JP2013253883A - 装入物表面のプロフィール測定装置及び測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高炉や貯蔵庫等の設備に挿入された各種装入物の表面のプロファイルを瞬時に面状または線状に測定できるとともに、測定中でも装入操作が可能で、測定したプロフィールに応じて迅速な装入操作を可能にする。
【解決手段】一つの面に、検出媒体を送信するための一つ以上の送信部と、検出媒体を受信するための複数の受信部とを面状もしくは線状に配置した気密構造の容器と、送信部に接続して検出媒体の送信を制御する送信手段と、個々の受信部にそれぞれ接続し、受信信号をレーダイメージング処理手段に送る受信手段と、受信手段に接続するレーダイメージング処理手段とを備え、設備の頂部近郊に設けられた単一の開口に、送信部及び受信部が装入物を向くように容器を気密に取り付けるともに、送信部から送信され、装入物で反射された検出媒体を受信部で受信し、受信信号をレーダイメージング処理手段にて処理する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高炉内の鉄鉱石やコークス、転炉内の溶鋼、ホッパー内の石炭、焼却炉内のゴミ、サイロ等の貯蔵庫内の穀物類等、設備に装入された各種装入物の表面のプロフィールを、マイクロ波や音波、光等の検出媒体で測定する方法、並びにそのための装置に関する。

従来から、設備に装入された装入物に向けてマイクロ波や音波、光等の検出媒体を送信し、装入物の表面で反射された検出媒体を受信し、受信信号を解析して装入物表面のプロフィールを測定することが行われている。中でもマイクロ波は、高温の装入物や、水蒸気が存在するような環境にも適用できることから、例えば高炉内の鉄鉱石やコークスの表面プロフィールの測定に好適である。

高炉では、通常、炉頂から鉄鉱石とコークスを交互に装入し、炉頂部での装入物の表面プロフィールが蟻地獄の如き逆錘状になるように装入操作を行う。このような高炉では、適正な装入物分布を形成することにより、炉内のガス流れが安定し、燃料費低減や炉体の長寿命化が可能となる。

適正な装入物分布制御を行うためには、装入物の表面プロフィールを短時間で正確に測定し、炉況の変化に対応して適正な原料装入調整を行う必要がある。表面プロフィールの測定方法として従来では、図９に示すように、炉１を貫通して炉内に挿入されるランス１０の先端に装着したアンテナ１１から装入物２０の表面に向けてマイクロ波Ｍ１を発射し、装入物２０の表面からの反射マイクロ波Ｍ２をアンテナ１１で受信し、ミキシングして得られるビート波の周波数により、アンテナ１１から装入物２０の表面までの距離を測定する方法が一般的であり、ランス１０を移動させながら測定することにより装入物２０の表面プロフィールを求めている（例えば、非特許文献１参照）。

しかしながら、ランス１０は炉の内径ほどの長さが必要であり、長尺で、高荷重でもあるため、炉内に長く挿入しておくと自重により垂れ下がって炉から抜けなくなり、移動の際のストロークも大きいため炉外に大きなスペースが必要になる。また、ランス１０を移動させるための駆動装置が別途必要になるが、ランス１０は長尺であるため駆動装置もそれなりに大型になる。更には、プロフィール測定中は、装入操作を行うことができず、測定したプロファイルに応じた迅速な装入操作ができない。

「製鉄研究」第３１７号、第３〜１６頁

そこで本発明は、高炉や貯蔵庫等の設備に挿入された各種装入物の表面のプロファイルを瞬時に面状または線状に測定できるとともに、測定中でも装入操作が可能で、測定したプロフィールに応じて迅速な装入操作を可能にした測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、下記に示す炉の装入物表面のプロフィール測定装置及び測定方法を提供する。
（１）設備内に装入された装入物に向けて検出媒体を送信し、装入物の表面で反射された検出媒体を受信して装入物表面のプロフィールを測定する装置であって、
一つの面に、検出媒体を送信するための一つ以上の送信部と、検出媒体を受信するための複数の受信部とを面状もしくは線状に配置した容器と、
前記送信部に接続して検出媒体の送信を制御する送信手段と、
個々の前記受信部にそれぞれ接続し、受信信号をレーダイメージング処理手段に送る受信手段と、
前記受信手段に接続する前記レーダイメージング処理手段とを備え、
設備の頂部近郊に設けられた単一の開口に、前記送信部及び前記受信部が装入物を向くように、前記容器を取り付けるともに、
前記送信部から送信され、装入物で反射された検出媒体を前記受信部で受信し、受信信号を前記レーダイメージング処理手段にて処理して装入物表面のプロフィールを面状または線状に測定することを特徴とする装入物表面のプロフィール測定装置。
（２）前記容器の外部に前記送信手段、前記受信手段及び前記レーダイメージング処理手段が配置されていることを特徴とする上記（１）記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（３）前記送信部及び前記受信部を覆い、前記開口の開閉を兼ねる蓋部材を備えることを特徴とする上記（１）または（２）に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（４）前記蓋部材が、設備の水平方向に移動するスライドバルブであることを特徴とする上記（３）記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（５）前記蓋部材が、設備の軸線方向に回動するスイングバルブであることを特徴とする上記（３）記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（６）前記容器が昇降可能であり、かつ、
測定時には、前記蓋部材が前記開口を開放するとともに、前記送信部及び前記受信部が測定位置になるように前記容器が降下し、
非測定時には、前記容器が上昇して前記蓋部材により前記開口を閉鎖することを特徴とする上記（３）〜（５）の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（７）前記検出媒体がマイクロ波、音波または光であることを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（８）前記検出媒体がマイクロ波であり、マイクロ波の送信手段と送信アンテナ、受信手段と受信アンテナとをそれぞれ導波管を介して接続するとともに、前記導波管を前記容器に収容し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナ面のみを露出して該容器に取り付けたことを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか１項に記載のプロフィール測定装置。
（９）前記送信アンテナ、前記受信アンテナ及び前記導波管がガスパージされることを特徴とする上記（８）記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（１０）前記導波管の送信手段及び前記受信手段との接続部分に、マイクロ波透過性材料からなる栓部材が配設されていることを特徴とする上記（８）または（９）に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（１１）鉄鉱石、コークスの表面プロフィールを測定するために使用されることを特徴とする上記（８）〜（１０）の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
（１２）設備内に装入された装入物に向けて検出媒体を送信し、装入物の表面で反射された検出媒体を受信して装入物表面のプロフィールを測定する方法であって、
上記（１）〜（１１）の何れか１項に記載の装置を用い、送信部から検出媒体を装入物に向けて送信し、該装入物の表面で反射された検出媒体を受信部で受信して、その受信信号をレーダイメージング処理して装入物表面のプロフィールを面状または線状に測定することを特徴とする装入物表面のプロフィール測定方法。

本発明によれば、炉に装入された装入物の表面のプロフィールを全面にわたり測定でき、プロフィール測定中でも装入操作が可能で、かつ測定したプロフィールに応じて迅速な装入操作も可能となる。また、装置全体の小型軽量化を図ることができ、保守作業を安全に行うこともできる。

本発明に係るプロフィール測定装置の測定部を示す基本構成図である。 アンテナ及びターゲットの座標を説明するための図である。 プロフィール測定装置の一例を示す概念図であり、測定時における各構成部材の配置を示す図である。 図３に示すプロフィール測定装置の非測定時における各構成部材の配置を示す図である。 プロフィール測定装置の他の例を示す概念図であり、測定時における各構成部材の配置を示す図である。 図５に示すプロフィール測定装置の非測定時における各構成部材の配置を示す図である。 プロフィール測定装置の更に他の例を示す概念図であり、測定時における各構成部材の配置を示す図である。 図７に示すプロフィール測定装置の非測定時における各構成部材の配置を示す図である。 従来のプロフィール測定装置の一例を示す図である。

以下、本発明に関して、検出媒体としてマイクロ波を用い、高炉内の鉄鉱石やコークスの表面プロフィールを測定する場合を例示して詳細に説明する。

図１は、本発明に従い装入物表面のプロフィールを測定するために使用されるプロフィール測定装置の測定部を示す基本構成図である。図示されるように、測定部１００は送信部１０１と受信部１０２とを備え、送信部１０１に接続する単一の送信アンテナ１１０から炉内の装入物（図示せず）に向けてマイクロ波Ｍ１を送信し、装入物で反射された反射マイクロ波Ｍ２を、複数の受信アンテナ１２０で同時に受信する。

尚、受信アンテナ１２０は、図示されるように面状に配列してもよいし、線状に配列してもよい。面状に配列した場合は装入物表面のプロフィールを面状に測定することができ、線状に配列した場合は装入物表面のプロフィールを線状に測定することができる。また、受信アンテナ１２０の数は制限されるものではなく、炉の直径、即ち装入物の面積にもよるが、プロフィールの解像度を考慮すると、一辺当たり４つ以上が好ましい。受信アンテナ同士の間隔Ｄは、狭いほどより広範囲に渡りプロフィールを測定することができる。１／２波長（送受信アンテナを共有する場合は、１／４波長）で±９０°である。また、受信アンテナをより広い面積に配置するとプロフィールの解像度が向上する。更に、複数の受信アンテナ１２０が正方形状に配置されているが、円形や、その他任意の形状に配置されていてもよい。

また、送信アンテナ１１０と受信アンテナ１２０は、送信アンテナ１１０を中心とし、その周囲に複数の受信アンテナ１２０を配置しているが、複数の受信アンテナ１２０を配置した受信アンテナ群の横に、送信アンテナ１１０を配置することもできる。更に、送信アンテナ１１０を複数用い、各送信アンテナ１１０から同一特定のマイクロ波Ｍ１を、同時に送信することもできる。

更には、複数の受信アンテナ１２０は、全てが同一である必要はないが、異なる受信アンテナ１２０を用いる場合は、それぞれの受信信号を、受信アンテナ１２０の受信感度等で補正する必要がある。

送信アンテナ１１０から送信されるマイクロ波Ｍ１は、制御部１３０の周波数制御手段１３１からの制御信号１３２で制御され、所定の周波数及び出力で送信される。また、送信信号１３３の一部は、受信アンテナ１２０で受信された、それぞれの反射マイクロ波Ｍ２の受信信号１３４とミキシングされ、そのビート信号１３５がレーダイメージング処理手段１３６に送られる。レーダイメージング処理手段１３６では、下記に示す処理が行われる。

まず、ＦＭＣＷレーダの測距原理について説明すると、信号源の振幅をＡ、周波数をｆ，光速をｃとしたとき、送信波は（１）式で表される。ただし、ｒはレンジ（距離）軸を表す変数である。

また、ｋ番目のターゲットのｒ軸上における位置をｄ_ｋ、反射係数の大きさと位相をそれぞれγ_ｋ、Φ_ｋとすると、そのターゲットからの反射波は（２）式のように表すことができる。

周波数ｆの範囲は有限であるから、その中心をｆ_０、幅をｆ_Ｗとすると、（３）式となる。

また、ｆ_ｄが時間に対して直線的に変化する場合（リニアＦＭ）、送信波と反射波のミキシングによって得られるビート信号Ｐ（ｆ_ｄ）は、時間変数を除去して周波数変化ｆ_ｄの関数で表すことができ、（４）式となる。

そして、ビート信号Ｐ（ｆ_ｄ）をフーリエ変換することにより、距離スペクトルを求めることができる。フーリエ変換公式は（５）式であり、（ω／２π）を（２ｒ／ｃ）に、ｆ（ｔ）をＰ（ｆ_ｄ）に置き換えると、（６）式の距離スぺクトルＰ（ｒ）が得られる。

レーダイメージング処理では、図２に示すように、送信アンテナ１１０の座標を原点（０，０，０）とし、ある位置に置かれた受信アンテナ１２０の座標を（ｘ、ｙ、０）とし、（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）の位置にあるターゲットの反射係数ｇ（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）とすると、距離スペクトルＰはｒ＞０に限定すれば、（６）式の第２項より（７）式となる。尚、本質的な影響はないためＡ^２ｆ_ｗ＝１とした。

ターゲットはある空間的な広がりを持つため、距離スペクトルＰは（７）式を３次元で積分して、（８）式が得られる。

また、（９）式より（１１）式が得られる。

（８）式において、ターゲットが存在する距離ｒ＝ｒ_０ではＳａ（・）＝１、ｒ≠ｒ_０では｜Ｓａ（・）｜＜ １であるから、距離スペクトルを（１２）式のように近似することができる。

（１２）式 の右辺は関数ｇとｈの畳み込み積分の形であるから、反射係数の分布ｇ（ｘ_０、ｙ_０、ｚ_０）、すなわち３次元 イメージを（１４）式から求めることができる。尚、Ｌ_ｘ，Ｌ_ｙはｘ、ｙ方向の受信アンテナ１２０の走査範囲である。

各受信アンテナ１２０からの受信信号１３４を基に上記一連の処理をレーダイメージング処理手段１３６で行うことにより、装入物表面のプロフィールを面状または線状に、瞬時に測定することができる。尚、受信アンテナ１２０は、より広範囲の反射マイクロ波Ｍ２を受信できるように、アンテナ面の口径が狭いものが好ましい。送信アンテナ１１０も、広範囲にマイクロ波Ｍ１を送信できるように、アンテナ面の口径が狭いものが好ましい。

測定部１００は、図３に示すように、炉１の頂部近傍に設けられた開口５０の上方（炉内とは反対側の空間）に、送信アンテナ１１０及び受信アンテナ１２０が炉内を向くように、容器２００ごと配設される。送信アンテナ１１０は送信導波管１５０を介して送信部１０１に接続され、受信アンテナ１２０は受信導波管１６０を介して受信部１０２に接続されている。尚、送信部１０１と送信導波管１５０との接続部、受信部１０２と受信導波管１６０との接続部に、フッ素樹脂製の栓部材１７０を介在させることもできる。栓部材１７０により、炉内から送信アンテナ１１０や受信アンテナ１２０から入り込んだ粉塵が、送信導波管１５０や受信導波管１６０を通じて送信部１０１や受信部１０２に侵入するのを防止することができるとともに、炉内の高圧環境と炉外とを遮断することができる。

送信導波管１５０及び受信導波管１６０は、金属製の容器２００に収容される。この容器２００は気密構造であり、図３のＡ部分（容器２００を炉内側から見た図である）に示すように、容器２００の底面２０１に送信アンテナ１１０及び受信アンテナ１２０のアンテナ面と同形の開口２０５，２０６が開口しており、送信アンテナ１１０または受信アンテナ１２０のアンテナ面を収容し、開口２０５，２０６とアンテナ面との隙間をシールして構成される。

また、送信導波管１５０及び受信導波管１６０にガス取入口２１０を設けて窒素ガス等を供給して（ここでは、受信導波管１６０にガス取入口２１０を設けている）、ガスパージしてもよい。上記したように、送信アンテナ１１０及び受信アンテナ１２０は口径の小さいものを使用でき、炉内からの粉塵が入り難くなっているが、ガスパージすることにより粉塵の侵入をより確実に防止することができ、更には管内を清浄にしてマイクロ波の送受信を良好にすることができる。また、炉内からの熱気の流入も防ぐことができる。

尚、図示は省略するが、容器２００でも同様のガスパージを行うことで、炉からの熱が測定部１３０に伝達されるのを防ぐことができる。

このような構成によれば、制御部１３０は容器２００の上方に配置されるため、制御部１３０を構成する各種電子部品を炉内の高温から保護することができる。

また、容器２００は、昇降装置２２０により、開口５０の内部を昇降する。容器２００の周囲を金属ベローズ２３０で包囲し、金属ベローズ２３０の上端を容器２００のフランジ２０７に、金属ベローズ２３０の下端を開口５０の上縁５１に固定することにより、炉内からの高圧ガスが炉外に漏れることを防止することができる。

更に、容器２００の側部には、スライドバルブ２５０が配設されている。スライドバルブ２５０の蓋部材２５１は平板で、容器２００の底面２０１の面積よりも広く、かつ、開口５０を塞ぐ面積を有しており、図中水平方向に移動する。

図３は、測定時における測定部１００や容器２００等の構成部材の配置を示す図であるが、先ず、スライドバルブ２５０の蓋部材２５１を図中右側に水平移動して開口５０を開放する。その状態で、昇降装置２２０を稼動して、容器２００を、底面２０１が測定位置に来るように降下させる。尚、測定位置は、底面２０１が開口５０と同一面、もしくは炉内側に若干突出する位置であり、反射マイクロ波Ｍ２が開口５０の周端で遮断されたり、開口５０の内周面（炉１の厚み部分）で反射されてノイズとなって混入するのを防止できる。

次いで、送信アンテナ１１０からマイクロ波Ｍ１を送信し、炉内の装入物からの反射マイクロ波Ｍ２を受信アンテナ１２０で受信する。そして、受信信号に基づき、レーダイメージング処理手段１３６にて上記の処理を行うことにより、装入物表面のプロフィールが測定される。

図４は、図３に示したプロフィール測定装置の非測定時における構成部材の配置を示す図であるが、上記のように測定した後、昇降装置２２０を稼動して容器２００を、底面２０１がスライドバルブ２５０の蓋部材２５１の位置よりも上方になるように上昇させる。そして、スライドバルブ２５０を稼動して、蓋部材２５１が容器２００の底面２０１を覆い、開口５０を閉鎖する位置まで図中左側に水平移動させる。

そして、図４に示す状態のまま、次の測定まで待機する。

尚、図示は省略するが、スライドバルブを２段積み重ねて配設することもできる。そして、容器を測定位置まで降下させる際に、上側のスライドバルブを開き、容器の底面が下側のスライドバルブの蓋部材よりも若干上方で一旦停止させ、停止の間に下側のスライドバルブを開いて本来の測定位置まで降下させる。一方、測定が終わった後には、容器を上昇させて、容器の底面が下側のスライドバルブの蓋部材よりも若干上方で一旦停止させ、停止の間に下側のスライドバルブを閉鎖した後、容器が上側のスライドバルブの蓋部材よりも上方に位置するように再度上昇させ、その後上側のスライドバルブを閉鎖する。このようにスライドバルブを２段重ねにすることにより、高炉の操業中でも安全に高炉と測定装置とを遮断でき、測定装置をメンテナンスすることができる。

本発明では更に変更可能であり、図５に示すように、金属ベローズ２３０に代えてシール２３５を用いることができる。このシール２３５は、容器２００の外周面と接し、容器２００が昇降した際に外周面上を摺動して気密性を確保する。

尚、測定時及び非測定時における、シール２３５以外の構成部材の配置や動作は、図３及び図４に示したとおりである。

また、スライドバルブ２５０に代えて、スイングバルブを用いることもできる。図７に示すように、スイングバルブ２６０では、蓋部材２６１が回動軸１６２を中心に、炉１の軸線方向（図中の上下方向）に回動する。また、蓋部材２６１は、容器２００の形状に合わせて、断面コ字状に成形されている。

図７は測定時の状態を示すが、蓋部材２６１が炉内側に垂下して開口５０が開放され、非測定時には図８に示すように、蓋部材２６１が容器側に回動して、容器２００の底面２０１及び下部を包囲する。

尚、図８に示すように、非測定時に蓋部材２６１が開口５０よりも上方に位置するように、容器２００の底面２０１が図３に示す位置よりも上方に位置している。本例では、容器２００は固定され、昇降装置２２０は不要であるが、測定位置を図３に示すように開口５０と同一面、もしくは若干突出される場合には、昇降装置２２０を用いて容器２００を降下させる。

以上、本発明に関してマイクロ波により鉄鉱石やコークスの表面プロフィールを測定することを例示したが、検出媒体としてマイクロ波の他にも音波や光を用いて同様に測定することもできる。音波を用いる場合は、送信アンテナの代わりにスピーカを用い、受信アンテナの代わりにマイクロフォンを用いればよい。但し、導波管１５０，１６０は使用されず、送信手段や受信手段とは電線での接続になる。また、光を用いる場合は、送信アンテナの代りに発光素子を用い、受信アンテナの代わりに受光素子を用い、導波管の代りに光ファイバ等のオプティカルガイドを用いればよい。

１ 炉
５０ 開口
１００ 測定部
１０１ 送信部
１０２ 受信部
１１０ 送信アンテナ
１２０ 受信アンテナ
１３０ 制御部
１３１ 周波数制御手段
１３６ レーダイメージング処理手段
１５０ 送信導波管
１６０ 受信導波管
２００ 容器
２５０ スライドバルブ
２５１ 蓋部材
２６０ スイングバルブ
２６１ 蓋部材

Claims (12)

1. 設備内に装入された装入物に向けて検出媒体を送信し、装入物の表面で反射された検出媒体を受信して装入物表面のプロフィールを測定する装置であって、
   一つの面に、検出媒体を送信するための一つ以上の送信部と、検出媒体を受信するための複数の受信部とを面状もしくは線状に配置した容器と、
   前記送信部に接続して検出媒体の送信を制御する送信手段と、
   個々の前記受信部にそれぞれ接続し、受信信号をレーダイメージング処理手段に送る受信手段と、
   前記受信手段に接続する前記レーダイメージング処理手段とを備え、
   設備の頂部近郊に設けられた単一の開口に、前記送信部及び前記受信部が装入物を向くように、前記容器を取り付けるともに、
   前記送信部から送信され、装入物で反射された検出媒体を前記受信部で受信し、受信信号を前記レーダイメージング処理手段にて処理して装入物表面のプロフィールを面状または線状に測定することを特徴とする装入物表面のプロフィール測定装置。
2. 前記容器の外部に前記送信手段、前記受信手段及び前記レーダイメージング処理手段が配置されていることを特徴とする請求項１記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
3. 前記送信部及び前記受信部を覆い、前記開口の開閉を兼ねる蓋部材を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
4. 前記蓋部材が、設備の水平方向に移動するスライドバルブであることを特徴とする請求項３記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
5. 前記蓋部材が、設備の軸線方向に回動するスイングバルブであることを特徴とする請求項３記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
6. 前記容器が昇降可能であり、かつ、
   測定時には、前記蓋部材が前記開口を開放するとともに、前記送信部及び前記受信部が測定位置になるように前記容器が降下し、
   非測定時には、前記容器が上昇して前記蓋部材により前記開口を閉鎖することを特徴とする請求項３〜５の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
7. 前記検出媒体がマイクロ波、音波または光であることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
8. 前記検出媒体がマイクロ波であり、マイクロ波の送信手段と送信アンテナ、受信手段と受信アンテナとをそれぞれ導波管を介して接続するとともに、前記導波管を前記容器に収容し、前記送信アンテナ及び前記受信アンテナの各アンテナ面のみを露出して該容器に取り付けたことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載のプロフィール測定装置。
9. 前記送信アンテナ、前記受信アンテナ及び前記導波管がガスパージされることを特徴とする請求項８記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
10. 前記導波管の送信手段及び前記受信手段との接続部分に、マイクロ波透過性材料からなる栓部材が配設されていることを特徴とする請求項８または９に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
11. 鉄鉱石、コークスの表面プロフィールを測定するために使用されることを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の装入物表面のプロフィール測定装置。
12. 設備内に装入された装入物に向けて検出媒体を送信し、装入物の表面で反射された検出媒体を受信して装入物表面のプロフィールを測定する方法であって、
    請求項１〜１１の何れか１項に記載の装置を用い、送信部から検出媒体を装入物に向けて送信し、該装入物の表面で反射された検出媒体を受信部で受信して、その受信信号をレーダイメージング処理して装入物表面のプロフィールを面状または線状に測定することを特徴とする装入物表面のプロフィール測定方法。

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