DE1533253C3 - Elektroden zum Aufheizen von Sauerstoff und mittels dieser Elektroden durchgeführtes Verfahren - Google Patents
Elektroden zum Aufheizen von Sauerstoff und mittels dieser Elektroden durchgeführtes VerfahrenInfo
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Description
Einige anorganische Gasphasenreaktionen, die seit einiger Zeit von industriellem Interesse sind, wie besonders
die Umsetzung leicht flüchtiger Halogenide mit Sauerstoff zu den entsprechenden feinverteilten
Oxiden mit Pigment- oder Füllstoffeigenschaften, erfordern wegen starker Reaktionshemmungen für ihren
geregelten Ablauf die kontinuierliche Vorerhitzung eines oder beider Reaktionspartner auf Temperaturen
über 1000° K.
Die Aufheizung des Sauerstoffs oder von stark mit Sauerstoff angereicherten Sauerstoff-Inertgas-Gemischen,
wie sie für die obenerwähnten Reaktionen eingesetzt werden, ist in Wärmeaustauschern aus metallischen
Werkstoffen nur bis höchstens 800° C möglich. Keramische Wärmeaustauscher sind bruchanfällig,
schwierig abzudichten und haben einen geringen Wirkungsgrad. Der oft beschriebene Weg, den Sauerstoff
durch Vermischen mit den heißen gasförmigen Endprodukten einer stark exothermen chemischen Reaktion
aufzuheizen, ist wegen der damit verbundenen Verdünnung und möglichen Verunreinigung oft unzweckmäßig.
Neuerdings wurde vorgeschlagen, zur Aufheizung eine elektrische Entladung zu verwenden, die in den
aufzuheizenden Gasen selbst stattfindet. Man hat auch mit der elektrischen Entladung ein Inertgasplasma erzeugt,
das seine Ernergie durch Vermischen auf das aufzuheizende Gas überträgt. Unter einem Inertgasplasma
wird hocherhitzter Sauerstoff, Argon, Helium, Neon u. dgl. verstanden.
Da man in elektrischen Entladungen sehr hohe Energiedichten und damit Temperaturen erreichen
kann, sind hierbei die Apparatedimensionen selbst bei großen Durchsätzen klein. Für die Gaserhitzung werden
bevorzugt der Hochstromplasmabrenner und der Induktionsplasmabrenner eingesetzt. Im Hochstromplasmabrenner
strömt das Gas axial oder wirbeiförmig durch einen Lichtbogen, der zwischen einer stabför-
ao migen Wolframkathode und einer koaxial zu dieser angeordneten zylindrischen Kupferdüse brennt. Beide
Elektroden sind wassergekühlt. Im Induktionsplasmabrenner strömt das Gas in einem Wirbel durch ein
von einer gekühlten Kupferspule umgebenes Quarzrohr. In der Spule fließende hochfrequente Wechselströme
erzeugen ein Feld, das im vorionisierten Gas eine starke Teilchenbewegung und damit dessen Aufheizung
bewirkt. Innerhalb der Spule bildet sich ein tropfenförmiges Plasma. Beide Brenner haben jedoch
entscheidende Nachteile, die ihrer großtechnischen Anwendung entgegenstehen:
1. Der Hochfrequenzplasmabrenner hat besonders wegen der hohen Energieverluste bei der Erzeugung
der Hochfrequenz einen schlechten Wirkungsgrad, der normalerweise unter 50% liegt.
Die Hochfrequenzgeneratoren sind zudem kostspielig und in ihrer Leistung begrenzt.
2. Der Hochstromplasmabrenner hat ebenfalls hohe Energieverluste, die durch die intensive
Kühlung der Elektroden bedingt sind und gewöhnlich zwischen 40 und 60% liegen.
Noch nachteiliger ist aber die geringe Haltbarkeit der Elektroden, besonders der Anode im Hochstromplasmabrenner, die bei Verwendung von mehratomigen Gasen oft nur einige Betriebsstunden beträgt. Der Elektrodenabbrand von Lichtbogenbrennern verunreinigt zusätzlich bei der Herstellung von Weißpigmenten, wie Titandioxid, das Endprodukt. Die vom Plasmastrahl mitgeführten Metalldämpfe oder Metalloxide verfärben das Pigment. Man hat deshalb vorgeschlagen, nur solche Metalle und Verbindungen als Elektrodenwerkstoff einzusetzen, die nichtfärbende Oxide liefern, wie Al, Ti, Zr, SiC und Kohlenstoff. Der Elektrodenabbrand wird jedoch durch diese Maßnahme nicht vermindert. Die Elektroden müssen nach kurzer Zeit ausgewechselt oder aber nachgeschoben werden. Im letzteren Fall bereitet die Kühlung jedoch große Schwierigkeiten.
Noch nachteiliger ist aber die geringe Haltbarkeit der Elektroden, besonders der Anode im Hochstromplasmabrenner, die bei Verwendung von mehratomigen Gasen oft nur einige Betriebsstunden beträgt. Der Elektrodenabbrand von Lichtbogenbrennern verunreinigt zusätzlich bei der Herstellung von Weißpigmenten, wie Titandioxid, das Endprodukt. Die vom Plasmastrahl mitgeführten Metalldämpfe oder Metalloxide verfärben das Pigment. Man hat deshalb vorgeschlagen, nur solche Metalle und Verbindungen als Elektrodenwerkstoff einzusetzen, die nichtfärbende Oxide liefern, wie Al, Ti, Zr, SiC und Kohlenstoff. Der Elektrodenabbrand wird jedoch durch diese Maßnahme nicht vermindert. Die Elektroden müssen nach kurzer Zeit ausgewechselt oder aber nachgeschoben werden. Im letzteren Fall bereitet die Kühlung jedoch große Schwierigkeiten.
Silber als Werkstoff für Elektrodenköpfe mit innerer Wasserkühlung zum Betrieb von Lichtbogenschmelzöfen
mit Gleich- und Wechselstrom ist aus der USA.-Patentschrift 2 370467 bekannt. Dabei taucht
die Elektrode in das die metallische Schmelze bedekkende Flußmittel ein und wird dadurch an ihrem
Brennfleck vor chemischem Angriff geschützt. Es können daher neben Silber auch Kupfer und Messing
für den Elektrodenkopf verwendet werden. Elektroden für Metallschmelzöfen sind zwar einer starken
thermischen Belastung ausgesetzt, können aber nicht chemisch durch heißen Sauerstoff angegriffen werden,
da der im Ofenraum vorhandene Sauerstoff sofort mit der heißen Metallschmelze reagiert und für einen Angriff
der Elektroden nicht mehr zur Verfügung steht.
In der deutschen Offenlegungsschrift 1565 206
wird zwar neben der Verwendung einer Elektrode für Lichtbogenelektroöfen zur Erzreduktion auch eine
Verwendung dieser Elektroden in einer Lichtbogenkammer zur Erhitzung von Gasen erwähnt, wobei unter
Umständen auch Silber als Material für den Elektrodenkopf Verwendung finden kann. Als bevorzugtes
Material wird jedoch Kupfer herausgestellt. Dieses Material, ebenso wie Aluminium, eignet sich jedoch
nicht für ein Verfahren zur Sauerstoff auf heizung auf hohe Temperaturen. Die starke Oxidbildung führt
zum Festsetzen des Bogenfußpunktes.
Auch der Vorschlag, zwischen Elektrode und reaktives Gas eine Schutzgasschicht zu legen, bringt für
sich allein keine wesentliche Verbesserung der Haltbarkeit der Elektroden, da die im Brenner herrschende
Turbulenz die Schutzgasschicht immer wieder aufreißt.
Gegenstand der Erfindung sind Elektroden mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 0,33 cal/cm.s. °C
für die Erzeugung elektrischer Lichtbogen zum Aufheizen
von Sauerstoff oder Sauerstoff-Inertgas-Mischungen, bestehend aus einem Verbundwerkstoff aus
den Metallen Silber, Gold oder deren Legierungen mit Kohlenstoff oder Graphit.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Aufheizen von Sauerstoff oder Sauerstoff-Inertgas-Mischungen
auf Temperaturen oberhalb 1000° K mittels einer elektrischen Bogenentladung, die mit
Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom betrieben wird und zwischen gekühlten Elektroden im aufzuheizenden
Medium stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung durch tangentiales oder axiales Anblasen
mit dem aufzuheizenden Medium mit Geschwindigkeiten zwischen 20 und 300 m/sec- bezogen
auf Normalbedingungen - und/oder durch ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 300 bis 5000 Gauß
- gemessen im Zentrum des Bogens - auf einen Widerstand zwischen 1 und 50 Ohm und eine Stromstärke
bis zu 500 A gebracht wird, wobei Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis 3 verwendet werden.
Unter Verbundwerkstoff oder Verbundkörper wird hierbei ein kompakter Körper aus Kohlenstoff oder
Graphit verstanden, in dem das Metall in mehr oder weniger hoher Konzentration homogen verteilt ist.
Zur Herstellung des Verbundwerkstoffs kann man entweder eine poröse Kohlenstoff- oder Graphitmatrix
mit dem flüssigen Metall tränken oder man kann die pulverförmigen Bestandteile zu einem Formkörper
pressen und diesen anschließend bei Temperaturen unter 1000° sintern.
Es hat sich gezeigt, daß die in den Verbundwerkstoffen zugrundeliegenden Metalle wegen der Instabilität
ihrer Oxide auch von dem sehr heißen Sauerstoff nicht angegriffen werden. Der durch Verdampfen
oder Zerstäuben im Brennfleck hervorgerufene Abtrag ist sehr gering. Es kann zwar eine Oxydation des
Kohlenstoffs oder Graphits an der Oberfläche erfolgen. Durch die hohe Temperatur im Brennfleck
schmelzen aber die eingelagerten Metallteilchen und bilden an der Oberfläche eine zusammenhängende
Edelmetallschicht, die das Kohlenstoffgerüst vor weiterem Angriff schützt. Durch die Kapillarkräfte wird
außerdem das Zerstäuben des geschmolzenen Metalls stark vermindert.
Von den vielen möglichen Lichtbogenarten wird bevorzugt der sogenannte wirbelstabilisierte Lichtbogen
verwendet, dessen Widerstand durch tangentiales Anblasen mit dem aufzuheizenden Gas mit einer Geschwindigkeit
von 20 bis 300 m/sec auf einen Wert zwischen 1 und 50 Ohm gebracht wird und dessen
Betriebsspannung oberhalb 500 V und vorzugsweise
ίο oberhalb 1000 V liegt. Der Vorteil dieses Bogens liegt
einmal in seinem besseren Wirkungsgrad beim Aufheizen von Gasen, der normalerweise zwischen 75 und
90% liegt, dann aber auch in der geringeren Stromdichte an den Elektroden, wodurch deren thermische
Belastung vermindert wird.
Durch das tangentiale Aufblasen kann man außerdem die Lichtbogenbrennflecke zu rascher Wanderung
auf den Elektroden veranlassen. Auch durch diese Maßnahme kann die Elektrodenhaltbarkeit verbessert
werden.
Auch die Beeinflussung des Bogens durch ein magnetisches Feld, das durch eine außerhalb des Lichtbogens
befindliche Spule erzeugt wird, kann zur Erhöhung des Bogenwiderstandes und zur raschen
Bewegung der Lichtbogenbrennflecke auf den Elektroden führen.
Diese Maßnahme wird deshalb ebenfalls vorzugsweise zusammen mit dem Gebrauch der erfindungsgemäßen
Elektroden angewendet.
Außer der tangentialen Zufuhr des aufzuheizenden Gases zum Lichtbogen ist auch eine axiale oder radiale
Einströmung möglich.
Schließlich kann man das Verfahren auch mit Hochstrombögen durchführen, deren Widerstand
< 1 Ohm und deren Stromstärke normalerweise oberhalb 200 A liegen. Hierbei ist eine rasche Bewegung
der Lichtbogenbrennflecke auf den Elektroden durch starke magnetische Felder oberhalb 1000 Gauß wesentlich,
um ein Durchschmelzen der Elektroden zu verhindern.
Als Werkstoffe zur Herstellung der Isolatoren haben sich hexagonales BN, Si3N4, Quarzgut und Quarzglas
bewährt. Diese Verbindungen behalten auch noch bei erhöhter Temperatur ihre guten Isolatoreigenschäften.
Die Außenkühlung erfolgt zweckmäßig durch Wasser, wobei man zur Vermeidung von Kesselsteinablagerungen
in den Kühlkanälen einen geschlossenen Kreislauf von entsalztem, schwebestofffreiem
Wasser verwenden kann, das man über einen Kühler führt.
Durch Messung der Ein- und Austrittstemperatur und des Kühlwasserdurchsatzes kann man leicht die
Energieverluste des Brenners errechnen, aus denen man bei Kenntnis der Eingangsleistung den Wirkungsgrad
des Brenners ermitteln kann.
Eine schnelle Wärmeabfuhr aus dem Lichtbogenbrennfleck ist für das erfindungsgemäße Verfahren
wesentlich. Das Kühlwasser soll durch die Kühlkanäle oder Kühlmäntel der Elektroden mit einer Geschwindigkeit
zwischen 2 und 40 m/sec strömen.
Ebenso wichtig ist auch die gute Wärmeleitfähigkeit
des Elektrodenmaterials. Die hohe Energiekonzentration im Brennfleck erfordert neben dem Wärmetransport
in Richtung senkrecht zur Elektrodenoberfläche auch eine Wärmeabfuhr parallel zu dieser und
zu Kühlflächenelementen hin, die auf Grund ihrer Temperatur und Wärmekapazität in der Lage sind,
momentan große Energiemengen zu absorbieren.
Die schon erwähnte rasche Bewegung der Lichtbogenbrennflecke auf den Elektroden durch magnetische
Felder oder durch die Strömung des Arbeitsgases ist ebenfalls von wesentlichem Einfluß auf die
Elektrodenhaltbarkeit. Die Magnetfelder werden dabei durch wassergekühlte Spulen erzeugt, die von
Gleichstrom durchflossen werden. Feldstärken der Größenordnung 300 bis 5000 Gauß haben sich für
die Beeinflussung von Lichtbogen bis 500 A Stromstärke als geeignet erwiesen.
Bei Ausbildung einer oder beider Elektroden als Hohlelektroden kann es nützlich sein, die Elektrodenoberfläche
durch Einblasen einer kleinen Menge von Inertgas vor dem Angriff des Sauerstoffs zu schützen.
Infolge der starken Turbulenz ist dieser Schutz oft nur zeitweilig vorhanden, zumal da man den O2
auch nicht durch größere Inertgasmengen - es kommen hauptsächlich N2 und Ar in Frage - verdünnen
möchte. Durch pulsierendes Einblasen des Inertgases kann man außerdem eine dauernde Verlagerung des
Lichtbogenbrennflecks erreichen.
Um die relativ teure elektrische Energie nur für die Spitzenerhitzung einzusetzen, kann es zweckmäßig
sein, die Aufheizung des sauerstoffhaltigen Gasgemisches in gas- oder ölbeheizten Wärmeaustauschern
oder Erhitzern bis zu Temperaturen durchzuführen, die sich mit metallischen Werkstoffen beherrschen
lassen—etwa 600 bis 800° C. Das so aufgeheizte Gasgemisch
wird dann erst im Lichtbogenbrenner auf die gewünschte Temperatur gebracht.
Geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind z. B. die in den Fig. 1 bis 6 dargestellten
an sich bekannten Vorrichtungen, daneben aber auch alle anderen Vorrichtungen, mit denen sich
die beschriebenen wesentlichen Verfahrensmerkmale einhalten lassen.
So stellt Fig. 1 einen Lichtbogenbrenner mit zwei auf einer gemeinsamen Achse übereinander angeordneten
Hohlelektroden 1 und 2 dar, die von einem Isolatorteil 3 elektrisch getrennt werden. Der Isolator 3
ist mit tangentialen Bohrungen 4 versehen, durch die das aufzuheizende Gas in den zylindrischen Innenraum
eingeführt wird. Der Lichtbogen, der durch Kurzschließen der Elektroden mit einer Hilfselektrode
oder einem Metalldraht gezündet wird, brennt hauptsächlich in der Brennerlängsachse. Innerhalb jeder
der beiden Hohlelektroden biegt der Lichtbogen zur Elektrodenoberfläche ab und endet in einem
Brennfleck, der sich in Kreisbahnen auf der Elektrodenfläche bewegt. Das heiße Gas verläßt den Brenner
am unteren, offenen Ende der Elektrode 2. Jede der beiden Elektroden kann von einer Spule konzentrisch
umgeben sein, die ein in Achsrichtung verlaufendes Magnetfeld erzeugt.
Fig. 2 zeigt einen Brenner mit zwei konzentrisch angeordneten Elektroden, einer zylindrischen Hohlelektrode
5 und einer Zentralelektrode 6, die gegen das Gehäuse durch den Isolator 7 elektrisch isoliert
ist. Der Brennerkopf 8 enthält eine oder mehrere Einführungsöffnungen für das aufzuheizende Gas.
Der Lichtbogen brennt zwischen der Innenwand der Elektrode 5 und der Außenwand der Elektrode 6.
Das in Richtung der Brennerachse verlaufende durch die Spule 9 erzeugte Magnetfeld bewirkt, daß der
Lichtbogen wie die Speiche eines sich drehenden Rades zwischen den Eelktrodenflächen rotiert. Die dabei
von ihm beschriebene Ebene steht senkrecht auf der Brennerachse. Das aufgeheizte Gas verläßt den Brenner
bei 10.
Fig. 3 zeigt einen Brenner, der für Drehstrombetrieb
geeignet ist. Er ist mit 3 Elektroden 11, 12 und 13 ausgerüstet. Das aufzuheizende Gas tritt bei 14
tangential in die zylindrische Brennerkammer ein und verläßt diese bei 15 in Richtung senkrecht zur Bildebene.
Der Lichtbogen brennt jeweils zwischen 2 Elektroden und wandert entsprechend der Phasenstellung
des Stromes kreisförmig von Elektrode zu Elektrode weiter.
Fig. 4 stellt eine Anordnung mit winkelartig in einen
zylindrischen Raum hineinragenden Elektroden 16 und 17 dar. Das Arbeitsgas strömt unten ein und
bläst dabei den Lichtbogen entsprechend den gestrichelten Linien nach oben und auseinander.
Fig. 5 ähnelt Fig. 2 nach Lichtbogen- und Feldlinienverlauf.
Der Lichtbogen brennt zunächst an der Stelle des geringsten Abstandes zwischen der Zentralelektrode
18 und der Mantelelektrode 19, die 18 konzentrisch umgibt. Das von der Spule 20 erzeugte Magnetfeld
bringt den Lichtbogen zum Rotieren um 18 in einer Ebene senkrecht zur Brennerachse. Durch
das einströmende Arbeitsgas, das bei 21 in den Brenner eingeführt wird, wird der Lichtbogen in den konischen
Teil der Elektrode 19 hineingetrieben und entsprechend den gestrichelten Linien dabei verlängert.
Das heiße Gas strömt bei 22 aus dem Brenner aus. Fig. 6a und 6b zeigen den bekannten Ofen nach
Birkeland-Eyde mit 2 aus U-förmig gebogenen
Rohren bestehenden Elektroden 23 und 24. Senkrecht dazu sind die Pole eines Elektromagneten 25
und 26 angeordnet. Durch das Magnetfeld wird ein zwischen beiden Elektroden gezündeter Wechsel-Stromlichtbogen
zu einer flachen Scheibe auseinandergezogen, wie es in der Fig. 6b durch die gestrichelten
Linien angedeutet ist. Senkrecht durch diese Scheibe wird das aus den perforierten Platten 27 und
28 einströmende Gas geblasen, das man bei 29 abzieht. Kühlwasserein- und -austritt sowie sein Verlauf
ist in allen Abbildungen angedeutet.
Nachfolgend sind zwei Beispiele angeführt, die zur näheren Erläuterung des .Verfahrens dienen sollen.
B e i s ρ i e 1 1
Der Brenner nach Fig. 2 wurde mit Elektroden ausgestattet, die aus einer Mischung von 20% Silber
und 80% Graphit durch Verpressen und anschließendes Sintern unter Inertgas hergestellt waren. Durch
den Brennerkopf 8 wurden stündlich 50 Nm3 O2 von
Raumtemperatur eingeblasen. Mit der Spule 9 wurde ein Magnetfeld erzeugt, das in der Brennerachse eine
Stärke von 2000 Gauß hatte. Bei einer Stromstärke von40 Astelitesich eine Bogenspannung von 1320 V
ein. Der Wirkungsgrad des Brenners lag bei 77,2%. Das austretende Gas hatte eine Enthalpie von 0,49
Kcal/g entsprechend 1930° K. Der Versuch lief 96
■ Stunden lang. Die Elektroden zeigten auf einer Zone von 25 mm Länge flache Einbrandmulden von 0,4 mm
Tiefe mit völlig glatten, metallisch aussehenden Oberflächen.
Bei diesem Versuch wurde ein Brenner nach Abb. 5 verwendet, dessen Mantelelektrode 19 aus
einem Ag-Graphit-Verbundkörper mit 28% Ag gefertigt war. Die Zentralelektrode 18 bestand aus metallischem
Silber. Der Brenner wurde mit Gleichstrom
(50 A) betrieben und mit 62 Nm3 einer Mischung von 75 Volumprozent O2 und 25 Volumprozent N2 beaufschlagt.
Durch die Magnetspule 20 wurde in der Brennerachse ein Feld von 1600 Gauß eingestellt.
Dabei stellte sich eine Spannung von 1750 V ein. Bei einem gemessenen Wirkungsgrad von 74,2 % betrug
die Energieaufnahme des Gases 0,65 Kcal/g.
Der Versuch lief über 200 Stunden. Nach dieser Zeit zeigte die Mantelelektrode an der oberen Konusfläche
und an der Einschnürung ein metallisch glänzendes Aussehen. Der Durchmesser der Einschnürung
war um 0,5 mm erweitert. Die Außenfläche der Zentralelektrode wies einige schraubenförmig verlaufende
Kerben von maximal 0,3 mm Tiefe auf.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409524/155
Claims (5)
1. Elektroden mit einer Wärmeleitfähigkeit größer als 0,33 cal/cm.s. UC für die Erzeugung
elektrischer Lichtbogen zum Aufheizen von Sauerstoff oder Sauerstoff-Inertgas-Mischungen,
bestehend aus einem Verbundwerkstoff aus den Metallen Silber, Gold oder deren Legierungen mit
Kohlenstoff oder Graphit.
2.Elektroden nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet,
daß sie mit Kühlmänteln oder Kühlkanälen versehen sind, durch die ein Kühlmedium,
vorzugsweise Wasser von 5 bis 25° C, mit einer Geschwindigkeit zwischen 2 und 40 m/
see strömt.
3. Elektroden nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoren, welche die
Elektroden elektrisch voneinander und vom geerdeten Brennergehäuse trennen, aus hexagonalem
Bornitrid, Siliciumnitrid, Quarzgut oder Quarzglas bestehen.
4. Verfahren zum Aufheizen von Sauerstoff oder von Sauerstoff-Inertgas-Mischungen auf
Temperaturen oberhalb 1000° K mittels einer elektrischen Bogenentladung, die mit Gleich-,
Wechsel- oder Drehstrom betrieben wird und zwischen gekühlten Elektroden im aufzuheizenden
Medium stattfindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Bogenentladung durch tangentiales oder axiales
Anblasen mit dem aufzuheizenden Medium mit Geschwindigkeiten zwischen 20 und 300 m/sec bezogen
auf Normalbedingungen — und/oder durch ein Magnetfeld mit einer Feldstärke von 300
bis 5000 Gauß - gemessen im Zentrum des Bogens - auf einen Widerstand zwischen 1 und 50 Ohm
und eine Stromstärke bis zu 500 A gebracht wird, wobei Elektroden nach einem der Ansprüche 1 bis
3 verwendet werden.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufzuheizende Gas vor
Eintritt in den Lichtbogen in öl- oder gasbetriebenen Erhitzern auf Temperaturen bis 800° C vorgewärmt
wird.
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