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Verfahren und Ofen zur Durchführung von Reaktionen zwischen Feststoffen
und Oasen Vorliegende Hrfn(lung bezieht sich auf eiii Verfahren und eine Einrichtung,
um Erze oder andere Stoffe mit Gasen zu behandeln, welche fähig sind, sich mit ihnen
unter Entwicklung oder Aufnahme von Wärme zu veibinden. Im besonderen bezieht sich
die Erfindün- auf die Leitung, Regelung und überwachung solcher elotherrnischer
Reaktionen, wie sie beim Rösten sulfidischer Erze oder anderer schwefelhaltiger
Materialien auftreten, gleichviel, ob es sich um die Gewinnuni an schwefliger Säure
oder von Sulfater handelt. Die Erfindung besteht darin, daE inan das zu behandelnde
Material in seines Gesamtheit einer Vorerhitzung unterwirft und daB man von der
vorerhitzten i@Iaterialinenge gleichzeitig eine Mehrzahl von Teilströmen unmittelbar
nach einer Mehrzahl vor räumlich auseinanderliegenden Punkten des Bewegungsbahn
des -Material: überführt. Dabei
vereinigt man vorzugsweise diese
einzelnen Materialportionen mit dem Hauptinaterialstrom in der Weise, claß sie dem
Materialstrom zugleich mit dem für die Reaktion erforderlichenGasquantum
zugeführt werden.
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Eine solche Arbeitsweise ermöglicht eine sehr vollständige Beherrschung
des Reaktionsprozesses, da die einzelnen vorgewärmten Materialportionen, welche
getrennt nach verschiedenen Punkten der vom Materialstrom durchlaufenen Bahn überführt
werden, ganz bestimmte Mengen an potentieller Energie mit sich führen, so daß die
Wirkung des Eintritts solcher 'Materialportionen in den allgemeinen 'Materialstrom
in weitem Umfange berechenbar ist. Darin liegt ein Unterschied gegenüber einem vorbekannten
Verfahren, bei - welchem zwar auch mit einer Unterteilung des 'Materialstromes gearbeitet
wird, wobei diese jedoch in der Weise durchgeführt wird, daß bei einem Etagenofen,
über dessen einzelne Etagen das abzuröstende Material him%'eg,-eleitet wird, von
der i. Etage ein Teil des Pvrits auf die 3., von der 2. ein Teil auf die 4. und
von' der 3. ein Teil auf die ;. Etage transportiert wird. Bei diesem vorbekannten
Verfahren handelt es sich also immer nur um die Abzweigung von teilweise abgeröstetem
Erz, welches nicht nur weniger potentielle Energie mit sich führt als frisches Erz.
sondern bei dem das Quantum an potentieller Energie auch mehr oder weniger unberechenbar
ist. Der Zweck der völligen Beherrschung des Reaktionsvorganges läßt sich bei diesem
vorbekannten Verfahren demnach nicht mit. gleicher Vollständigkeit erreichen wie
bei dem vorliegenden Verfahren.
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In den schematischen Zeichnungen stellt Abb. i einen vertikalen mittleren
Schnitt durch einen Röstofen gemäß der Erfindung mit einer Mehrzahl von Herden dar,
wobei der. Schnitt nach der Linie i-i der Abb. 4 geführt ist.
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Abb.2 zeigt ein Bruchstück eines vertikalen Schnittes des Ofens nach
der Linie.2-z der Abb. 4.
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Abb.'3 ist ein Bruchstück eines Vertikalschnittes nach der Linie 3-3
der Abb. 4. Abb. 4 ist ein Querschnitt durch den Ofen nach der Linie 4-i der Abb.
i.
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Abb.5 ist eine diagrammatische Seitenansicht einer Apparatform, bei
welcher die Gase im Kreislauf durch den Ofen geleitet werden unter passender Regelung
ihres Wärmeinhalts.
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Der Ofen besitzt die üblichen allgemeinen Merkmale eines Ofens mit
einer Mehrzahl von Arbeitsherden. Bei der auf der Zeichnung beispielsweise dargestellten
Ausführungsform besitzt der Ofen sieben übereinanderliegende Herde, welche der Reihe
nach in der Richtung von oben nach unten fortschreitend mit 1 bis 7 bezeichnet sind.
jeder Herd ist mit (lern üblichen Rührarm 8 versehen, und es sind die üblichen öffnungen
vorgesehen, <lurch welche Teile der Beschickung von einem höher gelegenen Herd
nach dem ihm zunächst gelegenen tieferen Herd befördert werden können, wie es bei
Öfen dieser Art üblich ist. io bezeichnet den offenliegenden Trocknungsherd am oberen
Ende des Ofens und i i den Rührarm, durch den die Beschickung allmählich durch die
Beschikkungsöfnungen 12 dem oberen Herd i zugeführt wird. Hinsichtlich der bisher
erwähnten Merkmale des Ofens kann derselbe eine Ausführungsform einer der üblichen
Arten von öfen mit Mehrfachherden sein.
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Mit 13 (Abb. i und 4) sind Öffnungen be-7eichnet, durch welche Teile
des Erzes auf dem obersten Herd i allmählich auf den nächstbenachbarten tieferen
Herd befördert werden. Bei der dargestellten Ofenkonstruktion sind vier solcher
öffnungen vorgesehen, wie aus Abb. 4. ersichtlich ist. Die Erzportionen, welche
auf diese Weise dem Herd 2 zugeführt werden, wandern durch den Ofen abwärts über
die verschiedenen Herde desselben hinweg, genau so wie es bei -Öfen dieser Art üblich
ist.
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Mit 1.4 (Abb. 2 und 4.) sind Hilfs- oder Nebenkanäle bezeichnet, deren
nach der Darstellung der Zeichnung vier vorgesehen sind, welche direkt von dem obersten
Herd nach dem Herd. führen und die dazwischenliegenden Herde 2 und 3 überspringen.
Die Zahl 15 (Abb. 3 und 4.) bezeichnet eine weitere Reihe von Hilfs- oder Nebenkanälen,
von denen ebenfalls vier dargestellt sind, welchevon dem obersten Herd unmittelbar
nach dein Herd 6 führen und die dazwischenliegenden Herde 2, 3, .4 und 5 überspringen.
Die Anordnung der verschiedenen Kanäle ist so, daß nur ein Teil der Beschickung
des Herdes i, welche dort eine Vorerhitzung erfahren hat, in der üblichen Weise
nach abwärts wandert, indem er über sämtliche Herde des Ofens der Reihe nach geführt
wird. Ein weiterer Teil der vorerhitzten Beschickung des Herdes i wird durch die
Kanäle 14 unmittelbar dem Herd .4 2:ugeführt undwandert erst von diesem Herde aus
der Reihe nach über die verschiedenen Barunterliegenden Herde hinweg. Ein weiterer
Teil der vorgewärmten Beschickung des Herdes i wird durch die Nebenkanäle 15 unmittelbar
dem Herd 6 zugeführt und wandert erst von hier ab der Reihe nach über die Barunterliegenden
Herde hinweg. Die Zahlen 16, 17 und 18 bezeichnen mit Ventilen versehene Röhren
zur Zuführung von Luft oder anderen gasförmigen Reagenzien, wie z. B. reiches S0,-Gas,
wcIche Röhren mit den Herden 3
bzw. 5 bzw. 7 in 'Verbindung stehen.
itg bezeichnet die Auslaßöffnung für das geröstete 1?rz oder sonstige behandelte
Material in <lern untersten Herd. 2o bezeichnet die Auslal.löffnung für die Ofengase
und 21 den Beschikkungstrichter, welcher sich nach dein Trocknungsherd io öffnet.
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Die wesentlichen Bestandteile der in Abb. 5 dargestellten Gesamtapparatur
sind der Ofen _M, welcher als ein Ofen der in Abb. i dargestellten Art angenomwen
ist, ein oder mehrere Gasreinigungs- oder Rauchfangvorrichtungen B (deren zwei dargestellt
sind), welche nur dann erforderlich sind, wenn an dieser Stelle Bestandteile, welche
nicht gasförmig sind, aus dem Gasstrom abgeschieden werden sollen, oder wenn gasförmige
Bestandteile durch Kondensation ausgeschieden werden sollen, und eine Temperaturreglungsvorrichtung
C (auf der Zeichnung 'doppelt dargestellt), welche dazu dient, dein zirkulierenden
Gasstrom Wärme zuzuführen oder von ihm abzuleiten, und zwar in einem Umfange, der
hinreichend ist, um innerhalb des Ofens A die gewünschten Temperaturverhältnisse
aufrechtzuerhalten. Mit D, P sind Ventilatoren oder sonstige Triebvorrichtungen
bezeichnet zur Aufrechterhaltung der Gasbewegung durch das geschlossene System,
welches durch Verbindung der Elemente A, B, C durch geeignete Leitungen entsteht,
wie die Zeichnungsfigur deutlich zeigt. Die Anlage kann sowohl ungefähr bei Atmosphärendruck
als auch bei Über- oder Unterdruck arbeiten, je nachdem es im besonderen Fall wünschenswert
ist.
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Es ist bekannt, daB bei der Durchführung exothermischer Reaktionen,
wie sie oben erwähnt wurden, wie z. B. bei der selbsttätigen Abröstung von Erzen,
gleichviel ob solche Reaktionen in einem Ofen mit einer .Mehrzahl von Herden oder
in einem Kanalofen oder in irgendeinem sonstigen Ofen durchgführt werden, die Gefahr
lokaler überhitzungen besteht, welche besonders im mittleren Teil des Ofenraums
auftreten.
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Zur Erklärung der Wirkung der oben beschriebenen Umlaufkanäle ist
darauf hinzuweisen, daB die Temperatur der Materialportion, welche zu einer bestimmten
Zeit auf einem gewissen Herd liegt, teilweise von der« fühlbaren Wärme der Beschickung
des betreffenden Herdes und teilweise von der auf dem Herde entwickelten Reaktionswärme
abhängt. Daraus folgt, daß die Temperatur im Ofen in der Zone einem Maximum zustrebt,
wo die exothermische Reaktion ihre maximale Geschwindigkeit erreicht, und es folgt
auch, daß, wenn die Reaktionsgeschwindigkeit abnimmt, wie es der Fall ist, wenn
der Röst- oder sonstige Prozeß sich seinem Ende nähert, dann auch die Temperatur
der Beschickung sinkende Tendenz zeigen wird. Infolgedessen isi es bei gewissen
Ofentypen notwendig, der Beschickung von einer äußeren Wärmequelle au: Wä rine zuzuführen,
besonders in dem Teil des Ofens, in welchem der Schwefelgehalt des Erzes erschöpft
ist, wenn inan die potentielle Wärmeenergie möglichst vollständig ausschalten will.
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Vorliegende Erfindung ermöglicht, eine im wesentlichen gleichförmige
Temperatur oder ein beliebiges Temperaturgefälle im Ofenraum aufrechtzuerhalten.
Das wird durch Aufrechterhaltung einer passenden Beziehun.2 zwischen der fühlbaren
Wärme der Beschikkung und der Gase in jedem Teil des Ofen (z. B. auf jedem Herde
bei einem Ofen der auf der Zeichnung veranschaulichten Art) und der potentiellen
Wärmeenergie erreicht, welche in der Form von nicht oxvdiertem Erz oder sonstigem
Reaktionsmaterial zugeführt wird. Zu diesem Zweck kann man zweckmäßig wie folgt
verfahren: Die ganze Beschickung, z. B. Zinkblende, wird dem obersten eingebauten
Herd i zugeführt und auf ihm vorzugsweise bis zu der Temperatur vorgewärmt, bei
welcher die Reaktion einsetzt, das ist in dem angenommenen Fall bis auf wenigstens
d.5o° C. Darauf wird die vorgewärmte Beschickung durch die Wirkung der Rührarme
allmählich, im wesent# liehen gleichzeitig und in wesentlich gleichen Mengen, dem
zweiten, vierten und sechsten Herd des Ofens zugeführt. Jedem der Herde wird auch
die für den Röstprozeß erforderliche Luftmenge zugeführt, wobei im Falle der Röstung
sulfidischer Erze unter Gewinnung von Schwefeldioxyd gehörige Rücksicht auf die
Konzentration des gewünschten Gases genommen wird. In der Praxis hat sich gezeigt,
daß es ratsam ist, die Luft jedesinal dem Herd zuzuführen, welcher zunächst unter
dem mit vorgewärmten Erz beschickten Herd liegt, wie dies auf der Zeichnung aus
der Lage der Luftzuleitungen 16, 17 und 18 zu ersehen ist. Die potentielle Wärmeenergie
des Erzes wird daher entbunden und in fühlbare Wärme umgesetzt in einer .Mehrzahl
von vorbestimmten, getrennten Ofenzonen, während die fühlbare Wärme der Beschickung
von den oberen Herden regelmäßig durch den Ofenraum transportiert wird und an den
gehörigen Stellen den gehörigen Zuwachs durch die an den betreffenden Stellen zugeführte
frische Beschickung erhält. Die Anordnung ist also so, daß, während das Gewicht
des Erzes auf den einzelnen Herden oder Herdgruppen von oben nach unten zunimmt,
die Luftmenge, welche im Gegenstrom zum Erz über die Herde hinwegstreicht, umgekehrt
von unten nach oben zunimmt. .fit anderen Worten: es begegnet
die
Höchstmenge cles Erzes der Mindest-»:en-e an I.tift. 1>ris erzetigl eine "I@ndciiz.
die Temperatur in @Icn vrrschicilcnen Ofenz0üen auszu`leichen; z.1'#.. N%-iril slic
ge.anite Beschickung auf der untersten l-lerd-ruppe @-crcinigt 'un@l begc-net _hicr
iler \li@i@c@tiiteiige Luft. welche infolgedessen rasch auf die gewünschteTeinlicratur
erhitzt wirr«, ohne daß für diese Ofenzone die 'Notwendigkeit der Wärmezufuhr von
einer äußeren Wärnieouelle besteht. Es ist leicht ersichtlich, daß auch in dein
ganzen Ofenraum eine gleichniäßi-e Temperatur oder irgendein gewünschtes Temperaturgefälle
aufrechterhalten werden kann, entsprechend der den verschiedenen Herden zugeführten
potentiellen '\Z'ärmeenergie.
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C?lsw@hl ;in vurstcl:ei: hn einz I?inriclittnig beschrieben und auch
eine solche auf der Zeichnung dargestellt ist, bei welcher das vorerhitzte Erz in
ini wesentlichen gleiche Portionen geteilt wird, welche getrennt geröstet und claratff
wieder zusammengebracht werden, so ist doch klar, daß die Unterteilung der Deschickung
nicht notwendig in drei oder in eine sonstige Zahl von gleichen Teilen unterteilt
zu werden braucht. In dieser Hinsicht sind Abweichungen in weitem Umfange zulässig,
da es nur darauf ankommt, daß die Zufuhr von Luft oder des sonstigen Reaktionsgases
in ein gehöriges Verhältnis zu der 'Menge von Erz oder sonstigem Reaktionsgut gebracht
wird, das sich mit dem Gase umsetzen soll. Die Durchführung der Erfindung ist auch
nicht auf die Benutzung eines Ofens finit einer «Mehrzahl von Herden beschränkt,
obwohl diese Ofenform besonders geeignet erscheint. tla sie zu den geringsten mechanischen
Komplikationen führt. Das Verfahren kann jedoch auch in einem beliebigen sonstigen
Ofen ausgeführt werden, bei welchem ein Teil oder Teile der vorgewärmten Beschikkung,
die die potentielle Wärmeenergie enthalten, von einem Teil des Ofens nach einem
anderen, der näher dem Auslaß liegt, überführt werden können, ohne daß er bei dieser
Überführung seine potentielle Wärmeenergie in größerem Umfange verliert.
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Die Erfindung ist auch nicht auf die Rüstung von stilfidischen Erzen
unter Bildung von Schwefeldioxyd beschränkt, sondern sie kann in allen Fällen Anwendung
finden, in welchen die Einführung eines gasfiirmigen Reaktionsmittels, wie z. B.
Sauerstoff, Chlor o, dgl. oder Verbrennungsgase, Anlaß gibt zu einer exotherrnischen
Reaktion. Z. B. kann die Erfindung auf das Rösten von-7ink- oder anderen Sulfiden
zu den entsprechenden Sulfaten Anwendung finden. Sie kann auch An-,vendung finden
zur Oxydation der niedrigen Oxyde von Eisen, 'Mangan, .Nickel n. @lgl., zu der Chlorirrung
von sulticlischen Erzen und -irr Sulfatisierung vonKupfererzen und überhaupt auf
eine große 'Mannigfaltigkeit von älinlicben exotherinischun Reaktionen., Bei der
Röstung von 7inkblende kann das \"erfahren bequem ausgeführt werden. ohne <1a1.1
zusätzliche Wärine von einer äußeren \1".irinecltielle her zugeführt wird. In diesem
Dalle kann durch passende Kühlung derOfen-\t-iin(le, z. l). durch Wasser oder Luft
oder thirch Wärmestrahlung, der Ofen mit einer Leistung für die Ilerdflächeneinheit
betrieben werden, «-elche im Vergleich zu derjenigen lieh sonst üblichen Ofen ähnlicher
Art außerordentlich hoch ist. Zu diesem Zweck ist es notwendig, das Gut, welches
potentielle Wärmeenergie enthält, und das gasförmige heaktionsinittel in der höchst
zulässigen Menge, bei welcher der Überschuß an lZtaktionshitze noch abgeführt und
die Reaktion noch geregelt und überwacht werden kann, in den Ofen einzuführen.
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In manchen Fällen, wie z. B. bei magnetischer selbsttätiger Röstung
oder Trocknung, ist die maximale Leistung bestimmt durch die Menge von' Erz, welche
rasch durch einen Ofen von bestimmter Größe hindurchgeführt tverden kann. während
in anderen Fällen, wie z. B. beim Rösten von Zinkblende, die maxiniale Leistung
von der 'Menge der Gase abhängt, welche durch den Ofen hindurchzuströmen vermögen,
ohne daß allzu große Gasgeschwindigkeiten sich ergeben.
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Wenn durch den Betrieb ein Gas, wie z. B. Schwefeldioxyd, erzeugt
werden soll, welches eine gegebene verhältnismäßig hohe Konzentration hat, dann
empfiehlt es sich, für Teile des Gases einen Kreislauf durch den Ofen vorzusehen.
In diesem Falle ist es im#allgemeinen nicht nötig oder auch nur ratsam, den zirkulierenden
Gasen ihren Wärmeinhalt zu helassen. In der Tat müssen im Falle von stark exotherinischen
Reaktionen solche zirkulierenden Gase passend gekühlt werden, um clie Reaktionstemperatur
zu regeln' und auf der vorbestimmten Höhe zu halten. Beim Arbeiten unter diesen
Bedingungen können die Temperatur des Ofens und die Konzentration des Gases innerhalb
praktischer Grenzen in beliebiger gewünschter Höhe gehalten werden, während gleichzeitig
flie Leistung des Ofens pro Herdflächeneinheit gesteigert wer--len kann, ungefähr
auf den in direkt beheizten Men erreichbaren Grad.
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Die mannigfachen Vorteile der Erfindung sind aus der vorstehenden
Beschreibung für l--achleute ersichtlich. Von diesen Vorteilen iiii'#,zcn die nachstehenden
besonders hervor-,gehoben werden.
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f. Die Leistung des Ofens wird sehr gesteigert. da alle Teile der
Herdfläche im
wesentlichen die gleiche niaxiinale f.eistung ergeben.
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2. Die Strahlungsverluste lassen sich bcqueni regeln infolge der :\li%veseiilieit
%-()ii Stellen hoher lokaler liberhitzung, welche gewöhnlich zugleich Stellen hohen
1V:irnievcilustes sind.
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3. Die Temperatur kann genau überwacht und geWünschtenfalls im ganzen
Ofen gleichförmig gehalten werden, indem man sie an jeder Stelle innerhalb der Grenzen
li:ilt, hei welchen die Reaktion Platz greift. Daraus ergibt sich ein hoher Nutzeffekt.
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.M. Die zerstörende Wirkung sehr hoher Temperaturen an einzelnen Punkten
wird vermieden, da keine Zonen übermäßiger Temperatursteigerung vorhanden sind.
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. Es ist möglich, besonders wenn Teile der Reaktionsgase rin Kreislauf
durch den Ofen geführt werden, Sauerstoff oder Luft, welche beliebig an Saugstoff
angereichert ist, zu verwenden, ohne daß schädliche lokale Überhitzungen entstehen.
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6. Unter der gleichen Bedingung des Gaskreislaufs ist es möglich,
Reaktionsgase. wie z. B. Schwefeldioxyd. von jeder gewünschten oder vorbestimmten
Konzentration zu erhalten. Beispielsweise kann man ein hochkonzentriertes Gas von
einer armen Blende erhalten, während man eine gelinde Röstung des Erzes durchführt.
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7. Der ganze und auch der teilweise Wärmeausgleich kann leicht durchgeführt
werden, da es nicht mehr variable Größen gibt als Gleichungen zu erfüllen sind.
Es ist daher möglich, die Temperaturen der Gase und auch diejenigen der Erze an
irgendeinem Punkt des Ofens zu bestimmen und daher festzustellen, ob die gewünschte
Reaktion eintreten kann.
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Wie oben auseinandergesetzt wurde, wird, wenn eine selbsttätige Abröstung
gewünscht wird, jeder Ofenabschnitt mit einer entsprechenden Menge des vorgewärmten.
Materials beschickt, welches eine genügende potentielle Wärmeenergie besitzt, um
die Reaktion durchzuführen. Aber die Erfindung ist auch anwendbar auf Verfahren,
welche zusätzliche Wärmeenergie erfordern. In diesem Falle, w o das vorgewärmte
Material nicht hinreichend potentielleWärnicenergie besitzt,uni die Durchführung
der Reaktion -rii ermöglichen. wird der zusätzliche Wärmebedarf beispielsweise durch
eine äußere Feuerung geliefert, find zwar in um so größereinUmfange, jegeringer
clie potentielle Wärmeenergie des auf den vcrsrhiedeneth Herden befindlichen Material:
ist. Das ist z. B. (leg Fall, wenn Kupfererze ulfatisiert oder chloriert werden
sollen :',iil.lcr den N-orerw:ilinteti Reaktionen könner auch mannigfache andere
Reaktionen unter 1'(-iiutzun- der Erfindung durchgeführt werden, wie es für Fachleute
ohne weiteres er-.lichtlich ist.