JP3663161B2 - 金属製バーナの製造方法及び金属製フィルタの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温雰囲気や腐食性ガス雰囲気等で使用される輻射面燃焼式等の金属製バーナや金属製フィルタ係り、特に、高性能の金属製バーナ及び金属製フィルタとこれを安価に製造する製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、市販されている輻射面燃焼バーナは、粒状化セラミック材料またはセラミック繊維で形成された多孔質部材を備えたものが提供されている。この多孔質部材は、高温度の表面燃焼現境において熱衝撃および酸化に耐える能力を持ち、良好な酸化耐性を有する。しかし、極めて高い熱的や機械的応力に耐えることに限界がある。更に、セラミック材は脆く、且つ室温でさえ容易に破壊することが知られている。
【０００３】
そこで、高温雰囲気や腐食性ガスの雰囲気等で使用される金属多孔質部材を備えた輻射面燃焼バーナとなる金属製バーナ（焼結バーナ）が提供されている。上記焼結バーナの製造方法としては、まず、クロムとアルミニウム及び希土類元素等を含有する耐熱鋼材料を伸線法で糸状に押出したり、棒状又は板状の金属材料を糸状に切削したりして糸状素材を形成し、この糸状素材を均等厚さに分散してフェルト状の耐熱鋼繊維を形成する。そして、上記耐熱鋼繊維をバッチ式の真空加熱炉で１２００℃程度の温度に加熱して焼結処理を行なう。これにより、適度に収縮して所定の厚さを有する金属製バーナ（焼結バーナ）を製造する。上記金属製バーナ（焼結バーナ）は、高温度において高い酸化耐性を有し、且つ輻射面燃焼バーナ部材で生じる熱サイクルに対して耐性を発揮できる。
【０００４】
しかし、バッチ式の真空加熱炉で長時間にわたり加熱して焼結処理を行なうことから、生産量が少なく製造コストが高くなるという問題がある。更に、焼結処理後の金属製バーナ（焼結バーナ）は、硬くて脆いため任意な形状（例えば、筒型）に成形し難く、筒型の燃焼体を成形する場合に曲げ力に対して容易に欠損してしまい、平面型に使用用途が限定されるという問題がある。
【０００５】
一方、多孔質性を備えた金属製フィルタが市販されている。この金属製フィルタの製造方法としては、まず、耐熱鋼材を伸線法で糸状に押出したり、棒状又は板状の耐熱鋼材を糸状に切削したりして糸状素材を形成し、この糸状素材を均等厚さに分散してフェルト状とした耐熱鋼繊維を形成し、これを金属製フィルタとして使用している。しかし、この耐熱鋼繊維を使用した金属製フィルタは、使用するにつれて繊維の飛散が生じ、繊維落ちにより性能が低下したりするという欠点を有する。
【０００６】
そこで、金属製フィルタとして、上記耐熱鋼繊維をバッチ式の真空加熱炉で１２００℃程度の焼結処理を行い、繊維落ちを防止した金属製フィルタ（焼結フィルタ）を使用することが考えられる。
【０００７】
しかしながら、上記耐熱鋼繊維を焼結処理して繊維落ちを防止した金属製フィルタ（焼結フィルタ）では、バッチ式の真空加熱炉で長時間にわたり加熱して焼結処理を行なうことから、上記金属製バーナ（焼結バーナ）と同様に、生産量が少なく製造コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に基づいてなされたもので、その目的とするところは、従来の焼結バーナや焼結フィルタと同等性能が得られるとともに、成形性に優れた金属製バーナや繊維落ちしない金属製フィルタを安価に製造する製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく本発明の請求項１記載の金属製バーナの製造方法は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたバーナ素材を、加熱炉にて３００〜７００℃で加熱・焼鈍させ、その後に機械的圧力により圧縮成形したことを特徴とするものである。
【００１０】
また、請求項４記載の金属製フィルタの製造方法は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維又は一般耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたフィルタ素材を、加熱炉にて３００〜７００℃で加熱・焼鈍させ、その後に機械的圧力により圧縮成形したことを特徴とするものである。
【００１１】
【作用】
本発明の請求項１記載の金属製バーナの製造方法は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたバーナ素材を、加熱炉にて溶融しない３００〜７００℃程度の比較的低い温度で加熱・焼鈍して金属製バーナが形成される。これで、耐熱鋼繊維の焼鈍圧縮壁部は柔らかくなり、薄い所定寸法に容易に圧縮加工できる。これにより、焼結バーナと同等の性能を有する金属製バーナを安価に製造することができる。
【００１２】
また、請求項２記載の金属製フィルタの製造方法は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維又は一般耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたフィルタ素材を、加熱炉にて３００〜７００℃程度の比較的低い温度で加熱して焼鈍される。これで、多孔質部材の耐熱鋼繊維の焼鈍圧縮壁部は、繊維同士が絡み合って結合され、繊維落ちがなくなる。従って、耐熱鋼繊維の焼鈍圧縮壁部の繊維落ちのない金属製フィルタを安価に製造することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の金属製バーナと金属製フィルタ及びそれらの製造方法の実施形態について説明する。図１は金属製バーナ及び金属製フィルタを製造する連続式製造装置を示し、図２は金属製バーナ及び金属製フィルタを製造するバッチ式製造装置を示す。図３は金属製バーナ及び金属製フィルタを製造する製造工程のフローチャートを示し、図４は金属製バーナ及び金属製フィルタの製造工程を示す。
【００１４】
図１において、本発明の金属製バーナ又は金属製フィルタを製造する連続式製造装置１００を説明する。まず、バーナ素材１は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素（ランタンやイットリウム）を含有する耐熱鋼の棒状材または板材を細かく切削し、この切削物を整綿機によりエアで飛ばして積層させウェブ状とする。このウェブ状物をニードルマシンで絡ませてフェルト状にする。このフェルト状耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させたロール状としてローラに巻付けたものである。（図４で後記する。）
【００１５】
また、フィルタ素材１´は、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼又は一般耐熱鋼の棒状材または板材を細かく切削し、この切削物を整綿機によりエアで飛ばしてウェブ状とする。このウェブ状物をニードルマシンで絡ませて耐熱鋼繊維とする。この耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させたロール状としてローラに巻付けたものである。（図４で後記する。）
【００１６】
上記ロール状に巻かれたバーナ素材１又はフィルタ素材１´は、ローラコンベア式の搬送機２により引き出して大気解放状態の汎用加熱炉３に供給される。上記加熱炉３は連続炉であって、各々電気ヒータＨ１，Ｈ２，Ｈ３等で加熱される予熱部４と、加熱部５と、保温部６から構成されている。上記保温部６には、高温状態のバーナ素材１又はフィルタ素材１´を圧縮加工し、その圧縮度合いを調節可能なロール圧縮装置７を配設している。上記ロール圧縮装置７は、高温状態のバーナ素材１又はフィルタ素材１´に対して、所定の厚さに機械的圧力を付与して圧縮成形する。上記ロール圧縮装置７の第２段で厚さ整形され、巻取機９により巻き取られる。
【００１７】
上記ロール圧縮装置７の後段には、強制空冷装置８を配設し、高温状態のバーナ素材１又はフィルタ素材１´の温度を急冷させる。この強制空冷装置８の目的は、バーナ素材１又はフィルタ素材１´を焼入れ硬化するためのものである。この効用として、比較的広い面積の金属製フィルタにおいて、フィルタ自体に剛性を持たせられる。尚、上記強制空冷装置８は、各素材に剛性を必要としなければ省略することも可能である。
【００１８】
上記連続式製造装置１００における搬送機２には、速度制御手段ＳＣを備えて移送速度を制御し、バーナ素材１又はフィルタ素材１´が連続炉３内で所定時間を経過して通過するようになっている。また、加熱部５には、熱源温度を調整する温度制御手段Ｈを備えている。この温度制御手段Ｈには、炉内温度の設定器Ｓと、炉内温度を計測する温度センサｈと、温度表示器Ｔとを備え、バーナ素材１又はフィルタ素材１´の温度を設定した所定温度に加熱する。これにより、バーナ素材１又はフィルタ素材１´は、加熱温度と加熱時間とを制御され、素材の厚さを加熱温度とロール圧縮程度により均一化させることを可能としている尚、Ｍ１，Ｍ３は送り出し軸９Ａ及び巻き取り軸９Ｂの駆動モータであり、Ｍ２は搬送機２の駆動モータである。
【００１９】
次に、図２において、本発明の金属製バーナ又は金属製フィルタを製造するバッチ式製造装置２００を説明する。まず、バーナ素材１０又はフィルタ素材１０´は上記の製造方法により製造したものを所定寸法のシート状としたものである。上記シート状のバーナ素材１０又はフィルタ素材１０´は、適当枚数に積重ねて大気解放状態となっているバッチ式の加熱炉（電気炉）３０に供給される。上記加熱炉３０は、シート状のバーナ素材１０又はフィルタ素材１０´を加熱して焼鈍させる。上記のように加熱・焼鈍された高温状態のバーナ素材１０又はフィルタ素材１０´は、加熱炉３０から取り出され、クランク式プレス機４０や油圧式プレス機４０´等で所定の厚さに機械的圧力を付与して圧縮成形される。
【００２０】
続いて、上記連続式製造装置１００を使用した金属製バーナＭＢ又は金属製フィルタＭＦの製造方法の実施例を説明する。図３のフローチャートと図４の製造工程において、まず、バーナ素材１又はフィルタ素材１´を「耐熱鋼の棒状材・板材の切削」１０１により形成する。この切削方法は、図４の（ａ）に示すように、ロール状に巻いた棒状材Ｂを旋盤のバイト刃Ｂ１により、線径２０μｍ前後の糸状体Ｆに切削するものである。これを図４の（ｂ）に示すように、整綿機によりエアで飛ばして積層させ均等厚さに分散したウェブ状の「ファイバーの生成」１０２をする。
【００２１】
尚、上記バーナ素材１は、その各成分比率を図８の「鋼材検査成績証明書」に示す。この鋼材検査結果によると、耐熱鋼は、クロム１９．６２％（１５〜２２％）とアルミニウム５．００％（４〜５．２％）及び少量の希土類元素（ランタンやイットリウム）を含有するものである。また、フィルタ素材１´は、上記バーナ素材１と同じものか、又は一般耐熱鋼（フェライト系、オーステナイト系）等が使用される。
【００２２】
続いて、上記ウェブ状物のファイバーＦを、図４の（ｃ）に示すように、ニードルマシンの針群Ｎ１，Ｎ２により「ニードルパンチでフェルトに生成」１０３して絡ませ、均一な厚さの耐熱鋼繊維ＳＦとする。この耐熱鋼繊維ＳＦが、図４の（ｄ）に示すように、バーナ素材１又はフィルタ素材１´となり、これをロール状として「ロール状に加工した素材」１０４を形成する。
【００２３】
上記バーナ素材１又はフィルタ素材１´は、加熱炉３０に投入され「加熱」１０５される。上記加熱炉での加熱時間は約１時間程度で、その加熱温度は３００℃〜７００℃の範囲内に設定される。その最適温度は、６００℃〜７００℃である。この加熱により、図４の（ｅ）に示すように、バーナ素材１には、耐熱鋼繊維の表面にアルミナ層Ａが生成される。このアルミナ層Ａは高温度において高い酸化耐性を与えるとともに、アルミナ層Ａの中に生じた全ての亀裂が酸素の存在下で自己治癒するという効用を発揮する。この後に、図４の（ｆ）に示すように、「焼鈍」１０６されて、バーナ素材１又はフィルタ素材１´の耐熱鋼繊維ＳＦは、切削歪みが除去されるとともに、硬度も柔らかくなる。
【００２４】
尚、更なる「空冷」１０７、即ち図１に示す強制空冷装置８により、バーナ素材１又はフィルタ素材１´の温度を急冷して焼入れ硬化することもある。この効用は、比較的広い面積の金属製フィルタＭＦにおいて、フィルタ自体に剛性を持たせることである。
【００２５】
最後に、耐熱鋼繊維ＳＦは、図１のロール圧縮装置７により「機械的手段で圧縮加工」１０８され、スプリングバックすることなく「所定厚さ寸法に仕上げ」１０９され、正確な厚さ寸法に圧縮形成される。以上の製造工程を経て、「金属製バーナＭＢ又は金属製フィルタＭＦの完成」１１０となる。
【００２６】
本発明の連続式製造装置１００とこの製造方法によると、焼鈍処理で５ｍｍ程度の薄さとなる。金属製バーナＭＢにおいては、圧縮成形で１ｍｍ前後に成形可能になる。
【００２７】
しかして、上記連続式製造装置１００を使用しての金属製バーナＭＢの製造方法によると、バーナ素材１は、加熱炉にて３００℃〜７００℃程度の低い温度により加熱されアルミナ層が形成される。これで、高温度において高い酸化耐性を与えるとともに、アルミナ層の中に生じた全ての亀裂が酸素の存在下で自己治癒するという効用を発揮する。尚、３００℃以下では加熱が不足して焼鈍ができず、繊維の飛散が生じる。また、７００℃以上では、加熱炉では対応できず焼結炉が必要となり、焼結と同じになる。そして、その後焼鈍されることにより耐熱鋼繊維ＳＦは切削歪みが除去されるとともに軟化し、薄い所定寸法に容易に圧縮加工される。この結果、焼結バーナと同等の性能を有する金属製バーナＭＢを安価に製造することができる。また、この金属製バーナＭＢは機械的圧力により二次成形したとき、脆さがないから欠損することなく任意形状に成形できる。
【００２８】
また、上記連続式製造装置１００を使用しての金属製フィルタＭＦの製造方法によると、フィルタ素材１´は加熱炉にて３００℃〜７００℃程度の低い温度により加熱した後、焼鈍されるから、切削歪みが除去されるとともに軟化し、薄い所定寸法に容易に圧縮加工される。これにより繊維が絡み合って結合し、繊維の飛散（繊維落ち）が防止される。従って、優れた耐食性、耐熱性を有し、且つ繊維の飛散の問題が生じない金属製フィルタＭＦを安価に製造することができる。
【００２９】
上記バーナ素材１又はフィルタ素材１´の「加熱温度の焼鈍と圧縮性」の試験結果を、図９に示す。この試験結果によると、加熱前の厚さ３．８ｍｍに対して、加熱温度３００℃の加熱処理プレス圧縮後の厚さが１．７３ｍｍとなり、加熱前の厚さ４．０５ｍｍに対して、加熱温度４００℃の加熱処理プレス圧縮後の厚さが１．８ｍｍとなり、加熱前の厚さ４．３７ｍｍに対して、加熱温度５００℃の加熱処理プレス圧縮後の厚さが１．７２ｍｍとなり、加熱前の厚さ４．０３ｍｍに対して、加熱温度６００℃の加熱処理プレス圧縮後の厚さが１．２ｍｍとなり、加熱前の厚さ４．３７ｍｍに対して、加熱温度７００℃の加熱処理プレス圧縮後の厚さが０．９２５ｍｍとなる。このデータから、その適用範囲は３００℃〜７００℃となり、特に６００℃〜７００℃の温度が最適値であることが確認できる。
【００３０】
上記連続式製造装置１００によって製造された金属製バーナＭＢは、図５に示す輻射面燃焼バーナ体３００として使用できる。その構成は、前面により燃焼面を画成する多孔質部材からなる耐熱鋼繊維ＳＦと、燃焼性ガス混合物Ｇをガス分配空間Ｋから多孔質部材の後面まで移送し、この多孔質部材の耐熱鋼繊維ＳＦを通してその燃焼面まで移送する手段とを備えている。また、図６に示す輻射筒型燃焼バーナ体４００として使用される。その構成は、前面より筒型燃焼面を画成する多孔質部材の耐熱鋼繊維ＳＦ´と、燃焼性ガス混合物Ｇをガス分配空間Ｋから多孔質部材の後面まで移送し、この多孔質部材の耐熱鋼繊維ＳＦ´を通してその燃焼面まで移送する手段とを備えている。
【００３１】
上記輻射面燃焼バーナ体３００と輻射筒型燃焼バーナ体４００とにより、耐熱鋼繊維ＳＦ，ＳＦ´の焼鈍圧縮壁部は、その厚さ寸法が薄く形成されているとともに、その多孔質部材の孔密度が緻密で高く、燃焼ガスの透過率もその燃焼面全体にわたって均一となる。従って、輻射面燃焼バーナ体３００や輻射筒型燃焼バーナ体４００として高い燃焼効率が得られる。
【００３２】
以下、本発明の金属製バーナＭＢをバーナ燃焼体として使用した場合の従来のバーナ燃焼体との比較について説明する。このようなバーナとしては、
１．ブンゼン式燃焼（家庭用のコンロバーナ）の主に真鍮の熱間鍛造バーナキャップをしたバーナが代表例である。
２．また、全一次式燃焼（ガスストーブの赤熱燃焼）でセラミックの多孔板を使用したものがある。
【００３３】
上記ブンゼン式燃焼の場合は、青火燃焼で、最大燃焼量と最小燃焼量の比（ＴＤＲ）が１０倍程度（４０００Ｋｃａｌ／ｈ−４００Ｋｃａｌ／ｈ）にすることが可能である。しかし、炎の長さは火力に応じて長くなり、炎が五徳の筐体に触れると不完全燃焼となってＣＯが発生する。このため、炎から離して鍋などの被加熱体を置く必要があり、高効率の金属製バーナを作製する上での要点となる。
【００３４】
また、全一次式燃焼の場合は、赤熱燃焼して燃焼するため炎は短く、鍋との距離もブンセン式に比較して、２５ｍｍが１０ｍｍ〜１５ｍｍと短くすることが可能で熱効率が高くなる。しかし、コンロとして必要なＴＤＲは２０％程度しか取れず、コンロとして使用するには、例えば、４０００Ｋｃａｌ／ｈ−４０００×８０％＝３２００Ｋｃａｌ／ｈの火力調節範囲しか取れないので、吹きこぼれそうになって火力を絞っても絞れない器具になり、実用化できない。
【００３５】
その理由は、従来品はセラミックであるため、燃焼面と裏面との温度差は、燃焼面温度９００℃になった時、裏面温度が８００〜８５０℃となり、逆火域に達することで最大燃焼量が規制され、最小燃焼量は、バーナの赤熱温度が７００℃以上になる火力を必要とし、これ以下の温度で燃焼させると、未燃焼有毒ガスを発生させることとなるからである。
【００３６】
しかし、本発明の金属製バーナＭＢをバーナ燃焼体として使用すると、（１）ブンゼン式燃焼と全一次式燃焼との利点を持ち合わせたものとなる。その利点とは、ＴＤＲが大きくとれること。ブンゼン式燃焼のＴＤＲを１０倍とすると、本発明の金属製バーナＭＢはＴＤＲが３０倍となる。（２）全一次式燃焼であるため、従来のセラミックバーナや焼結バーナと同様に燃焼時の炎が短い。しかし、セラミックバーナと比較して、バーナ燃焼温度と裏面温度の温度差が大きく、逆火燃焼が適切な空気抵抗率を有している範囲内において発生しないことである。この利点を生かして、燃焼ガスと一次空気とを適正燃焼範囲に供給することで、外炎が短く、赤熱燃焼で高ＴＤＲの金属製バーナＭＢとして提供できる。
【００３７】
更に、上記連続式製造装置１００によって製造された金属製フィルタＭＦは、図７に示す金属製フィルタ体５００として使用できる。上記金属製フィルタ体は、金属製フィルタＭＦとこの両面に配置した網体ＡＭとを、四隅のビスＢとナットＮとにより固定されている。この金属製フィルタ体５００の金属製フィルタＭＦに、流体Ｒを通過させることにより不純物を取り除くことができる。
【００３８】
即ち、多孔質部材からなる金属製フィルタＭＦは、多孔質部材に、クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維又は一般耐熱鋼の焼鈍圧縮壁部を含ませたものであるから、その厚さ寸法が薄く形成されるとともに、その多孔質部材の孔密度が緻密で高く、浄化すべき気体・流体の透過率もその浄化面全体にわたり均一となる。従って、金属製フィルタを使用して浄化すべき気体・流体を通過させると所定の浄化作用が得られ、更に、汚れた金属製フィルタＭＦを洗浄することで、再利用ができる。また、圧縮加工することにより、繊維同士が絡み合って飛散が防止され、厚み密度による性能の維持ができる。
【００３９】
本発明の金属製バーナＭＢ又は金属製フィルタＭＦは、上記連続式製造装置１００によるほか、バッチ式製造装置２００においても実施可能である。このバッチ式製造装置２００では、高生産性は望めないが、その他の作用効果は連続式製造装置１００と同様であり、その説明を省略する。
【００４０】
更に、本発明の製造装置は、上記連続式製造装置１００やバッチ式製造装置２００の実施装置に限定されず、その各部の構成手段を一部変更しても本発明の金属製バーナＭＢ又は金属製フィルタＭＦやこの製造方法が実行できる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１記載の金属製バーナの製造方法によると、焼結バーナと同等の性能を有する金属製バーナを安価に製造することができる。
【００４２】
また、請求項２記載の金属製フィルタの製造方法によると、繊維落ちのない金属製フィルタを安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の金属製バーナ及び金属製フィルタを製造する第１実施形態の連続式製造装置のシステム図である。
【図２】 本発明の金属製バーナ及び金属製フィルタを製造する第２実施形態のバッチ式製造装置のシステム図である。
【図３】 金属製バーナ及び金属製フィルタの製法を示すフローチャート図である。
【図４】 金属製バーナ及び金属製フィルタの製法を示す製造工程図である。
【図５】 本発明の金属製バーナを平面型とした断面図である。
【図６】 本発明の金属製バーナを筒型とした断面図である。
【図７】 本発明の金属製フィルタを展開して示す斜視図である。
【図８】 鋼材検査成績を示す説明図である。
【図９】 耐熱鋼繊維の焼鈍と圧縮性を示す説明図である。
【符号の説明】
１ バーナ素材
１´ フィルタ素材
２ 搬送機
３ 連続炉
４ 予熱部
５ 加熱部
６ 保温部
７ ロール圧縮装置
８ 強制空冷装置
９ 巻取機
９Ａ 送り出し軸
９Ｂ 巻き取り軸
１０ バーナ素材
１０´ フィルタ素材
３０ 電気炉（加熱炉）
４０ クランク式プレス機
４０´ 油圧式プレス機
１００ 連続式製造装置
２００ バッチ式製造装置
３００ 輻射面燃焼バーナ
４００ 輻射筒型燃焼バーナ
５００ 金属製フィルタ体
Ｈ 温度制御手段
ｈ 温度センサ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３ 駆動モータ
ＭＢ 金属製バーナ
ＭＦ 金属製フィルタ
Ｓ 設定器
ＳＣ 速度制御手段
ＳＦ，ＳＦ´ 耐熱鋼繊維
Ｔ 温度表示器

Claims (2)

1. クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたバーナ素材を、加熱炉にて３００〜７００℃で加熱・焼鈍させ、その後に機械的圧力により圧縮成形したことを特徴とする金属製バーナの製造方法。
2. クロムとアルミニウム及び少量の希土類元素を含有する耐熱鋼繊維又は一般耐熱鋼繊維を均一厚さに分散させフェルト状としたフィルタ素材を、加熱炉にて３００〜７００℃で加熱・焼鈍させ、その後に機械的圧力により圧縮成形したことを特徴とする金属製フィルタの製造方法。

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