ES2214999T3 - Sistema de lanza de chorro coherente para expeler gas y polvo. - Google Patents
Sistema de lanza de chorro coherente para expeler gas y polvo.Info
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Abstract
Un método para suministrar polvo y gas, a un líquido, que comprende: (A) expulsar gas por una lanza (1) a través de una abertura (11) para gas en la cara (5) de la lanza, para formar una corriente (62) de gas; (B) expulsar una mezcla de polvo y de gas portador de la lanza a través de una abertura (20) para mezcla de polvo en la cara de la lanza, estando separada la citada abertura para mezcla de polvo de la abertura para gas, para formar una corriente (67) de mezcla de polvo; (C) formar una envoltura (63) de llama alrededor de la corriente de gas y de la corriente de mezcla de polvo; (D) hacer pasar la corriente (62) de gas y la corriente (67) de mezcla de polvo desde la cara de la lanza al líquido (65).
Description
Sistema de lanza de chorro coherente para expeler
gas y polvo.
Esta invención se refiere, generalmente, a la
tecnología de chorro coherente y, también, a la inyección de
polvo.
En el documento
US-A-4 426 224, se muestra una lanza
para el refinado de metal, que comprende una estructura de tubo
doble que consiste en un tubo interior para el paso de un polvo y un
gas portador en el cual se transporta el polvo, y un tubo exterior
para el paso de un gas de aceleración, para acelerar el polvo.
De acuerdo con el documento
US-A-5 366 537, se diseña un sistema
de lanza para emitir una corriente de polvo a través de una boquilla
central, así como una corriente anular de oxígeno. Con el fin de
separar las dos corrientes, se interpone una corriente de gas inerte
entre las dos corrientes.
Un avance significativo reciente en el campo de
la dinámica de gases, es el desarrollo de tecnología de chorro
coherente, que produce un chorro de gas, similar a un láser, que
puede viajar una larga distancia al mismo tiempo que sigue
manteniendo, sustancialmente, toda su velocidad inicial y con muy
poco incremento del diámetro de chorro. Un uso comercial muy
importante de la tecnología de chorro coherente es en la
introducción de gas en el interior de un líquido, tal como metal
fundido, con lo que la lanza de gas puede estar separada una gran
distancia de la superficie del líquido, permitiendo un
funcionamiento más seguro, así como más eficiente, debido a que
dentro del liquido penetra mucho más gas que lo que es posible con
la práctica convencional, en la cual mucho del gas se desvía en la
superficie del liquido y no entra en él. El documento
EP-A-0 918 093 muestra una
disposición para la inyección simultánea de una corriente de gas
coherente y de una corriente de polvo. En esta disposición, la
salida de la corriente de polvo está fuera de un anillo que formado
por pasajes de lanza, a través de los cuales se suministran
combustible gaseoso y oxidante, para formar la corriente de gas
coherente.
El documento
EP-A-0 866 138 también se refiere a
la inyección simultánea de una corriente de gas coherente y de una
corriente de polvo en un líquido. De acuerdo con este documento, la
corriente de gas coherente y la corriente de polvo se inyectan para
que entren en contacto entre sí angularmente, ligeramente por encima
de la superficie del líquido.
A menudo, en la práctica de los procedimientos
industriales tales como el refinado de metales, se desea inyectar
polvo en el líquido, por ejemplo, metal fundido. Tal inyección de
polvo se puede realizar, ya sea desde debajo o desde encima de la
superficie del líquido, aunque generalmente se prefiere la inyección
por encima de la superficie debido a que es inherentemente más fácil
y, generalmente, también es más segura. Típicamente, la inyección de
polvo por encima de la superficie se practica arrastrando polvo en
un gas portador y suministrando el gas portador desde un
dispositivo inyector al interior del líquido. Allí donde se utiliza
la tecnología de chorro coherente para proporcionar gas en un
líquido, la inyección de polvo también se puede practicar utilizando
el dispositivo inyector de polvo conocido.
Sería deseable utilizar la misma lanza para
generar el chorro de gas coherente y, también, para la práctica de
la inyección de polvo. Sin embargo, un sistema de este tipo no es
una combinación directa de los dos sistemas debido a que la práctica
próxima de estas dos tecnologías puede tener un efecto perjudicial
respecto a la eficacia de cada una de ellas.
Como consecuencia, es un objeto de esta invención
proporcionar un sistema en el que se puede utilizar con efectividad
una única lanza para practicar la tecnología de chorro coherente
para la inyección de gas en un líquido y también para practicar la
inyección de polvo para la provisión de polvo en el líquido.
El anterior, así como otros objetos, que
resultarán evidentes para los especialistas en la técnica con la
lectura de esta exposición, se consiguen por la presente invención,
un aspecto de la cual es:
Un método para suministrar polvo, así como gas, a
un líquido, que comprende:
- (A)
- expulsar gas de una lanza a través de una abertura para gas en la cara de la lanza, para formar una corriente de gas;
- (B)
- expulsar una mezcla de polvo y de gas portador de la lanza a través de una abertura para la mezcla de polvo en la cara de la lanza, estando separada la citada abertura para la mezcla de polvo de la abertura para gas, para formar una corriente de mezcla de polvo;
- (C)
- formar una envoltura de llama alrededor de la corriente de gas así como de la corriente de mezcla de polvo; y
- (D)
- hacer pasar la corriente de gas y la corriente de mezcla de polvo desde la cara de la lanza al líquido.
Otro aspecto de esta invención es:
Aparato para proporcionar polvo, así como gas, a
un líquido, que comprende:
- (A)
- una lanza que tiene una cara de lanza;
- (B)
- un pasaje para gas dentro de la lanza, comunicándose el citado pasaje para gas con una fuente de gas y comunicándose también con una abertura para gas en la cara de la lanza;
- (C)
- un pasaje para mezcla de polvo en el interior de la lanza, comunicándose el citado pasaje para mezcla de polvo con una fuente de polvo y con un gas portador, y comunicándose también con una abertura para la mezcla de polvo en la cara de la lanza, estando separada la citada abertura para la mezcla de polvo de la abertura para gas; y
- (D)
- medios para proporcionar combustible gaseoso y oxidante, que salen de la lanza en un anillo alrededor de la abertura para gas y de la abertura para la mezcla de polvo.
Como se usa en la presente memoria, la expresión
"chorro coherente", significa un chorro de gas que se forma
expulsando gas desde una boquilla y que tiene un perfil de velocidad
y de momento a lo largo de su longitud que es similar a su perfil de
velocidad y de momento después de la expulsión de la boquilla.
Como se usa en la presente memoria, el término
"anular" significa en forma de anillo.
Como se usa en la presente memoria, la expresión
"envoltura de llama" significa una corriente de combustión
anular sustancialmente coaxial con, al menos, una corriente de
gas.
Como se usa en la presente memoria, el término
"longitud", cuando se refiere a un chorro de gas coherente,
significa la distancia desde la boquilla desde la cual se expulsa el
gas al punto de impacto pretendido del chorro de gas coherente o
allí donde el chorro de gas cesa de ser coherente.
La figura 1 es una vista frontal de una
realización de una cara de lanza, y la figura 2 es un corte
transversal de una realización de una lanza que tiene una cara de
lanza de este tipo, que se puede utilizar en la práctica de esta
invención.
La figura 3 ilustra una realización de la
invención en funcionamiento, que muestra las distintas corrientes de
flujo y el pasaje en el líquido. Los números en los dibujos son los
mismos para los elementos comunes.
La figura 4 es una representación gráfica de los
resultados de prueba 1 generados en ejemplos de la invención y en
ejemplos comparativos.
La invención se describirá en detalle con
referencia a los dibujos.
Haciendo referencia a continuación a las figuras
1, 2 y 3, el gas pasa a través de un pasaje 60 para gas de una lanza
1, a continuación, a través de una boquilla 61, preferiblemente una
boquilla convergente/divergente, y a continuación sale de la lanza 1
a través de una abertura 11 para gas, para formar una corriente 62
en forma de chorro de gas coherente. Típicamente, la velocidad de la
corriente de gas se encuentra en el intervalo de 305 a 2438 m/s
(1000 a 8000 pies por segundo). Preferiblemente, la velocidad de la
corriente de gas es supersónica cuando se forma después de la
expulsión desde la cara de lanza y, también, cuando entra en
contacto con el líquido.
Se puede utilizar cualquier gas efectivo como gas
en la práctica de esta invención. Entre tales gases se pueden
nombrar el oxígeno, nitrógeno, argón, dióxido de carbono, hidrógeno,
helio, vapor de agua y gases de hidrocarburos. También se pueden
utilizar mezclas que comprendan dos o más gases, por ejemplo, aire,
como gas para la práctica de esta invención. Un gas particularmente
útil para empleo como gas en la practica de esta invención, es
oxigeno gaseoso, que se puede definir como un fluido que tiene una
concentración de, al menos, 25 por ciento molar.
El combustible gaseoso, tal como metano o gas
natural, se proporciona a través de la lanza 1 en un pasaje para
combustible gaseoso que se encuentra separado radialmente del pasaje
para gas. El combustible gaseoso sale de la lanza 1 preferiblemente
por la cara 5 de la lanza, como se muestra en la Figura 1, a través
de un anillo de orificios 9 que rodean la abertura 11 para gas. El
combustible gaseoso se proporciona fuera de la lanza 1 a una
velocidad que, preferiblemente, es menor que la velocidad del gas, y
que, generalmente, se encuentra en el intervalo de 30,5 a 305 m/s
(100 a 1000 fps) El combustible gaseoso útil en la práctica de esta
invención también puede incluir líquidos atomizados y material
pulverulento, tal como carbón pulverizado arrastrado en un gas.
El combustible gaseoso entra en combustión con el
oxidante para formar una envoltura 63 de llama, alrededor y a lo
largo de la corriente de gas, preferiblemente a todo lo largo del
chorro coherente 62. El oxidante puede ser aire, aire enriquecido en
oxígeno que tenga una concentración de oxígeno que supere a la del
aire, u oxígeno comercial con una concentración de oxígeno de, al
menos, 99 por ciento molar. Preferiblemente, el oxidante es un
fluido con una concentración de oxígeno de, al menos, 25 por ciento
molar. El oxidante puede suministrarse para la combustión con el
combustible gaseoso de cualquier manera efectiva. Una realización
preferida, que se ilustra en la figura 1, incluye proporcionar el
oxidante a través de un pasaje en el interior de la lanza 1, y
expulsarlo, a continuación, de la lanza 1 a través de un anillo de
orificios 10, que rodean a la abertura 11 para gas, preferiblemente
más separada de la abertura 11 para gas de lo que se encuentra el
anillo de orificios 9. Esto hace que el combustible gaseoso y el
oxidante interactúen y entren en combustión para formar la envoltura
63 de llamas, después de sus expulsiones respectivas desde la lanza
1.
La envoltura 63 de llamas alrededor de la
corriente de gas principal sirve para evitar que el gas ambiente sea
arrastrado en la corriente de gas 62, con lo cual se mantiene la
velocidad de la corriente de gas 62 para que no disminuya
significativamente y se mantenga el diámetro de la corriente 62 de
gas para que no se incremente significativamente durante la longitud
deseada de la corriente de gas, hasta que la corriente de gas
alcance el punto de impacto deseado, tal como la superficie 64 de
una masa de metal fundido 65. Esto es, la envoltura de llamas sirve
para establecer y mantener la corriente de gas 62 como un chorro
coherente en toda su longitud.
El pasaje 60 para gas dentro de la lanza 1 se
comunica con una fuente de gas que permite que el gas entre en el
pasaje para gas y circule por él saliendo de la lanza 1 en la cara
5 de lanza a través de la abertura 11 para gas, para formar la
corriente de gas. También, hay una abertura 20 para mezcla de polvo
en la cara 5 de lanza. Un pasaje 66 para mezcla de polvo dentro de
la lanza 1 se comunica con una fuente de mezcla de polvo y permite
que la mezcla de polvo fluya a través del pasaje para mezcla de
polvo y salga de la lanza 1 en la cara 5 de lanza a través de la
abertura 20 para mezcla de polvo, para formar la corriente 67 de
mezcla de polvo. La corriente 62 de gas así como la corriente 67 de
mezcla de polvo se encuentran contenidas en la envoltura 63 de llama
generada por la combustión de combustible gaseoso y de oxidante. La
corriente 62 de gas y la corriente 67 de mezcla de polvo
preferiblemente continúan como corrientes discretas, hasta que cada
una de ellas entre en contacto con el objetivo, por ejemplo, la
superficie del líquido.
El punto central de la abertura 11 para gas puede
coincidir con el punto central de la cara 5 de lanza. Sin embargo,
preferiblemente, la abertura 11 para gas está desplazada en la cara
de lanza 5 de manera que la abertura para gas se encuentre
completamente dentro de medio círculo de la cara de lanza, esto es,
el perímetro de la abertura para gas pasa a través del punto central
de la cara de lanza o se encuentra completamente entre el punto
central de la cara de lanza y el perímetro de la cara de lanza. Esta
última disposición se ilustra en la figura 1. La abertura para la
mezcla de polvo está separada de la abertura para gas en la cara de
lanza. Con el término "separado", se quiere decir que tiene un
perímetro adyacente al perímetro de la abertura para gas, o una
distancia, tal como la distancia L que se muestra en la figura 1,
del mismo.
La figura 2 ilustra una disposición preferida
para proporcionar la mezcla de polvo a la lanza. Los orificios para
la cubierta de llamas que se muestran en la figura 1 no se muestran
en la figura 2. Haciendo referencia a continuación a la figura 2, se
proporciona al tubo interior 41 una mezcla 40 de polvo y gas
portador. Típicamente, el polvo se toma de una tolva, u otro medio
de almacenamiento, y está motivado por una cantidad relativamente
pequeña de gas portador, típicamente aproximadamente 5,66 m^{3}/h
(200 pies cúbicos por hora) (a 15,6ºC (60ºF) y 1 atmósfera). El gas
portador, preferiblemente, es gas nitrógeno o aire, pero puede ser
otro gas, o mezcla de gases, tal como oxígeno, metano, gas natural,
helio, dióxido de carbono o argón.
Entre los muchos polvos que se pueden utilizar en
la práctica de esta invención se pueden nombrar los materiales
carbonosos, tales como el carbono, carbón y coque, sílice, magnesia,
carburo de calcio, carbonatos de calcio, oxido de calcio (cal),
polvos de horno y minerales pulverulentos.
Un gas portador 42 adicional, que preferiblemente
es el mismo que el gas utilizado como gas portador de la corriente
40, preferiblemente se proporciona al tubo exterior 43, en el que se
desemboca el tubo interior 41, como gas de aceleración para acelerar
la mezcla de polvo. El tubo exterior 43 se comunica con el pasaje 66
para mezcla de polvo de la lanza 1, a través del cual circula la
corriente de mezcla de polvo para la expulsión última de la lanza a
través de la abertura 20 para mezcla de polvo.
Los siguientes resultados de pruebas se
proporcionaron para ilustrar adicionalmente la invención. Los
ejemplos, y los ejemplos comparativos, se presentan con propósitos
de ilustración y no se pretende que sean limitativos. Los ejemplos
de la invención se realizaron utilizando equipos similares al que se
ilustra en las figuras 1 y 2. La boquilla para el gas era una
boquilla convergente/divergente, con un diámetro de garganta de 1,40
cm (0,55 pulgadas) y un diámetro de salida en la abertura para el
gas de 2,01 cm (0,79 pulgadas). El punto central de la abertura para
el gas estaba separado 2,22 cm (0,875 pulgadas) del punto central de
la cara de lanza y el punto central de la abertura para la mezcla de
polvo era el mismo que el punto central de la cara de lanza. El gas
era oxígeno gaseoso con una concentración de oxígeno de,
aproximadamente, 100 por ciento molar, y fue expulsado de la lanza a
través de la abertura para el gas con un caudal de 1132,7 m^{3}/h
(40.000cfh), con una presión de suministro de 1135 kPa (150 psig),
para formar la corriente de gas como un chorro de gas coherente. El
combustible gaseoso era gas natural suministrado a través del anillo
más interior de 16 orificios, teniendo cada uno de ellos un diámetro
de 0,39 cm (0,154 pulgadas) en un círculo de diámetro de 6,35 cm
(2,5 pulgadas) en la cara de lanza, con un caudal de
141,6 m^{3}/h (5.000 cfh). El oxidante que entra en combustión con el combustible gaseoso para formar la envoltura de llama, era un fluido que tenia una concentración de oxigeno de, aproximadamente, 100 por cien molar y se suministró a través del anillo más exterior de 16 orificios, teniendo cada uno de ellos un diámetro de 0,51 cm (0,199 pulgadas) en un círculo con un diámetro de 7,62 cm (3,0 pulgadas)en la cara de lanza, con un caudal de 113,3 m^{3}/h (4000 cfh) La lanza también tenía una prolongación 68 de 5,1 cm (2 pulgadas) de longitud en su periferia, para apantallar los gases en su expulsión de la lanza. El chorro de gas coherente tenía una velocidad supersónica de, aproximadamente, 518,2 m/s (1.700 pies por seg.). El perímetro de la abertura de gas estaba separado 0,20 cm (0,08 pulgadas) del perímetro de la abertura para la mezcla de polvo. El diámetro de la abertura para el gas era de 2,01 cm (0,79 pulgadas) y el diámetro de la abertura para la mezcla de polvo era de 2,04 cm (0,805 pulgadas). El polvo para esta prueba era de cáscaras de nuez trituradas y el gas portador y el gas portador adicional utilizado como gas de aceleración fueron, ambos, gas nitrógeno. El polvo se proporcionó con un caudal de, aproximadamente, 6,8 kg (15 libras) por minuto.
141,6 m^{3}/h (5.000 cfh). El oxidante que entra en combustión con el combustible gaseoso para formar la envoltura de llama, era un fluido que tenia una concentración de oxigeno de, aproximadamente, 100 por cien molar y se suministró a través del anillo más exterior de 16 orificios, teniendo cada uno de ellos un diámetro de 0,51 cm (0,199 pulgadas) en un círculo con un diámetro de 7,62 cm (3,0 pulgadas)en la cara de lanza, con un caudal de 113,3 m^{3}/h (4000 cfh) La lanza también tenía una prolongación 68 de 5,1 cm (2 pulgadas) de longitud en su periferia, para apantallar los gases en su expulsión de la lanza. El chorro de gas coherente tenía una velocidad supersónica de, aproximadamente, 518,2 m/s (1.700 pies por seg.). El perímetro de la abertura de gas estaba separado 0,20 cm (0,08 pulgadas) del perímetro de la abertura para la mezcla de polvo. El diámetro de la abertura para el gas era de 2,01 cm (0,79 pulgadas) y el diámetro de la abertura para la mezcla de polvo era de 2,04 cm (0,805 pulgadas). El polvo para esta prueba era de cáscaras de nuez trituradas y el gas portador y el gas portador adicional utilizado como gas de aceleración fueron, ambos, gas nitrógeno. El polvo se proporcionó con un caudal de, aproximadamente, 6,8 kg (15 libras) por minuto.
Con el fin de medir la capacidad del suministro
de polvo, se dispuso un colector que tenía una abertura con un
diámetro de 20,3 cm (8 pulgadas), a una distancia de 1,2 m (4 pies)
de la cara de la lanza y se midió la eficiencia de recogida
(relación entre la cantidad de polvo recogido respecto a la cantidad
expulsada) para distintos caudales totales del gas de nitrógeno y
los resultados se muestran en la figura 4 como curva A. En la figura
4, la eficiencia de recogida se mide en el eje vertical y el caudal
total de gas de nitrógeno se mide en el eje horizontal.
Con propósitos de comparación, se utilizó una
disposición de inyección de polvo convencional en conjunto con una
lanza de chorro coherente, en la que la boquilla del inyector de
polvo estaba separada
27,9 cm (11 pulgadas) de la boquilla de chorro coherente con un ángulo de 11,4 grados, de forma que el chorro coherente y la corriente de mezcla de polvo convergían justo antes de la boca del colector. En este ejemplo comparativo, el caudal de polvo fue de
5,0 kg (11 libras) por minuto, la abertura para gas estaba centrada en la cara de la lanza del chorro coherente, y los anillo de orificios para gas natural y oxidante de la cara de la lanza del chorro coherente estaban en círculos con un diámetro de 5,08 cm (2,0 pulgadas) y 6,99 cm (2,75 pulgadas), respectivamente. Se midió la eficiencia de recogida para varios caudales de gas de aceleración y los resultados se indican en la figura 4 como curva B. Como se puede apreciar en estos resultados de pruebas, la invención permite suministrar con efectividad a un objetivo, un porcentaje de polvo significativamente mayor que el que es posible con la práctica convencional.
27,9 cm (11 pulgadas) de la boquilla de chorro coherente con un ángulo de 11,4 grados, de forma que el chorro coherente y la corriente de mezcla de polvo convergían justo antes de la boca del colector. En este ejemplo comparativo, el caudal de polvo fue de
5,0 kg (11 libras) por minuto, la abertura para gas estaba centrada en la cara de la lanza del chorro coherente, y los anillo de orificios para gas natural y oxidante de la cara de la lanza del chorro coherente estaban en círculos con un diámetro de 5,08 cm (2,0 pulgadas) y 6,99 cm (2,75 pulgadas), respectivamente. Se midió la eficiencia de recogida para varios caudales de gas de aceleración y los resultados se indican en la figura 4 como curva B. Como se puede apreciar en estos resultados de pruebas, la invención permite suministrar con efectividad a un objetivo, un porcentaje de polvo significativamente mayor que el que es posible con la práctica convencional.
Aunque la invención se ha descrito en detalle con
referencia a ciertas realizaciones preferidas, los especialistas en
la técnica reconocerán que son posibles otras realizaciones de la
invención dentro del alcance de las reivindicaciones.
Claims (10)
1. Un método para suministrar polvo y gas, a un
líquido, que comprende:
- (A)
- expulsar gas por una lanza (1) a través de una abertura (11) para gas en la cara (5) de la lanza, para formar una corriente (62) de gas;
- (B)
- expulsar una mezcla de polvo y de gas portador de la lanza a través de una abertura (20) para mezcla de polvo en la cara de la lanza, estando separada la citada abertura para mezcla de polvo de la abertura para gas, para formar una corriente (67) de mezcla de polvo;
- (C)
- formar una envoltura (63) de llama alrededor de la corriente de gas y de la corriente de mezcla de polvo;
- (D)
- hacer pasar la corriente (62) de gas y la corriente (67) de mezcla de polvo desde la cara de la lanza al líquido (65).
2. El método de la reivindicación 1, en el que la
corriente de gas (62) y la corriente (67) de mezcla de polvo
permanecen formando corrientes distintas desde la cara (5) de la
lanza hasta el líquido (65).
3. El método de la reivindicación 1, en el que la
envoltura (63) de llama se forma proporcionando combustible gaseoso
y oxidante en corrientes anulares separadas que salen de la cara (5)
de la lanza, y a continuación haciendo entrar en combustión el
combustible gaseoso y el oxidante.
4. El método de la reivindicación 1, en el que el
gas es oxígeno gaseoso.
5. El método de la reivindicación 1, en el que la
corriente (62) de gas tiene una velocidad supersónica desde la cara
(5) de la lanza al líquido (65).
6. El método de la reivindicación 1, en el que el
polvo comprende material carbonoso.
7. El método de la reivindicación 1, en el que el
gas portador es gas nitrógeno.
8. Aparato para proporciona polvo y gas a un
líquido que comprende:
- (A)
- una lanza (1) que tiene una cara (5) de lanza;
- (B)
- un pasaje (60, 61) para gas en el interior de la lanza, comunicándose el citado pasaje para gas con una fuente de gas y comunicándose también con una abertura (11) para gas de la cara de la lanza.
- (C)
- un pasaje (66) para mezcla de polvo en el interior de la lanza, comunicándose el citado pasaje para mezcla de polvo con una fuente de polvo y un gas portador, y comunicándose también con una abertura (20) para mezcla de polvo en la cara de la lanza, estando separada la citada abertura para mezcla de polvo de la abertura para gas;
- (D)
- medios (9, 10) para proporcionar combustible gaseoso y oxidante que salen de la lanza en un anillo alrededor de la abertura para gas y de la abertura para mezcla de polvo.
9. El aparato de la reivindicación 8, en el que
los medios para proporcionar combustible gaseoso y oxidante desde la
lanza en un anillo alrededor de la abertura para gas y de la
abertura para mezcla de polvo, comprenden un primer anillo de
orificios (9) conectado a una fuente de combustible gaseoso y un
segundo anillo de orificios (10) conectado a una fuente de
oxidante.
10. El aparato de la reivindicación 8, en el que
el pasaje para gas comprende una boquilla (61) convergente /
divergente.
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