料仓顶部设置有高压蓄水容器，高压蓄水容器前端连通有一顺时针放倒的L型刚性输水弯道，所述刚性输水弯道末端沿其宽度方向设置有多个高压射流喷嘴；海底采矿驱动装备前端设置有向前下方延伸的弧形导流板，导流板的末端通过扰动轮驱动连杆连接有土层扰动轮，土层扰动轮通过传动装置与海底采矿驱动装备的动力机构相连；所述刚性输水弯道和土层扰动轮的宽度均接近于蓄矿料仓的宽度，高压射流喷嘴和土层扰动轮相对设置。

所述刚性输水弯道、土层扰动轮、导流板和蓄矿料仓前部的竖直挡板之间形成水流环流空间。

所述高压蓄水容器的前端轮廓采用圆角设计以减小矿车行进过程中的阻力。

所述高压蓄水容器顶部设有连通其内部的直筒，直筒中部设有第一止水阀，用于控制外部环境中洁净海水进入。

所述高压蓄水容器前端靠近底部处，开设宽度略小于蓄矿料仓底宽的矩形底孔，所述矩形底孔四周设有螺栓孔，L型刚性输水弯道前端经螺栓穿过螺栓孔固定于高压蓄水容器前端底部。

所述高压蓄水容器内底部靠近矩形底孔处设有增压泵，可增大高压蓄水容器内压强；目的是通过上部输水，尾部排水使整个机构内形成稳定的环流流场，将多金属结核矿石高效收集至料仓内。

所述L型刚性输水弯道上靠近高压蓄水容器处设置有第二止水阀。

所述L型刚性输水弯道的转弯处为半圆弧形，所述弯道的末端贴近海底表面，距离海底泥面12cm。

所述弯道末端在宽度方向上间隔一定距离开设若干高压射流喷嘴接口，高压射流喷嘴接口连接高压射流喷嘴。

所述高压射流喷嘴布置方式有两种，一种是喷嘴水平布置，另一种是喷嘴朝向斜下方45度布置，两者间隔布置，喷射流速10m/s，喷射压力0.05MPa；该结构的作用：一方面，斜向下45度喷嘴是通过喷射高压水流对海底土层中赋存的多金属结核矿石进行扰动，使其剥离土层悬浮；另一方面，水平喷嘴通过喷射高压水流引起环流作用，并持续为环流作用提供动力，维持环流的稳定性。

所述蓄矿料仓前端设一定高度的竖直挡板，且竖直挡板高度小于蓄矿料仓的高度，即竖直挡板上部与蓄矿料仓顶部之间有间隙，该间隙形成矿石进口，该进口能够保证料石进入蓄矿料仓内；

所述蓄矿料仓后端内底面开设有排水口，排水口与外部的排水管连接，排水口上部设置有滤网，抽水泵安装于滤网上，抽水泵的出水口朝向排水管，抽水泵开启后向蓄矿料仓外排水，使蓄矿料仓内形成负压。

所述土层扰动轮，轮齿长10cm，呈凹勺形，增大了水流对轮齿的冲击面积，有效提高了土层扰动轮的动能；通过外部动力驱动系统和水流冲击产生动能双重作用，使轮齿插入海底泥面以下，对矿石赋存层进行扰动，充分使土层中赋存矿石暴露，可有效提高开采深度，另一方面泥面以上滚轮转动可有效改善流场，促进流场中矿石的收集。

导流板一方面引导射流出的水平水流竖直向上运动；另一方面防止环流区矿物干扰采矿驱动装备运行，阻碍矿车正常行进。

利用水力式海底多金属结核矿石采集机构的采集方法，包括：

将安装有该采集机构的海底采矿驱动装备驱动至海底采矿区，停止移动；

高压蓄水容器中开始为密闭空间，且充满空气；此时打开第一止水阀、第二止水阀及喷嘴，由于高压蓄水容器与外部环境的压强差作用，迫使容器外部洁净海水通过直筒进入高压蓄水容器，又根据连通器原理，海水自动充满整个容器；

关闭第一止水阀、第二止水阀及喷嘴，增压泵工作，增大高压蓄水容器内压强，压强增大至足够刚性输水弯道内水流射流动力；所述增压泵采用空气型增压泵，能够将高压蓄水容器内的空气压力提高到2-5倍，仅需要将高压蓄水容器内的压缩空气作为气源即可；再开启第二止水阀及喷嘴，此时增压泵持续工作，以保证容器内保持高压，高压水经喷嘴水平及斜向下喷射，水平高压射流喷嘴通过喷射高压水流引起环流作用，并持续为环流作用提供动力，维持环流的稳定性；斜向下的高压射流喷嘴射流出的高压水流扰动海底平面多金属结核矿石赋存层，使矿物从土层中剥离悬浮，矿物随水流在刚性输水弯道轮廓构成的环流空间内环流运动；最后由于蓄矿料仓存在负压，以及海底采矿驱动装备前进，矿物被裹挟进入蓄矿料仓内。

同时土层扰动轮开始转动，使轮齿插入海底泥面以下，对矿石赋存层进行扰动，充分使土层中赋存矿石暴露，有效提高开采深度，泥面以上滚轮转动有效改善流场，促进流场中矿石的收集，海底采矿驱动装备向前移动，抽水泵开启，抽水泵开启后向蓄矿料仓外排水，使蓄矿料仓内形成负压，环流运动的矿物由于惯性和压差作用被裹挟进入蓄矿料仓内；

当高压蓄水容器的水全部射流完后继续进行下一个周期，往复循环。

本发明中的海底采矿驱动装备是现有设备，例如:履带式采矿车，在此不再赘述。

本发明利用高压射流喷头喷射高压水流扰动土体，配合海底环流流场对金属结核进行收集，能真正实现各粒径海底多金属结核的收集。相较于中国专利CN 205679411 U，本发明不仅能耗减小、采集效率提高、对海底原环境扰动小，而且其实用性极强。

本发明水力射流式海底多金属结核采集装置有效避免了中国专利申请CN101482018A、101482020A中所述的问题，通过多重水力射流扰动可实现金属结核与海底稀泥与杂质的分离，再通过流场环流实现对金属结核的收集进仓，一系列采集过程可有效减小对海底环境的扰动，最大程度上简化收集过程，降低能耗。

本发明充分考虑到多金属结核赋存条件的特殊性，充分利用海底高压富水环境，通过高压蓄水容器的蓄水、放水来提供射流水源，工作稳定可靠、耗能小；采矿过程中由刚性输水弯道、土层扰动轮、导流板和蓄矿料仓前部的竖直挡板构造的环流现象场，对海底环境扰动小；由蓄矿料仓、抽水泵、排水管及滤网构成的集矿系统产成负压，裹挟环流运动中的矿物进入蓄矿料仓，同时可有效排除泥沙，提高集矿密度。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明在稀软底质下的运行示意图；

图3为本发明水平高压射流喷嘴结构示意图；

图4为本发明斜向下45度高压射流喷嘴结构示意图；

图5为本发明土层扰动轮结构示意图；

图6为本发明高压蓄水容器螺栓孔及矩形底孔示意图；

图7为本发明高压射流喷嘴安装示意图；

图8为本发明刚性输水弯道立体结构示意图；

图中：1、高压蓄水容器；101、高压蓄水容器螺栓孔；2、刚性输水弯道；201、刚性输水弯道螺栓孔；202、高压射流喷嘴接口；3、高压射流喷嘴；301、水平高压射流喷嘴；302、斜向下45度高压射流喷嘴；4、土层扰动轮；401、轮齿；5、蓄矿料仓；6、直筒；7、第一止水阀； 8、第二止水阀； 9、矩形底孔；10、增压泵；11、土层扰动轮驱动连杆；12、弧形导流板；13、竖直挡板；14、驱动系统；15、排水管；16、滤网；17、抽水泵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，水力式海底多金属结核矿石采集机构，包括：高压蓄水容器1、增压泵10、刚性输水弯道2、高压射流喷嘴3、弧形导流板12、土层扰动轮4、蓄矿料仓5、抽水泵17。高压蓄水容器1置于蓄矿料仓5顶部，容器前端轮廓采用圆角设计以减小矿车行进过程中的阻力；所述容器用于储存高压水，高压蓄水容器顶部设直筒6，第一止水阀7、第二止水阀8、高压射流喷嘴2开启时车体外部洁净海水通过直筒6进入高压蓄水容器1，又根据连通器原理，容器可以充满水；此时再关闭第一止水阀7、第二止水阀8、高压射流喷嘴2。

容器底部前端开设宽度略小于蓄矿料仓5底宽的矩形底孔9，所述矩形底孔9四周设有高压蓄水容器螺栓孔101；所述矩形底孔9后部设增压泵10，增压泵10可增大高压蓄水容器1内压强，保证刚性输水弯道2内水流的动力，压强增大至足够刚性输水弯道2内水流射流动力后，开启第二止水阀8、高压射流喷嘴2。

刚性输水弯道2首端通过螺栓连接于高压蓄水容器1的矩形底孔9，并设第二止水阀8；所述输水弯道2中间段为半圆形腔体，尾端距离海底泥面12cm。

输水弯道尾端在宽度方向上间隔一定距离开设高压射流喷嘴接口202，高压射流喷嘴接口202连接高压射流喷嘴3，开启第二止水阀8后，水流通过刚性输水弯道2行至高压射流喷嘴3处；高压射流喷嘴3喷射刚性输水弯道2中水体，射流角度分为水平射流、斜向下45度射流，两者间隔布置于刚性输水弯道尾端2，喷射流速10m/s；该结构的作用：一方面，水平高压射流喷嘴301通过喷射高压水流引起环流作用，并持续为环流作用提供动力，维持环流的稳定性，另一方面，斜向下45度高压射流喷嘴302是通过喷射高压水流对海底土层中赋存的多金属结核矿石进行扰动，使其被剥离出土层后悬浮，矿物随水流在刚性输水弯道2轮廓构成的空间内环流运动，最后由于蓄矿料仓5存在负压，矿物被裹挟进入蓄矿料仓5内。

蓄矿料仓5位于海底采矿驱动装备顶部，用于锰结核、富钴结壳等矿物的收集；蓄矿料仓5底后端设滤网16及抽水泵17，抽水泵17向车体外排水使蓄矿料仓5内形成负压，一方面吸附环流中的矿物进入蓄矿料仓5，一方面使蓄矿料仓5内的矿物向仓后部聚集，排出吸附矿物过程中携带的粒径小于滤网孔径的无关杂质，保证了集矿车箱体内全是矿物，进而提高了蓄矿料仓5的利用率，能最大程度上保证集矿密度。

蓄矿料仓5前端设一定高度的竖直挡板13，防止所蓄矿物向环流区域扩散，提高矿物堆积程度。

沿水平水流射流方向，在采矿驱动装备前端设置有向前下方延伸的弧形导流板12。所述导流板12一方面引导射流出的水平水流竖直向上运动，另一方面防止环流区矿物干扰采矿驱动装备运行，阻碍矿车正常行进。

弧形导流板12前端设土层扰动轮4，土层扰动轮驱动连杆11与弧形导流板12尾端相连接；所述的土层扰动轮4，轮齿长约10cm，呈凹勺形，增大了水流对轮齿的冲击面积，有效提高了土层扰动轮的动能；通过外部动力驱动系统和水流冲击产生动能双重作用，使轮齿401插入海底泥面以下，对矿石赋存层进行扰动，充分使土层中赋存矿石暴露，可有效提高开采深度，另一方面泥面以上滚轮转动可有效改善流场，促进流场中矿石的收集。

当高压蓄水容器1的水全部射流完后继续进行下一个周期，往复循环：此时第一止水阀7、第二止水阀8、高压射流喷嘴3打开，由于高压蓄水容器1与外部环境的压强差作用，迫使容器外部水流进入高压蓄水容器1，根据连通器原理，洁净海水充满整个容器；此时再关闭第一止水阀7、第二止水阀8、高压射流喷嘴3；增压泵10运行增压后，再次打开第二止水阀8、高压射流喷嘴3进行下一周期的运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，包括安装于海底采矿驱动装备顶部的蓄矿料仓，蓄矿料仓顶部设置有高压蓄水容器，高压蓄水容器前端连通有一顺时针放倒的L型刚性输水弯道，所述刚性输水弯道末端沿其宽度方向设置有多个高压射流喷嘴；海底采矿驱动装备前端设置有向前下方延伸的弧形导流板，导流板的末端通过扰动轮驱动连杆连接有土层扰动轮，土层扰动轮通过传动装置与海底采矿驱动装备的动力机构相连；所述刚性输水弯道和土层扰动轮的宽度均接近于蓄矿料仓的宽度，以使得刚性输水弯道、土层扰动轮、导流板和蓄矿料仓前部的竖直挡板之间形成水流环流空间，高压射流喷嘴和土层扰动轮相对设置。

2.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述高压蓄水容器的前端轮廓采用圆角设计以减小矿车行进过程中的阻力；所述高压蓄水容器顶部设有连通其内部的直筒，直筒中部设有第一止水阀，用于控制外部环境中洁净海水进入。

3.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述高压蓄水容器前端靠近底部出开设宽度小于蓄矿料仓底宽的矩形底孔，所述矩形底孔四周设有螺栓孔，L型刚性输水弯道前端经螺栓穿过螺栓孔固定于高压蓄水容器前端底部。

4.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述高压蓄水容器内底部靠近矩形底孔处设有增压泵；所述L型刚性输水弯道上靠近高压蓄水容器处设置有第二止水阀；所述L型刚性输水弯道的转弯处为半圆弧形，所述弯道的末端贴近海底表面，距离海底泥面12cm；所述弯道末端在宽度方向上间隔一定距离开设若干高压射流喷嘴接口，高压射流喷嘴接口连接高压射流喷嘴。

5.如权利要求4所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述高压射流喷嘴布置方式有两种，一种是喷嘴水平布置，另一种是喷嘴朝向斜下方45度布置，两者间隔布置，喷射流速10m/s，喷射压力0.05MPa；斜向下45度喷嘴通过喷射高压水流对海底土层中赋存的多金属结核矿石进行扰动，使其剥离土层悬浮；水平喷嘴通过喷射高压水流引起环流作用，并持续为环流作用提供动力，维持环流的稳定性。

6.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述蓄矿料仓前端设一定高度的竖直挡板，且竖直挡板高度小于蓄矿料仓的高度，即竖直挡板上部与蓄矿料仓顶部之间有间隙，该间隙形成矿石进口，该进口能够保证料石进入蓄矿料仓内。

7.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述蓄矿料仓后端内底面开设有排水口，排水口与外部的排水管连接，排水口上部设置有滤网，抽水泵安装于滤网上，抽水泵的出水口朝向排水管，抽水泵开启后向蓄矿料仓外排水，使蓄矿料仓内形成负压。

8.如权利要求1所述的水力式海底多金属结核矿石采集机构，其特征是，所述土层扰动轮，轮齿长10cm，呈凹勺形。

9.利用水力式海底多金属结核矿石采集机构的采集方法，其特征是，包括：

将安装有该采集机构的海底采矿驱动装备驱动至海底采矿区，停止移动；

高压蓄水容器中开始为密闭空间，且充满空气；此时打开第一止水阀、第二止水阀及喷嘴，由于高压蓄水容器与外部环境的压强差作用，迫使容器外部洁净海水通过直筒进入高压蓄水容器，又根据连通器原理，海水自动充满整个容器；

关闭第一止水阀、第二止水阀及喷嘴，增压泵工作，增大高压蓄水容器内压强，压强增大至足够刚性输水弯道内水流射流动力；所述增压泵采用空气型增压泵，能够将高压蓄水容器内的空气压力提高到2-5倍，仅需要将高压蓄水容器内的压缩空气作为气源即可；

再开启第二止水阀及喷嘴，此时增压泵持续工作，以保证容器内保持高压，高压水经喷嘴水平及斜向下喷射，水平高压射流喷嘴通过喷射高压水流引起环流作用，并持续为环流作用提供动力，维持环流的稳定性；斜向下的高压射流喷嘴射流出的高压水流扰动海底平面多金属结核矿石赋存层，使矿物从土层中剥离悬浮，矿物随水流在刚性输水弯道轮廓构成的环流空间内环流运动；最后由于蓄矿料仓存在负压，以及海底采矿驱动装备前进，矿物被裹挟进入蓄矿料仓内；

同时土层扰动轮开始转动，使轮齿插入海底泥面以下，对矿石赋存层进行扰动，充分使土层中赋存矿石暴露，有效提高开采深度，泥面以上扰动轮转动有效改善流场，促进流场中矿石的收集，海底采矿驱动装备向前移动，抽水泵开启，抽水泵开启后向蓄矿料仓外排水，使蓄矿料仓内形成负压，以及海底采矿驱动装备前进，环流运动的矿物由于惯性被裹挟进入蓄矿料仓内；当高压蓄水容器的水全部射流完后继续进行下一个周期，往复循环。

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