CN1131741C - 金属箔的卷取方法及卷取装置 - Google Patents
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Abstract
简单地避免在金属箔卷取装置中出现皱折。为此,抗皱折辊(3a)被固定在一个小车(3d)上,该小车借助使活塞(3b)产生直线伸缩的缸(3c)来沿垂直于活塞(3b)运动路线的方向产生移动,它们设置在一个能够沿带钢(S)纵向作平面移动的位置上,在该平面中抗皱折辊垂直于张力卷筒的转动轴线。控制器(10)能够根据带钢(S)的厚度(t)和宽度(L)计算出能避免出现皱折的带钢(S)相对于抗皱折辊(3a)的目标卷取角(θ*),并如此驱动缸(3c)和小车(3d),即:使计算角度与根据活塞(3b)行程量、小车(3d)位移量等计算出的实际卷取角Θ一致,以便调节抗皱折辊(3a)的位置。由于抗皱折辊(3a)的位置例如是根据卷取过程中的卷径变化而进行控制的,所以可以简单地避免出现皱折而不会给操作人员增加负担。
Description
技术领域
本发明涉及一种例如在卷成卷地制造轧制金属箔等的设备中用于金属箔的卷取方法及卷取装置。更确切地说,本发明涉及一种用于卷取最厚达0.3毫米的如不锈钢箔或铜箔等金属箔的卷取方法及卷取装置。
背景技术
在将金属箔卷成卷的同时制造金属箔的设备(例如轧钢设备)中,由于在张力下卷取金属箔,细条形拉伸出现在导辊和张力卷筒(带材卷取机)之间。当细条形拉伸部被卷成卷时,由于在弯曲状态下它被卷起来,如图8所示,所以它导致产生了皱折。
如果皱折出现在将金属箔卷取到张力卷筒上的过程中,则由于需要除去这些皱折而必须马上停机,这降低了生产率并因切除皱折部而导致了产量的下降。另外,从生产率的角度出发,生产少量的单位重量大的箔卷比生产大量的单位重量小的箔卷更加有利,这是因为减轻了卷材装卸负担。但是,在出现皱折时除去皱折部也造成了分卷问题,由此产生了一些单位重量小的卷材。为此,为了避免出现这样的皱折,例如有人在日本未审查专利63-268502或1-289509中提出了一种将抗皱折辊(anti-crimping roll)设置在张力卷筒附近并由此来防止出现上述皱折现象的方法。另外,有人提出了一种活动地设置抗皱折辊并在用预定压力由辊子压紧金属箔的情况下卷取金属箔的方法。
这样一束,由于抗皱折辊在位于已卷起的金属箔卷与待卷取的金属箔之间的接触点附近被压向金属箔,所以抗皱折辊产生了表面更光滑的效果。
但是,在如日本未审查专利63-268502和1-289509所述的将抗皱折辊设置在预定位置的方法中,由于卷径随着收卷而增大,所以只能生产单位卷重小的卷材。如果卷材与抗皱折辊过度分开,则它在卷取超薄超宽金属箔如30微米厚、1000毫米宽的金属箔的情况下导致不能完全防止皱折出现的问题。
另一方面,根据日本未审查专利1-245917所述的方法,由于总是可以根据最佳位置来控制抗皱折辊,所以此方法不受日本未审查专利63-268502和1-289509所述问题的困扰,但这篇文献牵涉到了确定抗皱折辊压力的麻烦问题。也就是说,它牵涉到需要在每次条件改变时如厚度和宽度改变时通过多次穿带来确定适当的压力,这降低了生产率。
根据上述内容,考虑了在现有技术中悬而未决的问题,设想出了本发明。本发明的目的是提供一种能够在将金属箔卷成卷时避免出现皱折的金属箔卷取方法及卷取装置。
发明内容
为实现上述目的,本发明提供了一种在由抗皱折辊压紧金属箔的同时将由导辊引导的金属箔卷取到卷筒上的金属箔卷取方法,其中如此控制抗皱折辊的位置,即:金属箔相对抗皱折辊的卷取角大于一个能够防止出现皱折的目标卷取角。
也就是说,由于如此控制抗皱折辊的位置,即:使金属箔相对于设置在卷筒与导辊之间的抗皱折辊的卷取角是一个能根据厚度、宽度等计算出的且能防止皱折出现的卷取角,由此可以简单地避免皱折出现。
最好如此控制抗皱折辊的位置,即:使卷取角大于目标卷取角但小于目标卷取角加20度。这是为了防止从质量角度出发出现不理想的金属箔卷曲。
可以如此控制抗皱折辊的位置,即:根据金属箔的厚度和宽度来自动地计算目标卷取角、计算出实际卷取角大于目标卷取角时的抗皱折辊所在目标位置、计算出抗皱折辊从现位置移向目标位置的位移量并根据该位移量移动抗皱折辊。于是,利用这样的程序自动防止了皱折的出现。
另外,满足以下公式地计算出目标卷取角:σx-σm<σc,在公式中,σx是由金属箔卷取张力施加在由抗皱折辊压紧的金属箔受压部分上的剪切应力,σm是金属箔与抗皱折辊之间的摩擦力,而σc是在板带或圆筒壳中由剪切应力引起的压曲应力。
另外,实际卷取角是根据导辊转动中心的位置坐标、抗皱折辊转动中心的位置坐标和卷筒上的金属箔外径进行计算的。
另外,本发明的另一个目的是提供一种金属箔卷取装置,它具有一个用于压紧布置在金属箔卷筒与导辊之间的金属箔的抗皱折辊,其中该装置包括使抗皱折辊移向预定位置的移动机构和用于驱动该移动机构以便使金属箔相对于抗皱折辊的卷取角大于能够防止皱折出现的目标卷取角且用来控制抗皱折辊位置的位置控制器。
也就是说,在金属箔通过时压紧金属箔的抗皱折辊设置在金属箔卷筒与导辊之间,可以通过移动机构使抗皱折辊移动。
接着,通过位置控制器如此控制移动机构,即:使金属箔相对于抗皱折辊的实际卷取角大于能防止出现皱折的金属箔相对于抗皱折辊的目标卷取角,该卷取角是例如根据金属箔的厚度或宽度计算出来的,由此控制了抗皱折辊的位置。
于是,当根据待卷金属箔设定目标卷取角时,根据金属箔的各系数因子使抗皱折辊自动移向一个能够防止出现皱折的位置,由此能够简单地避免皱折的出现。
在这种情况下,如果使该移动机构在一个垂直于抗皱折辊转动轴线的平面内移动该抗皱折辊,则可以简单地改变金属箔相对于抗皱折辊的实际卷取角。
另外,如果移动机构包括能够沿一个将抗皱折辊压向金属箔的方向上做平面移动的第一移动机构以及能够沿一个与由第一移动机构驱动的抗皱折辊运动路线相交的方向上作平面移动的第二移动机构,则可以简单地在一个垂直于抗皱折辊转动轴线的平面内使抗皱折辊移动。
附图简述
图1是表示本发明金属箔卷取装置的一个例子的结构示意图。
图2是解释目标卷取角θ*的计算方法的说明图。
图3是解释目标卷取角θ*的计算方法的说明图。
图4是目标卷取角θ*的一个例子。
图5是解释实际卷取角Θ的计算方法的说明图。
图6是表示控制器处理程序的一个例子的流程图。
图7是表示通过改变实际卷取角Θ的设定条件直到在卷取过程中发生皱折时的卷绕长度的实验结果曲线图。
图8是解释皱折现象的说明图。
实施本发明的最佳方式
以下将解释本发明的一个优选实施例。
图1是表示本发明的金属箔卷取装置的一个例子的结构示意图,所述卷取装置被用于往复式20辊森吉米尔轧机。
在图中,S表示作为金属箔的超薄带钢,它例如是50微米厚、1000毫米宽、12000米长的铁素体系不锈钢。带钢S在轧制下向图1左侧移动,它通过导辊1的引导并通过张力卷筒2被卷成卷K。
一个用于压紧带钢S的且可以沿带钢S的纵向移动的抗皱折机构3设置在导辊1与张力卷筒2之间。抗皱折机构3包括一个压紧带钢S的抗皱折辊3a、一个与支架相连以便对其进行可转动支承的活塞3b、一个用于可伸缩地支承一个与支架相连的活塞3b以便在垂直于张力卷筒2的平面内沿直线方向(X轴方向)将其转动支承的缸3c、一个用于固定缸3c的且可以在垂直于张力卷筒2转动轴线的平面内沿垂直于活塞3b运动路线的方向上(Y轴方向)移动的小车3d。使小车3d适应于沿带钢S的纵向移动。假设活塞3b的运动路线与水平面之间的夹角为α,则抗皱折辊3a可以通过控制活塞3b的行程长度和小车3d的位置而在一个包括X轴线和与之垂直的Y轴线的平面内和一个垂直于张力卷筒2的平面内自由移动,其中X轴线相对水平面有一个夹角α。
活塞3b的运动路线与水平面之间的夹角α是任意的且它最好接近使抗皱折辊3a垂直压紧带钢S的角度。
使缸3c和小车3d受到控制器10的驱动控制。
在此实施例中,缸3c和小车3d相应于移动机构,缸3c相应于第一移动机构,小车3d相应于第二移动机构,而控制器10相应于位置控制器。
控制器10例如根据由操作人员输入的待通过带钢S的厚度和宽度来计算出目标卷取角θ*以作为带钢S相对于抗皱折辊3a的卷取角的目标值,并通过对缸3c和小车3d的驱动控制来进行抗皱折辊3a的位置控制,使得实际卷取角Θ大于目标卷取角θ*。控制器10最好控制辊3a的位置,使得实际卷取角Θ和目标卷取角θ*之间有以下关系:θ*≤Θ≤θ*+20度。这是因为对质量不利的卷曲将在Θ超过θ*+20度的情况下出现在金属箔中。
图2和图3是表示目标卷取角θ*计算方法的且示出了带钢S接触抗皱折辊3a的状态的说明图。
假设带钢S的宽度为L毫米,与抗皱折辊3a接触的带钢S的长度为a毫米,则a由下式(1)表示。θ是卷取角(度),r3是与抗皱折辊3a接触的带钢S部分的半径(mm)(等于抗皱折辊3a的半径)。
a=2πr3*θ/360 ---(1)
剪切应力引起的压曲应力σc(kgf/mm2)由下式(2)表示:
σc=Ks*σe ---(2)
Ks=5.34+4*(a/L)2
其中,σe=K*(π2E)/{12(1-v2)*a2}*t2(板带压曲公式)
σe=K*E*(t/r3)*{3(1-v2)}1/2*(θ/360)(圆筒压曲公式)
K=f(z)=α*z+β
z=(1-v2)}1/2*L2/(r3*t)
在上述公式中,Ks是剪切压曲系数,σe是压曲极限应力(kgf/mm2),K是轴向压曲系数,E是带钢S的杨氏模量(kgf/mm2),v是带钢S的泊松比,L是带钢S的宽度(毫米),t是带钢S的厚度(毫米),z是形状系数,所述形状是与抗皱折辊3a接触的带钢S部分的圆筒形。另外,α和β是常数。根据材料的不同,常数α和β是不同的,并且它们可以是通过多次实验测定出来的。
在σe的情况下,可以采用板带压曲公式,但是对于由抗皱折辊3a压紧的带钢S的部分来说,可以采用圆筒形压曲公式以便提高精度,这是因为这部分带钢确切地说形成了圆柱形的一部分。
由卷取张力σy(kgf)施加的剪切应力σx(kgf)由以下公式(3)表示。在公式中,γ是决定最大剪切力的值且γ=0.5。
σx=Y*σy ---(3)
压着抗皱折辊3a的带钢S的应力σs由下式(4)表示:
σs=2*cos{(180-θ)/2}*σy ---(4)
摩擦力σm由以下公式(5)表示。在公式中,μ是摩擦系数。
σm=μ*σs ---(5)
于是,如果以满足以下关系式(6)的方式卷取带钢S,则不会出现皱折:
σx-σm<σc ---(6)
图4示出了满足公式(6)地计算出带钢S相对于抗皱折辊3a的目标卷取角θ*的一个例子,其中图4(a)表示在卷取960毫米宽的金属箔时厚度t(毫米)与目标卷取角θ*度之间的关系。图4(b)示出了在卷取0.05(毫米)厚的金属箔时宽度L(毫米)与目标卷取角θ*度之间的关系。
因此,当例如卷取960(毫米)宽、0.06(毫米)厚的带钢S时,由于如图4(a)所示的那样目标卷取角θ*等于27度或更大就够了,所以例如可以将目标卷取角θ*设定为θ*=32(度)。由于取决于上述抗皱折辊的位置控制精度、控制频率等的级别可能会有某些偏差,所以为了安全起见,上述θ*值加5(度)。另外,只要设备性能如致动缸压力允许的话,可以采用更大的差值。
图5示出了说明带钢S相对于抗皱折辊3a的实际卷取角Θ的计算方法的一个例子。在图中,点A代表张力卷筒2上的已收卷带钢S与待卷带钢S之间的接触点,B-D代表带钢S与抗皱折辊3a或导辊1之间的接触点。另外,M1(j,k)代表象小车3d之初始位置这样的基准位置,M2(m,n)代表小车3d的位置,M3(p,q)代表抗皱折辊3a的转动中心的位置。另外,0代表张力卷筒2的转动中心,T代表导辊1的转动中心。点0、M1、T是固定点,而M2和M3是根据缸3c和小车3d之位移产生变化的点。另外,点A-D是根据由于卷曲所形成的卷径R的位置变化和抗皱折辊3a之转动中心M3的位置变化而随机变化的点。
抗皱折辊3a的转动中心M3在相对于水平方向成α角的方向上通过活塞3b的伸缩而沿直线移动并根据小车3d的位移沿带钢S移动。因此,M2点在沿垂直于M3点之轨迹的方向上运动。另外,假定M2点与M1点之间的距离、即小车3d的位移量为L12,M2点与M3点之间的距离、即活塞3b的行程量为L23,则带钢S相对于抗皱折辊3a的实际卷取角Θ(图中的∠BM3C)是根据下式(7)算出的:
tanΘ=F-F’ ---(7)其中F表示A-B的斜率,F’代表C-D的斜率,它们分别由以下公式(8)和(9)表示。
F=tan{sin-1((R+r3)/(p2+q2)1/2)+tan-1(q/p)}
其中,tan-1(q/p)<0 ---(8)
F’=tan(sin-1W+tan-1Z) ---(9)
其中,W=(r1-r3)/{(x-p)2+(y-q2)}1/2
Z=(y-q)/(x-p)其中,R表示张力卷筒2的卷径,r3代表抗皱折辊3a的半径,r1代表导辊1的半径。
张力卷筒2的卷径R、点M3的坐标(p,q)和点M2的坐标(m,n)分别由以下公式(10)、(11)和(12)表示。
R=t*N={(π*D0)2-2*t*LL}1/2-π*D0 ---(10)
(p,q)=(m-L23*cosα,n+L23*sinα) ---(11)
(m,n)=(j-L12*sinα,k+L12*cosα) ---(12)
在公式中,N代表卷的圈数,D0代表张力卷筒2的套外径,LL代表卷取长度、即卷到张力卷筒2上的带钢S的长度(卷取长度),例如根据卷取速度和卷取时间计算卷取长度LL。
因此,可以通过将公式(10)-(12)代入公式(8)和(9)来计算出A-B的斜率F和C-D的斜率F’,并且可以通过根据斜率F、F’和公式(7)计算出tanΘ来计算实际卷取角Θ。
图6示出了控制器10处理程序的一个例子。
当操作人员输入了待经过的带钢S的宽度L和厚度t时(步骤S1),控制器10根据上述条件计算出目标卷取角θ*(步骤S2)。
接着,例如根据由一个未示出的活塞3b行程量探测器所测得的活塞3b行程量和由一个未示出的小车3d位移量探测器所测得的小车3d现位置、或者根据由过去的小车3d和缸3c的控制量而计算出的小车3d现位置和活塞3b行程量、以及由此测得的抗皱折辊3a转动中心的位置坐标和上述公式(7)-(12)按照上述方式计算出实际卷取角Θ(步骤S3)。
接着,在步骤S2中计算出的目标卷取角θ*和在步骤S3中计算出的实际卷取角Θ可以保持一致时的抗皱折辊3a转动中心的位置坐标被计算出来(步骤S4)。这是通过如根据小车3d的现位置和目标卷取角θ*并在公式(7)-(12)的基础上计算出活塞3b的目标行程量并通过根据如此计算出的行程量进行计算而算出的。如果未获得结果,则小车3d的位置移动了,将其认作是暂定位置并重新计算。
接着,计算出用于使抗皱折辊3a移动到计算位置的活塞3b行程量和小车3d位移量,并产生和输出对应于此的控制信号(步骤S5)。这改变了活塞3b的行程量和小车3d的位置,从而改变了抗皱折辊3a的位置和带钢S相对于抗皱折辊3a的卷取角,控制该卷取角以便使之与目标卷取角θ*一致。
接着,重复步骤S3-S5的程序,直到带钢S的卷取全部完成为止(步骤S6)。
随后将解释实施例的工作情况。
当卷取带钢S时,操作人员首先启动控制器10并输入待卷带钢S的宽度L和厚度t。
控制器10根据输入的宽度L和厚度t计算出目标卷取角θ*,并在开始卷取时计算出现卷取角Θ。接着,如此控制活塞3b的行程量和小车3d的位置,即:使现卷取角Θ等于目标卷取角θ*,以便控制抗皱折辊3a的位置。
因而,在卷取过程中进行控制,从而使现卷取角Θ与目标卷取角θ*相等,由于目标卷取角θ*是作为一个能够防止带钢S出现皱折的角度而设定的值,所以可靠地避免了皱折现象。另外,由于抗皱折辊3a的位置在卷取过程中受到连续调节,所以即使卷径增大了,也可以简单地避免皱折的出现而不会给操作人员带来负担。
另外,由于抗皱折辊3a的位置可以自动进行调节,所以操作人员可以简单地仅通过输入带钢S的宽度L和厚度t就避免了皱折现象,而无论单位卷重是大是小。另外,由于抗皱折辊3a的位置控制是根据宽度L和厚度t自动进行的,所以它也可以简单地适应宽度L和厚度t有变化的情况。
因此,由于可以避免带钢S的皱折现象,所以可以防止生产率的降低和生产量的减少。
在上述实施例中,尽管描述了以使现卷取角Θ等于目标卷取角θ*的方式来控制抗皱折辊3a位置的情况,但是例如可以计算出一个能够获得目标卷取角θ*的未与抗皱折辊3a接触的带钢S纵向方向上的自由部的长度,并且可以使抗皱折辊3a移动到一个能够获得这样效果的部位。
另外,在上述实施例中,尽管抗皱折辊3a是自动移动的以使现卷取角Θ等于目标卷取角θ*,但也可以手动移动抗皱折辊3a。
另外,在上述实施例中已经解释了将缸3c和小车3d用作移动机构并且通过它们来移动抗皱折辊3a位置的情况,但是本发明不局限于此,例如可以加入一个滚珠丝杠以便移动抗皱折辊3a,或者可以加入一个致动缸或一辆小车来移动抗皱折辊3a。总而言之,可以使用任何驱动机构,只要它可以在一个包括X轴线和Y轴线的平面内自由移动抗皱折辊3a就行。
此外,在上述实施例中已经解释了根据如由卷取速度和卷取时间算出的卷取长度LL来计算卷径R的情况,但是本发明不局限于此,例如,可以设置一个用以检测卷径R的探测器。另外,由于卷径R是只根据卷取时间和卷取速度来测定的,所以卷径R随卷取时间的变化例如可以储存为一张图表,它对应于每种卷取速度,并且可以根据此图表检测卷径R。
另外,由于可以认定卷径R和活塞3b行程量及小车3d位置之间的对应关系是唯一确定的,所以可以使卷径R对应于活塞3b的行程量和小车3d的位置并且在这种情况下也将其储存为一张图表,可以根据图表测得活塞3b的行程量和小车3d的位置。
另外,由于卷径R是只根据卷取时间测定的,所以卷取时间可以对应于活塞3b的行程量和小车3d的位置并可以作为图表将其储存起来,可以通过根据卷取时间来控制活塞3b行程量和小车3d位置的方式来控制抗皱折辊3a的位置。
此外,在上述实施例中解释了将本发明的金属箔卷取装置用于轧制线的情况,但是本发明不局限于轧钢设备,它也可以用于将金属箔卷成卷的设备、如退火设备和酸洗设备。
此外,在上述实施例中,尽管已经描述了将单个抗皱折辊3a设置在导辊1与张力卷筒2之间的情况,但是可以设置许多个抗皱折辊,其中按照与上述相同的方式为每个抗皱折辊设定目标卷取角θ*,并且可以如此控制抗皱折辊位置,即:使设定角可以等于实际卷取角Θ。
随后,具体参见一个例子来描述上述实施例。
在此实施例中,本发明的金属箔卷取装置被用于往复式20辊森吉米尔轧机,在20(kg/mm2)的卷取张力条件下卷取时卷取50微米厚、960毫米宽和12000米长的铁素体不锈钢带。
如图4(a)所示,目标卷取角θ*在此条件下设定为31度或更大。
另外,将一个660毫米外径的套筒装入张力卷筒2中并使用半径为75毫米且辊长为1300毫米的抗皱折辊3a。
图7示出了当改变抗皱折辊3a的位置进行轧制时抗皱折辊的卷取角θ和直到出现皱折时的卷取长度之间的关系。事实证明,在卷取角θ如在条件2、3下所示的那样在30度-35度之间变化的条件下,当卷取角θ接近30度时,出现了皱折。但是在如条件1下所示的那样保持抗皱折辊3a的卷取角等于32度至38度来进行卷取时,直至卷取了12000米长的金属箔也没有出现皱折现象。事实证明,甚至可以稳定地制造出单位重量大的卷材。
工业适用性
如上所述,根据本发明的金属箔卷取方法及卷取装置,由于控制了抗皱折辊位置以使能防止出现皱折现象的金属箔相对于抗皱折辊的实际卷取角大于目标卷取角,所以不论卷径如何变化或金属箔的宽度和厚度如何变化,都可以仅通过设定取决于待卷取金属箔的目标卷取角来简单地避免皱折的出现。
Claims (7)
1.一种在由抗皱折辊压紧金属箔的同时将由导辊引导的金属箔卷取到卷取筒上的金属箔卷取方法,其中如此控制抗皱折辊的位置,即:使金属箔相对于抗皱折辊的卷取角大于一个能防止出现皱折的目标卷取角,该目标卷取角以满足以下公式的方式被计算出:
σx-σm<σc
其中,σx是由金属箔卷取张力σy施加在由抗皱折辊压紧的金属箔受压部分上的剪切应力,σm是金属箔与抗皱折辊之间的摩擦力,而σc是在板带或圆筒壳中由剪切应力引起的压曲应力,σx,σm和σc分别由下列等式表示:
σx=γ×σy
σm=μ×2×cos{(180-θ)/2}×σy
σc=Ks×σe
其中,γ的值为0.5,μ是金属箔与抗皱折辊之间的摩擦系数,θ是金属箔在抗皱折辊上的卷取角,Ks是剪切压曲系数,σe是压曲极限应力。
2.如权利要求1所述的金属箔卷取方法,其特征在于,如此控制抗皱折辊的位置,即:使卷取角大于目标卷取角但小于目标卷取角加20度。
3.如权利要求1所述的金属箔卷取方法,其特征在于,所述方法包括根据金属箔的厚度和宽度来自动计算目标卷取角、计算出实际卷取角大于目标卷取角时的抗皱折辊所在目标位置、计算出抗皱折辊从现位置移向目标位置的位移量并根据该位移量移动抗皱折辊。
4.如权利要求1-3中任一项所述的金属箔卷取方法,其特征在于,实际卷取角是根据导辊转动中心的位置坐标、抗皱折辊转动中心的位置坐标和卷取轴上的金属箔外径计算出的。
5.一种金属箔卷取装置,它具有一个用于压紧布置在金属箔卷取筒与导辊之间的金属箔的抗皱折辊,其中该装置包括用于使抗皱折辊移向预定位置的移动机构和用于驱动该移动机构以便使金属箔相对于抗皱折辊的卷取角大于能够防止皱折出现的目标卷取角且用来控制抗皱折辊位置的位置控制器。
6.如权利要求5所述的金属箔卷取装置,其特征在于,使该驱动机构适应于在一个垂直于抗皱折辊转动轴线的平面内移动抗皱折辊。
7.如权利要求6所述的金属箔卷取装置,其特征在于,移动机构包括能够在一个将抗皱折辊压向金属箔的方向上作平面移动的第一移动机构和能够在一个与由第一移动机构驱动的抗皱折辊运动路线相交的方向上作平面移动的第二移动机构。
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