DE69108306T2 - Process, casting mold and device for multi-stage low pressure casting of metal. - Google Patents
Process, casting mold and device for multi-stage low pressure casting of metal.Info
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Niederdruckgießen von Metall mit einer Blindsandform mit mehreren Stufen. Sie bezieht sich in erster Linie auf ein Verfahren zum Beschikken der Nester einer Blindsandform mit mehreren Stufen beim Niederdruckgießen von Metall, wobei diese Beschickung über einen Gießschacht und auf jeder Stufe über mindestens einen vom Gießschacht ausgehenden Zwischenkanal und Eingüsse durchgeführt wird, die den Kanal mit dem Nest oder jedem Nest verbinden. Ein Verfahren dieser Art ist in der FR-A-2 295 808 beschrieben.The present invention relates to low-pressure metal casting using a multi-stage blind sand mold. It relates primarily to a method for feeding the cavities of a multi-stage blind sand mold in low-pressure metal casting, this feeding being carried out via a pouring chute and, at each stage, via at least one intermediate channel extending from the pouring chute and sprues connecting the channel to the cavity or cavities. A method of this type is described in FR-A-2 295 808.
Die Technik des Niederdruckgießens (siehe beispielsweise die FR-A-2 295 808, 2 367 566 und 2 556 996 der Patentinhaberin) ist im Vergleich zum Schwerkraftgießen besonders vorteilhaft, um metallische Teile mit dünnen Wänden und/oder komplexen Formen und/oder großen Abmessungen herzustellen. Der durch das Metall ausgeübte Druck, der aus der Einführung eines Gases in eine das flüssige Metall enthaltende abgeschlossene Kammer resultiert, kann nach Belieben so gesteuert werden, daß er das Metall in sämtliche Winkel der Nester preßt.The low-pressure casting technique (see, for example, the patentee's FR-A-2 295 808, 2 367 566 and 2 556 996) is particularly advantageous compared to gravity casting for producing metal parts with thin walls and/or complex shapes and/or large dimensions. The pressure exerted by the metal, resulting from the introduction of a gas into a closed chamber containing the liquid metal, can be controlled at will so as to force the metal into all the corners of the cavities.
Bei der klassischen Technik der vorstehend zitierten FR-A-2 295 808 verbinden in jeder Stufe der Form zwei Zwischenkanäle mit großem Querschnitt den Gießschacht mit der Reihe der Eingüsse der en sprechenden Stufe.In the classical technique of FR-A-2 295 808 cited above, in each stage of the mould two intermediate channels with a large cross-section connect the pouring shaft with the row of sprues of the corresponding stage.
Diese Art der Vorgehensweise hat jedoch in Verbindung mit einem großen Kanalquerschnitt die folgenden Nachteile:However, this type of approach has, in conjunction with a large channel cross-section has the following disadvantages:
(1) Im Metallstrom bilden sich starke Turbulenzen, die eine Erosion des Sandes und den Einschluß von Luftblasen begünstigen, was sich auf den Zustand der erhaltenen Teile nachteilig auswirkt.(1) Strong turbulences form in the metal flow, which promote erosion of the sand and the inclusion of air bubbles, which has a detrimental effect on the condition of the preserved parts.
(2) Es ist nicht möglich, das Metall rasch bis zum höchsten Punkt des Gießschachtes ansteigen zu lassen, und die Auffüllung kommt von Stufe zu Stufe zustande, wodurch sämtliche Vorteile des Niederdruckgießens nicht ausgenutzt werden können.(2) It is not possible to allow the metal to rise rapidly to the highest point of the pouring shaft, and the filling takes place from stage to stage, thus preventing all the advantages of low-pressure casting from being exploited.
(3) Wenn der Druck nach Verfestigung der Eingüsse, die Verschlüsse bilden (siehe die vorstehend zitierte FR-A-2 295 808), entspannt ist, besitzt das im Zwischenkanal enthaltene Metall ein relativ großes Volumen, das im stark abgekühlten Zustand in die Gießkammer zurückkehrt. Beim nachfolgenden Gießen steigt das kältere Metall zuerst in den Gießschacht auf, wodurch die Qualität bestimmter Gußteile beeinträchtigt wird. Aus dem gleichen Grunde ist bei jedem Gießvorgang eine Verdrängung von überschüssigem Metall erforderlich.(3) When the pressure is released after the solidification of the sprues forming the closures (see FR-A-2 295 808 cited above), the metal contained in the intermediate channel has a relatively large volume, which returns to the casting chamber in a very cool state. During subsequent pouring, the colder metal is the first to rise into the pouring chute, thereby affecting the quality of certain castings. For the same reason, displacement of excess metal is necessary during each pouring operation.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen. Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 erreicht.The aim of the invention is to eliminate these disadvantages. This aim is achieved according to the invention by a method with the characterizing features of patent claim 1.
Weitere Merkmale sind in den Ansprüchen 2 und 3 beschrieben.Further features are described in claims 2 and 3.
Ziel der Erfindung ist ferner die Schaffung einer Blindsandform zur Verwirklichung eines derartigen Verfahrens. Diese Form ist im Anspruch 4 beschrieben. Weitere Merkmale sind in den Ansprüchen 5 und 6 enthalten.The aim of the invention is also to create a blind sand mold for implementing such a method. This mold is described in claim 4. Further features are contained in claims 5 and 6.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Niederdruckgießen von Metall in einer mehrstufigen Blindsandform, die eine Gießkammer bzw. Gießtasche aufweist, von der sich ein Teil eines Beschickungsrohres nach oben öffnet, mit einer mit der Kammer verbundenen Quelle eines unter Druck stehenden Gases, mindestens einer Blindsandform, die einen nach unten offenen Gießschacht und mindestens zwei Stufen aufweist, von denen jede mit mindestens einem Nest versehen ist, das über Eingüsse versorgt wird, die über mindestens einen Zwischenkanal mit dem Gießschacht verbunden sind, und mit Einrichtungen zur Befestigung der Basis des Gießschachtes an der Öffnung des Beschickungsrohres. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Form in der nachfolgend beschriebenen Weise ausgebildet ist.Another object of the invention is to provide an apparatus for low pressure casting of metal in a multi-stage blind sand mold comprising a casting chamber or casting pocket, of which a part of a feed pipe opens upwards, with a source of a pressurized gas connected to the chamber, at least one blind sand mold comprising a pouring shaft open downwards and at least two stages, each of which is provided with at least one nest supplied by sprues connected to the pouring shaft via at least one intermediate channel, and with means for fixing the base of the pouring shaft to the opening of the feed pipe. The apparatus is characterized in that the mold is designed in the manner described below.
Bei der Abfassung der Oberbegriffe der Patentansprüche 4 und 7 wurde ebenfalls von der FR-A-2 295 808 ausgegangen.FR-A-2 295 808 was also used as a basis for drafting the preambles of claims 4 and 7.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben. Hiervon zeigen:An embodiment of the invention is described below in conjunction with the accompanying drawings. These show:
Figur 1 auf schematische Weise im Vertikalschnitt eine erf indungsgemäß ausgebildete Gießvorrichtung;Figure 1 shows a schematic vertical section of a casting device designed according to the invention;
Figur 2 eine bei dieser Vorrichtung verwendete Gießform in einem Schnitt entlang Linie II-II in Figur 3; undFigure 2 shows a mold used in this device in a section along line II-II in Figure 3; and
Figur 3 einen Schnitt entlang Linie III-III in Figur 2.Figure 3 shows a section along line III-III in Figure 2.
Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung besitzt eine Einfassung 1, die eine Kammer oder einen Vorrat an flüssigem Metall 2 bildet, einen Lagerrahmen 3 für eine Gießform und eine Gießsandform 4. Die Vorrichtung dient zum Niederdruckgießen von Gußeisen (graues Gußeisen oder Gußeisen mit Kugelgraphit) oder einer Superlegierung in der Gießform 4. Abgesehen von der Innenform der Gießform ist die Vorrichtung mit der in der vorstehend zitierten FR-A-2 295 808 beschriebenen Form identisch. Die fest angeordnete Kammer 1 besitzt einen oberen Deckel 5, der in abgedichteter Weise an den Seitenwänden der Kammer befestigt und über geeignete Einrichtungen (nicht gezeigt) verriegelt ist. Ein Gießmundstück 6 erstreckt sich durch eine im Deckel 5 vorgesehene Öffnung 7. Dieses Mundstück 6 besitzt einen rohrförmigen Innenteil 8, dessen Außendurchmesser dem Durchmesser der Öffnung 7 entspricht, und einen Oberteil 9 allgemein kegelstumpfförmiger Gestalt, der in abgedichteter Weise mit dem Umfang der Öffnung 7 über seine große Basisfläche 10 in Eingriff steht. Eine Dichtung 11, die durch eine Asbestschnur gebildet wird, befindet sich in einer in der Basis 10 des Mundstücks angeordneten Vertiefung. Das Mundstück 6 wird von einer Leitung oder einem Beschickungsrohr 12 aus feuerfestem Material durchdrungen, das in das Gußeisen bis in die Nähe des Bodens der Kammer 1 eintaucht. Der obere Teil der Leitung 12 mündet in der Mitte des Mundstücks 6 in der Höhe von dessen ebener Oberseite.The apparatus shown in Figure 1 comprises an enclosure 1 defining a chamber or reservoir of liquid metal 2, a mold support frame 3 and a molding sand 4. The apparatus is used for low pressure casting of cast iron (grey or spheroidal graphite iron) or a superalloy in the mold 4. Apart from the internal shape of the mold, the apparatus is identical to that described in FR-A-2 295 808 cited above. The fixed chamber 1 comprises an upper cover 5 which is secured in a sealed manner to the side walls of the chamber and is locked by suitable means (not shown). A pouring nozzle 6 extends through an opening 7 provided in the cover 5. This nozzle 6 has a tubular inner part 8, the outer diameter of which corresponds to the diameter of the opening 7, and an upper part 9 of generally frustoconical shape, which engages in a sealed manner with the periphery of the opening 7 through its large base surface 10. A seal 11 formed by an asbestos cord is located in a recess arranged in the base 10 of the nozzle. The nozzle 6 is penetrated by a pipe or feed pipe 12 made of refractory material which penetrates into the cast iron up to near the bottom of the chamber 1. The upper part of the pipe 12 opens into the middle of the nozzle 6 at the level of its flat upper surface.
Die Kammer 1 steht über eine Leitung 14 mit einer Quelle 13 eines unter Druck stehenden Gases in Verbindung. Die Verbindung zwischen der Kammer 4 und der Druckquelle 13 oder der Atmosphäre ist über eine geeignete Vorrichtung 15 außerhalb der Kammer verwirklicht. Ein Manometer 16 ermöglicht die Überwachung des im Inneren der Kammer während des Gießens vorherrschenden Drucks.The chamber 1 is connected to a source 13 of a pressurized gas via a pipe 14. The connection between the chamber 4 and the pressure source 13 or the atmosphere is made via a suitable device 15 outside the chamber. A pressure gauge 16 enables the pressure prevailing inside the chamber during casting to be monitored.
Der Rahmen 3 umfaßt Pfosten 17, die an ihrer Basis mit Rädern 18 versehen sind, welche auf zwei Schienen 19 laufen.The frame 3 comprises posts 17 which are provided at their base with wheels 18 which run on two rails 19.
Die Pfosten 17 sind an ihren oberen Enden über eine Platte 20 verbunden, die einen Stellzylinder 21 trägt, welcher sich nach unten erstreckt und dessen Kolbenstange 22 an ihrem unteren Ende gelenkig eine Lagerplatte 23 trägt.The posts 17 are connected at their upper ends via a plate 20 which carries an actuating cylinder 21 which extends downwards and whose piston rod 22 carries a bearing plate 23 in an articulated manner at its lower end.
Die Pfosten 17 sind ferner jeweils mit einem Bund 24 versehen, an dem sich eine Schraubenfeder 25 abstützt. Eine horizontale Lagerplatte 26 kann sich in Vertikalrichtung über einen Teil der Pfosten 17, der sich oberhalb der Bunde 24 befindet, verschieben. Diese Platte 26 steht in konstantem Eingriff mit dem oberen Ende der Federn 25 und wird von diesen nach oben gedrückt. Wenn von der Platte 26 kein Druck nach unten ausgeübt wird, befindet sich diese auf einem Niveau, das über dem der Oberseite des Mundstücks 6 liegt. Eine kreisförmige Öffnung 27 mit ausreichendem Durchmesser, um das Mundstück 6 hindurchzulassen, ist in der Platte 26 vorgesehen.The posts 17 are further each provided with a collar 24 on which a coil spring 25 is supported. A horizontal bearing plate 26 can slide vertically over a part of the posts 17 which is located above the collars 24. This plate 26 is in constant engagement with the upper end of the springs 25 and is pushed upwards by them. When no downward pressure is exerted by the plate 26, it is at a level which is above that of the top of the mouthpiece 6. A circular opening 27 of sufficient diameter to allow the mouthpiece 6 to pass through is provided in the plate 26.
Die Gießform 4 ist eine massive mehrstuf ige Blindform, die beispielsweise 3 Stufen aufweist, wie in Figur 2 gezeigt.The casting mold 4 is a solid multi-stage blind mold, which has, for example, 3 stages, as shown in Figure 2.
Sie besitzt einen vertikalen Gießschacht 28, dessen kreisförmiger Querschnitt nahezu dem des Beschickungsrohres 12 entspricht. Dieser Gießschacht ist unten offen. Er bildet dort eine Vertiefung 29 in Form einer kegelstumpfförmigen Öffnung, die der des Mundstücks 6 entspricht. Der Gießschacht erstreckt sich bis zu einem bestimmten Abstand von der Oberseite der Gießform.It has a vertical pouring shaft 28, the circular cross-section of which almost corresponds to that of the feed pipe 12. This pouring shaft is open at the bottom. There it forms a recess 29 in the form of a truncated cone-shaped opening, which corresponds to that of the mouthpiece 6. The pouring shaft extends to a certain distance from the top of the casting mold.
Die drei Stufen sind identisch ausgebildet. Die Ausbildung einer jeden Stufe ist in Figur 3 gezeigt. Vom Gießschacht 28 gehen in Horizontalrichtung zwei Kanäle 30A und 30B aus, die sich in der Verlängerung voneinander beiderseits des Gießschachtes 28 erstrecken. Die Stufe umfaßt ferner zwei Gießnester 31 länglicher identischer Form. Jedes Nest, das sich beiderseits des Gießschachtes 28 erstreckt, wird über drei Eingüsse beschickt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist für jedes Nest ein Einguß 32A auf einer Seite des Gießschachtes vorgesehen, während sich auf der anderen Seite zwei Eingüsse 32B befinden. Die drei Eingüsse 32A verbinden die Gießnester mit dem Kanal 30A, während die drei Eingüsse 32B die Gießnester mit dem Kanal 30B verbinden. Jeder Kanal 30A oder 30B verbindet daher den Gießschacht mit sämtlichen auf der gleichen Seite des Gießschachtes 28 angeordneten Eingüssen und nimmt daher an der Beschickung der beiden Gießnester der Stufe teil.The three stages are identically designed. The design of each stage is shown in Figure 3. Two channels 30A and 30B extend horizontally from the pouring shaft 28, which extend in extension from one another on either side of the pouring shaft 28. The stage further comprises two pouring nests 31 of elongated identical shape. Each nest, which extends on either side of the pouring shaft 28, is fed via three sprues. In the embodiment shown, a sprue 32A is provided for each nest on one side of the pouring shaft, while two sprues 32B are located on the other side. The three sprues 32A connect the pouring nests to the channel 30A, while the three sprues 32B connect the pouring nests to the channel 30B. Each channel 30A or 30B therefore connects the pouring shaft to all the sprues arranged on the same side of the pouring shaft 28 and therefore participates in feeding the two pouring nests of the stage.
Die Kanäle 30A und 30B besitzen einen relativ kleinen Querschnitt. Genauer gesagt, die Summe der Querschnittsflächen der Zwischenkanäle 30A, 30B einer Stufe liegt deutlich unter der Querschnittsfläche des Gießschachtes 28, beispielsweise unter 10 % des Gießschachtquerschnittes. Wenn die Kanäle einen veränderlichen Querschnitt besitzen, erfüllt ihr Eintrittsquerschnitt diese Bedingung.The channels 30A and 30B have a relatively small cross-section. More precisely, the sum of the cross-sectional areas of the intermediate channels 30A, 30B of a stage is significantly less than the cross-sectional area of the pouring shaft 28, for example less than 10% of the pouring shaft cross-section. If the channels have a variable cross-section, their inlet cross-section satisfies this condition.
Ferner ist die Summe der Querschnittsflächen der von dem gleichen Kanal beschickten Eingüsse mindestens so groß wie die Querschnittsfläche oder die Eintrittsquerschnittsfläche dieses Kanales.Furthermore, the sum of the cross-sectional areas of the inlets fed by the same channel is at least as large as the cross-sectional area or the inlet cross-sectional area of this channel.
Die vorstehend beschriebene Vorrichtung funktioniert wie folgt Im entfernten Zustand des Rahmens 3 von der Kammer 1 wird eine geeignete feuerfeste Dichtung 33 auf die Unterseite der Vertiefung 29 der Form 4 aufgebracht. Die Form 4, die in jedem Gießnest einen nicht gezeigten Kern aufweist, wird auf die Platte 26 aufgebracht und auf der Öffnung 27 derselben zentriert. Danach wird der Rahmen 3 auf den Schienen 19 über die das flüssige Gußeisen enthaltende Kammer 1 derart bewegt, daß sich das Mundstück 6 gegenüber der Vertiefung 29 der Gießform befindet. Der Stellzylinder 21 wird dann ausgefahren, um mit Hilfe der Platte 23 die Gießform 4 und deren Lager 26 gegen die von den Federn 25 ausgeübten Kräfte abzusenken. Durch diesen Vorgang wird die Dichtung 33 zwischen der Unterseite der Vertiefung 29 und dem Mundstück 6 zusammengepreßt und eine dichte Verbindung zwischen dem Gießschacht und dem Beschickungsrohr sichergestellt.The device described above functions as follows: With the frame 3 removed from the chamber 1, a suitable refractory seal 33 is applied to the bottom of the cavity 29 of the mold 4. The mold 4, which has a core (not shown) in each casting cavity, is placed on the plate 26 and centered on the opening 27 thereof. The frame 3 is then on the rails 19 over the chamber 1 containing the liquid cast iron in such a way that the mouthpiece 6 is located opposite the depression 29 of the casting mold. The actuating cylinder 21 is then extended in order to lower the casting mold 4 and its bearing 26 with the aid of the plate 23 against the forces exerted by the springs 25. This process compresses the seal 33 between the underside of the depression 29 and the mouthpiece 6 and ensures a tight connection between the casting shaft and the feed pipe.
Die Kammer 1 wird dann durch Betätigung der Vorrichtung 15 an die Druckquelle 13 angeschlossen. Der auf die freie Oberfläche des Gußeisens einwirkende Druck läßt dieses im Rohr 12 ansteigen. Das Gußeisen füllt den Gießschacht 28 der Gießform, die Kanäle 30A und 30B und die Gießnester 31. Der entsprechende Druck wird über eine Zeitdauer aufrechterhalten, die in Abhängigkeit von den Abmessungen und den Formen der herzustellenden Teile festgelegt ist. Der Gießschacht 28 spielt während dieser Zeitdauer die Rolle eines Speichers oder Speisers und versorgt die Gießnester mit zusätzlichem flüssigem Gußeisen, um Schrumpfungen zu kompensieren. Wenn sich danach die Eingüsse und die Zwischenkanäle verfestigen, wird der Gasdruck in der Kammer 1 durch Betätigung der Vorrichtung 15 auf atmosphärischen Druck vermindert, und das sich im Gießschacht 28 und im Rohr 12 befindende flüssige Gußeisen fällt wieder in die Kammer 1 zurück, wobei die beiden Leitungen evakuiert werden.The chamber 1 is then connected to the pressure source 13 by actuating the device 15. The pressure acting on the free surface of the cast iron causes it to rise in the tube 12. The cast iron fills the pouring shaft 28 of the mold, the channels 30A and 30B and the casting cavities 31. The corresponding pressure is maintained for a period of time determined depending on the dimensions and shapes of the parts to be manufactured. During this period, the pouring shaft 28 plays the role of a reservoir or feeder and supplies the casting cavities with additional liquid cast iron to compensate for shrinkage. When the sprues and the intermediate channels have subsequently solidified, the gas pressure in the chamber 1 is reduced to atmospheric pressure by actuating the device 15, and the liquid cast iron in the pouring shaft 28 and in the pipe 12 falls back into the chamber 1, whereby the two lines are evacuated.
Die Wirkung des Stellzylinders 21 wird dann aufgehoben, die Einheit Gießform-Lager 26 wird vom Mundstück 6 unter der Wirkung der Federn 25 entfernt, und die Rahmeneinheit 3 wird auf den Schienen 19 in Horizontalrichtung von der Kammer entfernt.The action of the actuating cylinder 21 is then released, the mold-bearing unit 26 is removed from the mouthpiece 6 under the action of the springs 25, and the frame unit 3 is removed from the chamber in the horizontal direction on the rails 19.
Infolge der vorstehend beschriebenen Dimensionierung der Kanäle 30A, 30B und die Zuführung einer geeigneten Gasmenge über die Leitung 14 steigt das flüssige Metall rasch im Gießschacht 28 auf, baut sich in den Kanälen einer jeden Stufe ein entsprechender metallostatischer Druck auf und werden die beiden Gießnester einer jeden Stufe über das entsprechende Paar der Kanäle 30A und 30B beschickt. Hierdurch können gleichzeitig sämtliche Gießnester aufgefüllt werden, und zwar unabhängig von deren Form. Des weiteren begrenzt die Enge der Zwischenkanäle die in diese hineinströmende Metallmenge, was einerseits zu einer besser gesteuerten Auffüllung, die ruhiger und für jedes Gießnest der unterschiedlichen Stufen reproduzierbar ist, und andererseits zu einer minimalen Metallverdrängung bei jedem Gießvorgang führt. Dies wird noch weiter verbessert durch die Entspannung des flüssigen Metalls bei seinem Eintritt in die Eingüsse, was aus der vorstehend erwähnten Dimensionierung derselben resultiert. Man erhält schließlich eine Verbesserung des Zustandes der gegossenen Teile.As a result of the dimensioning of the channels 30A, 30B described above and the supply of a suitable amount of gas via line 14, the liquid metal rises rapidly in the pouring shaft 28, a corresponding metallostatic pressure builds up in the channels of each stage and the two casting cavities of each stage are fed via the corresponding pair of channels 30A and 30B. As a result, all casting cavities can be filled simultaneously, regardless of their shape. Furthermore, the narrowness of the intermediate channels limits the amount of metal flowing into them, which on the one hand leads to better controlled filling, which is smoother and reproducible for each casting cavity of the different stages, and on the other hand to minimal metal displacement during each casting process. This is further improved by the relaxation of the liquid metal as it enters the sprues, which results from the dimensioning of the sprues mentioned above. This ultimately results in an improvement in the condition of the cast parts.
Der Effekt einer solchen Metallentspannung kann noch bei einer Variante durch einen sichelförmigen Querschnitt der Zwischenkanäle von stromauf nach stromab verbessert werden.The effect of such metal relaxation can be further improved in one variant by a sickle-shaped cross-section of the intermediate channels from upstream to downstream.
Die Verwendung der Zwischenkanäle als Verschlüsse verhindert jeglichen Rückfluß des stark abgekühlten Metalls in die Kammer, ohne den Wirkungsgrad zu reduzieren. Dies ist besonders vorteilhaft für die Reproduzierbarkeit der Gießbedingungen. Des weiteren wird das leicht abgekühlte Metall im Gießschacht beim nachfolgenden Gießen unter sämtlichen Gießnestern der Gießform verteilt.The use of the intermediate channels as closures prevents any backflow of the strongly cooled metal into the chamber without reducing the efficiency. This is particularly advantageous for the reproducibility of the casting conditions. Furthermore, the slightly cooled metal in the pouring shaft is distributed among all the casting cavities of the casting mold during subsequent pouring.
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