JP5146172B2 - Method for preventing combustion of molten magnesium or magnesium alloy - Google Patents
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Description
本発明は溶融マグネシウム又はマグネシウム合金の急激な酸化、燃焼を防止する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for preventing rapid oxidation and combustion of molten magnesium or a magnesium alloy.
溶融マグネシウム、溶融マグネシウム合金(本願では、両者は「溶融マグネシウム/マグネシウム合金」、又は「溶融金属」と表現されることがある)は空気中の酸素と激しく反応し酸化物を形成、燃焼することが知られている。溶融マグネシウム又はマグネシウム合金の酸化を防止するために、または保護ガス成分を有する保護ガス組成物で覆う方法が採用されている。 Molten magnesium, molten magnesium alloy (both of which are sometimes referred to as “molten magnesium / magnesium alloy” or “molten metal” in this application) reacts violently with oxygen in the air to form and burn oxides. It has been known. In order to prevent oxidation of molten magnesium or a magnesium alloy, a method of covering with a protective gas composition having a protective gas component is employed.
これまでマグネシウムとマグネシウム合金製造工程における保護ガス成分として、六フッ化イオウ(SF6)が主に用いられてきた。しかしながら、当該物質は、地球温暖化係数(GWP)が二酸化炭素(CO2)の約24,000倍あり、しかも大気寿命が3,200年と非常に長いため京都議定書において排出を規制されている物質であり、代替物質が求められている。 Until now, sulfur hexafluoride (SF 6 ) has been mainly used as a protective gas component in magnesium and magnesium alloy manufacturing processes. However, because the substance has a global warming potential (GWP) of about 24,000 times that of carbon dioxide (CO 2 ) and has a very long atmospheric life of 3,200 years, its emission is regulated by the Kyoto Protocol. It is a substance, and alternative substances are required.
こうした背景のもと、本出願人は、新規な保護ガスとして1,3,3,3−テトラフルオロプロペン等のフッ素化オレフィン等を含む保護ガス組成物およびそれを用いた溶融マグネシウム/マグネシウム合金の燃焼防止方法を特許文献1及び2にて提案している。
六フッ化イオウを保護ガス成分として使用している既存のマグネシウム又はマグネシウム合金(以下、「マグネシウム金属」と表記する場合有り)の製造法を、フッ素化オレフィンを保護ガス成分として使用する製造法に置き換えようとすると、単に保護ガス成分を変更しただけでは、マグネシウム金属の鋳造を安定的に行えないことがあることがわかった。 The production method of existing magnesium or magnesium alloy (hereinafter sometimes referred to as “magnesium metal”) using sulfur hexafluoride as a protective gas component is changed to a production method using fluorinated olefin as a protective gas component. When it tried to replace it, it turned out that the casting of magnesium metal may not be performed stably only by changing the protective gas component.
既存のマグネシウム金属鋳造設備に対して、保護成分として六フッ化イオウの代わりにフッ素化オレフィンを使用すると、マグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯(以下、「金属溶湯」と表記する場合有り)面上にスムーズに保護ガス組成物が到達しにくいことがある。鋳造雰囲気は500〜900℃で高温であるため、フッ素化オレフィンの一部は、フッ化水素へと分解される。金属溶湯面を保護ガス組成物で確実覆うようにするために、過剰の保護ガス組成物を鋳造設備内に導入すると、多量のフッ化水素が発生し、設備の劣化を助長することがある。 When using fluorinated olefins instead of sulfur hexafluoride as a protective component for existing magnesium metal casting equipment, the magnesium or magnesium alloy melt (hereinafter sometimes referred to as "metal melt") is smooth. In some cases, the protective gas composition is difficult to reach. Since the casting atmosphere is a high temperature of 500 to 900 ° C., a part of the fluorinated olefin is decomposed into hydrogen fluoride. When an excessive protective gas composition is introduced into the casting equipment to ensure that the molten metal surface is covered with the protective gas composition, a large amount of hydrogen fluoride is generated, which may promote deterioration of the equipment.
本発明は、フッ素化オレフィンを保護ガス成分として有する保護ガス組成物で金属溶湯面を覆って、溶融金属の急激な酸化、燃焼を防止する方法に関し、製造スケールが大きくなったとしても、マグネシウム金属の鋳造を安定的に実施せしめる金属溶湯の燃焼防止方法を提供することを課題とする。 The present invention relates to a method for covering a molten metal surface with a protective gas composition having a fluorinated olefin as a protective gas component to prevent rapid oxidation and combustion of molten metal, even if the production scale is increased. It is an object of the present invention to provide a method for preventing the molten metal from burning so that the casting can be stably performed.
本発明では、フッ素化オレフィンを保護成分として有する保護ガス組成物が、金属溶湯面に到達しにくい原因が、フッ素化オレフィンの比重が六フッ化イオウのそれよりも低いことにあるとの知見に立ち、課題の解決を図った。 In the present invention, the protective gas composition having a fluorinated olefin as a protective component is less likely to reach the molten metal surface because the specific gravity of the fluorinated olefin is lower than that of sulfur hexafluoride. Standing and trying to solve the problem.
すなわち、本発明のマグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯の燃焼防止方法は、炉に溜められた金属溶湯の燃焼防止方法であり、該方法はフッ素化オレフィンからなる保護ガス成分を有する保護ガス組成物をノズルから溶湯面に向けて供給して、溶湯表面を保護ガス成分で覆う工程を有し、保護ガス組成物のノズルからの供給時に、保護ガス組成物のノズル出口の流速を5〜200m/s、好ましくは10〜190m/s、ノズル下端と溶湯面との距離を10〜500mm、好ましくは50〜450mmとすることで溶湯面に保護ガスを到達せしめることを特徴とする。 That is, the method for preventing combustion of molten magnesium or magnesium alloy according to the present invention is a method for preventing combustion of molten metal stored in a furnace, and the method uses a protective gas composition having a protective gas component comprising a fluorinated olefin as a nozzle. From the nozzle to the molten metal surface, the flow rate at the nozzle outlet of the protective gas composition is 5 to 200 m / s when the protective gas composition is supplied from the nozzle. Preferably, the protective gas reaches the molten metal surface by setting the distance between the lower end of the nozzle and the molten metal surface to 10 to 190 mm / s, preferably 10 to 500 mm, and preferably 50 to 450 mm.
本発明は、キャリアガス成分とフッ素化オレフィンからなる保護ガス成分とからなる保護ガス組成物の供給時の流速を高いものとするか、ノズル先端と金属溶湯表面との距離を短いものとするかによって、フッ素化オレフィンの分解性の高さと比重の低さを克服するということをベースとしている。 Whether the present invention is to increase the flow rate when supplying a protective gas composition comprising a carrier gas component and a protective gas component comprising a fluorinated olefin, or to shorten the distance between the nozzle tip and the surface of the molten metal. Is based on overcoming the high decomposability and low specific gravity of fluorinated olefins.
保護ガス成分は金属溶湯面で、マグネシウム金属と反応して保護膜を形成して金属溶湯の燃焼が抑制される。流速が200m/s超の場合、保護膜が破壊されることがある。他方、5m/s未満では、保護ガス組成物の金属溶湯面への到達が不十分となることがあり、保護膜が十分形成されないことがある。また、距離が500mm超の場合、保護ガス組成物の金属溶湯面への到達が不十分となることがあり、10mm未満の場合、保護膜が破壊されることがある。 The protective gas component is on the surface of the molten metal, reacts with magnesium metal to form a protective film, and combustion of the molten metal is suppressed. When the flow rate exceeds 200 m / s, the protective film may be destroyed. On the other hand, if it is less than 5 m / s, the protective gas composition may not reach the molten metal surface sufficiently, and the protective film may not be sufficiently formed. In addition, when the distance is more than 500 mm, the protective gas composition may not reach the molten metal surface sufficiently, and when the distance is less than 10 mm, the protective film may be destroyed.
本発明のマグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯の燃焼防止方法は、ハロゲン化オレフィンを保護ガス成分として使用するマグネシウム又はマグネシウム合金の鋳造を効率的に操業せしめることに奏功する。 The method for preventing combustion of molten magnesium or magnesium alloy according to the present invention is effective in efficiently operating casting of magnesium or magnesium alloy using a halogenated olefin as a protective gas component.
本発明の実施態様の一例を、図面を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態によるマグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯の燃焼防止方法が適用される金属溶湯の保持炉の概略を説明する図である。マグネシウム金属の鋳造時に使用される炉2中に金属溶湯1は留められる。炉2は炉体3により構成され、炉の上方の炉体3’は、ノズル4が密閉構造を保持したままノズル4を貫通させている。また、炉体3又は3’には炉内のガスを排気する機構を設けてもよい。
An example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a view for explaining the outline of a molten metal holding furnace to which a method for preventing combustion of molten magnesium or magnesium alloy according to an embodiment of the present invention is applied. The
ノズル4の本数は、単位溶湯面積(1m2)に対し少なくとも2本設置されることが好ましい。1m2あたりのノズル4の本数の上限は、保護ガスの供給の無駄を少なくするために10本、好ましくは8本、より好ましくは5本と設定してもよい。
It is preferable that at least two
ノズル4は、図1中では図示されないボンベと炉1外で配管(図示せず)を通じて繋がっており、ボンベから出てくるガスは、ノズル4を通って炉1内へと導入される。ノズル内のガスの流速は、例えば、ボンベのバルブや、配管内のガス圧を制御することにより調整される。より正確に流量調整するためには、体積式、面積式、質量式流量計等または、電子式流量調節器等を用いてもよい。
The
金属溶湯1の表面とノズル4の先端との距離と、ノズル内のガスの流速を本発明で請求したように調整することで、保護ガス組成物は、図1に示したような流れで金属溶湯1の表面に到達される。尚、ボンベは保護ガス組成物が封入されたものを用意してもよいし、保護ガス成分が封入されたボンベとキャリアガスとが封入されたボンベとを用意し、配管内で両ガスを混合して保護ガス組成物としてもよい。
By adjusting the distance between the surface of the
ノズル4の材質の例は、鉄、銅、ステンレス等が挙げられる。ノズル4の出口径は、好ましく1mm〜25mm、より好ましくは2〜15mmφとされる25mmφ超では、保護ガス組成物の流速を所望なものとするに多量の保護ガス組成物を供給する必要性が生じ、経済的でない。他方、1mm以下では、保護ガス組成物の流速を所望なものとするに保護ガス組成物の供給が少量なものとなり、より多くのノズル4を配置する必要が生じ経済的でない。また、ノズル4の厚みは、ノズル4の剛性を保つために、好ましくは0.1〜2mm、より好ましくは0.2〜1mmとされる。
Examples of the material of the
炉体3又は3’の材質の例としては、耐熱鋼等が挙げられる。
Examples of the material of the
ノズル4は、溶湯面に保護ガス組成物を供給できるように、ノズルの先端(ガスの出口)は、溶湯1面に向けられる。この際、ノズル4は、溶湯1面に対して略垂直に配列させてもよい。
The tip of the nozzle (gas outlet) is directed toward the surface of the molten metal so that the
保護ガス組成物のノズル4内の流速は、さらにはノズル4と溶湯1面との距離が10〜100mmときは、5〜100m/s、好ましく10〜95m/sとすることが好ましい。また、距離が100超〜500mmのときは、100超m/s〜200m/s、好ましくは110〜190m/sとすることが好ましい。
The flow rate of the protective gas composition in the
本発明で使用される保護ガス組成物は、キャリアガス成分とフッ素化オレフィンからなる保護ガス成分とを有する。該フッ素化オレフィンは、分子中に少なくとも1個の二重結合を有するものとすることが好ましい。中でも1,1,3,3,3−ペンタフルオロプロペン、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン、1,3,3,3−テトラフルオロプロペン、3,3,3−トリフルオロプロペン、1,1,2−トリフルオロプロペンおよびそれらの混合物からなる群から選ばれるフッ素化プロペンが好ましい。該フッ素化プロペンは、シス体、トランス体、又はシス体、トランス体の両方を混合したもので使用される。 The protective gas composition used in the present invention has a carrier gas component and a protective gas component composed of a fluorinated olefin. The fluorinated olefin preferably has at least one double bond in the molecule. Among them, 1,1,3,3,3-pentafluoropropene, 1,2,3,3,3-pentafluoropropene, 2,3,3,3-tetrafluoropropene, 1,3,3,3-tetra Preferred are fluorinated propenes selected from the group consisting of fluoropropene, 3,3,3-trifluoropropene, 1,1,2-trifluoropropene and mixtures thereof. The fluorinated propene is used in cis form, trans form, or a mixture of both cis form and trans form.
これらのフッ素化プロペンのなかで、1,3,3,3−テトラフルオロプロペンおよび2,3,3,3−テトラフルオロプロペンが沸点、低毒性で取り扱いが容易なため保護ガスとして特に好ましい。これらフッ素化プロペンの場合、特にトランス体(沸点−19℃)のものを使用することがシス体(沸点9℃)よりもガスとして取り扱いができるため特に好ましい。 Among these fluorinated propenes, 1,3,3,3-tetrafluoropropene and 2,3,3,3-tetrafluoropropene are particularly preferred as protective gases because of their boiling point, low toxicity and easy handling. In the case of these fluorinated propenes, it is particularly preferable to use a trans form (boiling point −19 ° C.) because it can be handled as a gas rather than a cis form (boiling point 9 ° C.).
フッ素化プロペンは、入手容易なヘキサフルオロプロペンから水素化、脱HFによって1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペンが得られ、さらに水素化、脱HFにより2,3,3,3−テトラフルオロプロペンが得られることが知られている。また1,3,3,3−テトラフルオロプロペンは工業的に製造され入手が容易な1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパンを脱HFすることにより得ることができる。(例えば、特許文献3)
また、保護ガス成分の濃度が、保護ガス組成物の全量を100体積%としたときに、0.01〜10体積%、好ましくは0.02〜5体積%、より好ましくは0.02〜1体積%とすることが好ましい。
Fluorinated propene is obtained by hydrogenation and deHF from readily available hexafluoropropene to obtain 1,2,3,3,3-pentafluoropropene, and further by hydrogenation and deHF, 2,3,3,3- It is known that tetrafluoropropene can be obtained. 1,3,3,3-tetrafluoropropene can be obtained by deHFing 1,1,1,3,3-pentafluoropropane which is industrially produced and easily available. (For example, Patent Document 3)
The concentration of the protective gas component is 0.01 to 10% by volume, preferably 0.02 to 5% by volume, more preferably 0.02 to 1 when the total amount of the protective gas composition is 100% by volume. It is preferable to set it as volume%.
キャリアガスの例としては、乾燥空気、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、及びこれらの今後物等が挙げられる。特には、0.5〜50体積%の乾燥空気及び50〜99.5体積%の窒素、好ましくは1〜30体積%の乾燥空気および29〜70体積%の窒素からなるものをキャリアガスとすることが好ましい。 Examples of the carrier gas include dry air, carbon dioxide, nitrogen, helium, neon, argon, krypton, xenon, and future products thereof. In particular, the carrier gas is composed of 0.5 to 50% by volume of dry air and 50 to 99.5% by volume of nitrogen, preferably 1 to 30% by volume of dry air and 29 to 70% by volume of nitrogen. It is preferable.
なお、本発明の燃焼防止方法は、マグネシウム合金鋳造時の溶解炉内の溶湯表面や溶解炉出口からの溶湯の保護ガスに用いられる他、マグネシウム合金の高温での鍛造、圧延等にも適用されてもよい。 The combustion prevention method of the present invention is applied to the surface of the molten metal in the melting furnace at the time of casting the magnesium alloy and the protective gas for the molten metal from the outlet of the melting furnace, as well as to forging and rolling of the magnesium alloy at a high temperature. May be.
以下に実施例により本発明を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
実施例1
マグネシウム金属の鋳造のための炉内に、約130kgのマグネシウム合金(AZ91D)を投入し炉を700℃に加熱してマグネシウム合金を溶融して0.5m2のマグネシウム合金溶湯を形成するとともに、内径が4mmφのノズルから保護ガス組成物を炉内に導入し、溶湯の表面に保護ガス成分とマグネシウムとの反応生成物からなる保護膜を形成した。
Example 1
About 130 kg of magnesium alloy (AZ91D) is put into a furnace for casting magnesium metal, and the furnace is heated to 700 ° C. to melt the magnesium alloy to form a 0.5 m 2 molten magnesium alloy. The protective gas composition was introduced into the furnace from a nozzle having a diameter of 4 mmφ, and a protective film made of a reaction product of the protective gas component and magnesium was formed on the surface of the molten metal.
このとき、ノズル4は溶湯1面の中心部の上方に1本配置し、溶湯1面とノズル4の先端との距離を50mmとし、ノズル4内の保護ガス組成物の流速を10m/sとした。また、保護ガス組成物としては、保護ガス成分として0.2%体積1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(トランス体)と、99.8体積%のキャリアガス成分(95体積%窒素および5体積%乾燥空気からなるもの)からなるものを使用した。
At this time, one
ノズルから保護ガス組成物を前記流量で流しつづけ、10分毎に15×40cm四方の範囲の保護膜を鉄製の引掻き棒により破壊したが、すぐに保護膜が形成された。この操作を10回繰り返し実施したが、溶湯からの燃焼は確認されなかった。 The protective gas composition was continuously supplied from the nozzle at the above flow rate, and the protective film in a range of 15 × 40 cm square was broken with an iron scratching rod every 10 minutes, but a protective film was formed immediately. This operation was repeated 10 times, but combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例2
ノズル出口の保護ガス組成物の流速を30m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 2
The same procedure as in Example 1 was performed except that the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 30 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例3
ノズル出口の保護ガス組成物の流速を50m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 3
The same procedure as in Example 1 was performed except that the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 50 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例4
溶湯面とノズルとの先端との距離を100mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を10m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 4
The same procedure as in Example 1 was performed, except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 100 mm, and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 10 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例5
溶湯面とノズルとの先端との距離を100mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を30m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 5
The same procedure as in Example 1 was performed, except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 100 mm, and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 30 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例6
溶湯面とノズルとの先端との距離を100mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を50m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 6
The same procedure as in Example 1 was performed, except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 100 mm, and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 50 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例7
溶湯面とノズルとの先端との距離を100mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を90m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 7
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 100 mm and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 90 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例8
溶湯面とノズルとの先端との距離を200mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を30m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 8
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 200 mm and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 30 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例9
溶湯面とノズルとの先端との距離を200mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を60m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 9
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 200 mm and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 60 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例10
溶湯面とノズルとの先端との距離を200mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を90m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 10
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 200 mm and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 90 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
実施例11
溶湯面とノズルとの先端との距離を200mmとし、ノズル出口の保護ガス組成物の流速を120m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果、溶湯からの燃焼は確認されなかった。
Example 11
The same procedure as in Example 1 was performed except that the distance between the molten metal surface and the tip of the nozzle was 200 mm and the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 120 m / s. As a result of this example, combustion from the molten metal was not confirmed.
比較例1
ノズル出口の保護ガス組成物の流速を220m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果では、保護ガス組成物の導入時に保護膜の破壊が生じ、溶湯からの燃焼が観察された。また、炉内で過剰なフッ化水素の発生が見られた。
Comparative Example 1
The same procedure as in Example 1 was performed except that the flow rate of the protective gas composition at the nozzle outlet was 220 m / s. In the result of this example, destruction of the protective film occurred when the protective gas composition was introduced, and combustion from the molten metal was observed. In addition, excessive hydrogen fluoride was generated in the furnace.
比較例2
ノズル4出口の保護ガス組成物の流速を2m/sとした以外は、実施例1と同様の手順を行った。本例の結果では、保護ガス組成物の溶湯1面への到達がスムーズでなく、保護膜の形成が生じない箇所が出、結果、溶湯1からの燃焼が観察された。
Comparative Example 2
The same procedure as in Example 1 was performed, except that the flow rate of the protective gas composition at the outlet of the
比較例3
溶湯1とノズル4の先端との距離を520mmとした以外は、実施例4と同様の手順を行った。本例の結果では、保護ガス組成物の導入時に保護膜の破壊が生じ、溶湯1からの燃焼が観察された。
Comparative Example 3
The same procedure as in Example 4 was performed except that the distance between the
比較例4
溶湯1とノズル4の先端との距離を5mmとした以外は、実施例4と同様の手順を行った。本例の結果では、保護ガス組成物の溶湯1面への到達がスムーズでなく、保護膜の形成が生じない箇所が出、結果、溶湯1からの燃焼が観察された。
Comparative Example 4
The same procedure as in Example 4 was performed except that the distance between the
1 マグネシウム又はマグネシウム合金の溶湯
2 炉
3 炉体
3’ 炉体
4 ノズル
5 保護ガス組成物の炉内での流れ
1 Molten metal of magnesium or
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