KR101181039B1 - 친환경 슬래그 개선제 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 슬래그 개선제에 관한 것으로, 금속 제련 공정에 사용되는 첨가제로서 분진 발생을 억제하는 슬래그 개선제에 있어서, 유리 생산, 소비, 재활용 및 처리에서 발생하는 각종 폐 유리를 분쇄 또는 과립 형태로 성형한 제1 물질로 이루어지되, 상기 제1 물질은 SiO2 50 내지 75 중량%, Na2O 0.5 내지 20 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, 및 CaO 5.5 내지 20 중량%를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하며, 따라서 본 발명에 의하면 슬래그의 배제 후 냉각과정에서 발생하는 분진을 억제하여 비산먼지를 감소시키고, 슬래그를 토목건설용 골재로 재활용할 수 있게 되며, 각종 산업에서 발생하는 폐기물 또는 부산물을 재활용할 수 있게 된다.
Description
본 발명은 친환경 슬래그 개선제에 관한 것으로, 보다 상세하게는 각종 금속, 화학, 요업 처리 공정에서 발생하는 부산물 또는 폐기물을 개선하고자 하는 슬래그의 성분에 따라 적절히 혼합하고, 분말 또는 과립 형태로 성형 제조하여 투입, 활용함으로써 슬래그 냉각 시 발생하는 비산 분진의 억제하는 등 슬래그의 물성을 향상시키는 것은 물론, 자원 재활용을 가능하게 한 친환경 슬래그 개선제에 관한 것이다.
일반적으로 제강공정에서는 용강의 염기도를 조정하고 불순원소인 유황, 인 등을 제거하기 위하여 다량의 생석회와 백운석(dolomite) 등을 투입하는 공정이 수행된다. 이때 슬래그를 노에서 배제할 경우 슬래그에 잔존하는 생석회 등이 슬래그의 냉각 시 공기중의 수분과 결합하여 소화(Slaking) 현상이 발생, 분화되어 비산먼지의 원인이 되며 소석회는 해양, 빗물 및 지하수로 혼입되어 환경 오염의 원인이 된다. 또한, 탈O2 및 슬래그 성분조정과 용강합금을 위하여 투입되는 각종 Al, 합금철 등도 슬래그에 금속 또는 금속산화물로 잔존하여 공기와 접촉 시 급 분화됨으로써 이 또한 비산먼지의 원인이 된다.
최근에는 LF(Ladle Furnace)를 이용하여 환원정련작업을 하는 조업이 일반화됨으로써 염기도가 높은 환원성 슬래그를 형성시키게 되어 환원 슬래그에 잔존하는 생석회의 증가에 따른 슬래그의 분화 현상이 아래 표 1 환원 슬래그 XRF 화학분석에서 알 수 있는 것처럼, 더욱 심각해지고 이에 따른 슬래그의 처리 방법 또한 더욱 어려운 과제가 되고 있다.
항 목 | 중 량 (%) | 비 고 |
CaO | 58.7 | 소화 원인 |
SiO2 | 25.8 | |
Al2O3 | 6.3 | 분진 원인 |
MgO | 4.1 | |
SO3 | 2.5 | |
Fe2O3 | 1.5 |
이에 종래에는 SiO2를 주성분으로 하는 진주암(Perlite) 계열의 분말을 투입하여 공기와의 접촉을 줄이거나 팽창도를 감소시켜 분화를 억제하였으나 이 또한 효율성이 낮고 제품생산을 위하여 다시 자원을 훼손하는 등 환경오염은 물론 외화낭비의 원인이 되기도 한다.
또한 슬래그를 그대로 방치하여 비산분진을 막고자 물을 혼합하는 서냉(aging) 작업 등도 일부 시행되고 있으나 이는 수질오염의 문제를 발생시키고 고비용이 소요되는 단점이 있다.
본 발명은 위와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 금속 제련 또는 정련 중에 발생하는 슬래그가 배출 시 냉각으로 인해 분화되는 것을 억제함으로써, 분진의 발생을 줄이고 슬래그의 재활용을 용이하게 하고자 하는 데 그 목적이 있다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 금속 제련 공정에 사용되는 첨가제로서 분진 발생을 억제하는 슬래그 개선제에 있어서, 유리 생산, 소비, 재활용 및 처리에서 발생하는 각종 폐 유리를 분쇄 또는 과립 형태로 성형한 제1 물질로 이루어지되, 상기 제1 물질은 SiO2 50 내지 75 중량%, Na2O 0.5 내지 20 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, 및 CaO 5.5 내지 20 중량%를 포함하여 구성되며, 상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30의 중량부를 갖는 CaF2를 제2 물질로서 더 포함하는 슬래그 개선제를 제공한다.
삭제
또한, 상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부를 갖는 Al2O3를 제3 물질로서 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부를 갖는 FeO를 제2 또는 제4 물질로서 더 포함하는 것이 바람직하다.
따라서, 본 발명의 친환경 슬래그 개선제에 의하면, 슬래그의 배제 후 냉각과정에서 발생하는 분진을 억제하여 비산먼지를 감소시키고, 슬래그를 토목건설용 골재로 재활용할 수 있도록 하며 각종 산업에서 발생하는 폐기물 또는 부산물을 재활용할 수 있게 된다.
또한, 화학, 금속 및 요업 산업에서 발생하는 부산물 또는 폐기물을 재활용함으로써, 신규 생산을 위한 자연 훼손을 방지하고, 생산 단가를 낮출 수 있게 된다.
아울러, 유해물질의 배출을 최대한 억제하여 슬래그 물성을 개선하는 효과도 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 친환경 슬래그 개선제를 첨부도면을 참조하여 설명한다.
일반적으로 슬래그에 함유된 생석회는 다음의 반응식과 같이 냉각 과정에서 공기중의 수분과 결합하여 소석회로 소화되는 반응이 일어나게 되고, 그로 인해 비산 먼지가 분화되는 현상이 발생한다.
CaO + H2O → Ca(OH)2
이하에서 설명할 본 발명에 따른 슬래그 개선제는 슬래그에 함유된 생석회 등의 분진 성분이 냉각 과정에서 공기중의 수분과 결합되는 것을 차단함으로써, 분진 성분이 비산되는 것을 방지하도록 되어 있는 바, 슬래그의 저온점성을 향상시키는 입자간의 교착제로서 폐 유리를 사용한다. 이러한 폐 유리는 주로 생산, 소비, 재활용 및 처리에서 발생하는 각종 부산물 및 폐기물로부터 얻어지는데, 유리의 용도에 따라 다양한 화학조성을 갖추고 있으나, 주로 아래 표 2와 같은 성분으로 이루어진다.
가정용 | 포장용 | 판유리 | 파이렉스 | 크리스탈 유리 |
광섬유 | LCD | |
SiO2 | 73.0 | 72.1 | 72.5 | 71.0 | 56.4 | 54.2 | 62.3 |
Na2O | 16.0 | 14.0 | 14.5 | 4.5 | 0.5 | 0.5 | 17.2 |
K2O | 1.0 | 0.5 | 0.5 | - | 13.3 | - | |
CaO | 8.5 | 10.0 | 7.5 | - | - | 15.9 | 7.5 |
PbO | - | - | 3.7 | - | 31.0 | - | |
MgO | - | 1.0 | - | - | - | 4.4 | 1.4 |
BaO | 0.5 | - | 1.0 | - | 0.2 | - | |
B2O3 | 0.5 | - | - | 12.0 | 0.2 | 10.0 | 10.5 |
Al2O3 | 0.2 | 2.0 | - | 2.5 | 0.1 | 14.4 |
또한, 폐 유리는 위와 같은 성분을 포함한 각 원료를 1200℃이상의 온도로 용융하여 제조하는 바, 물리적 특성상 비결정 고형물로서, 1000℃ 이상의 고온에서는 유동성이 증가하지만, 저온으로 내려가면서 점성이 증가하고, 특히 900℃ 이하에서는 완전한 고형물을 이루게 된다.
따라서, 유리 성분을 포함한 본 발명에 따른 슬래그 개선제는 1000℃ 이상의 고온 슬래그에 투입되면, 처음에는 점성이 크게 감소하고 유동성이 증가하여 슬래그의 유동에 따라 넓게 분산되게 된다. 이처럼 슬래그의 유동에 따라 분산되는 슬래그 개선제의 유리 성분은 슬래그에 함유된 생석회 등의 분진 입자들과 접촉하게 된다. 이후, 슬래그의 냉각 과정에서 온도가 내려감에 따라 슬래그 개선제의 유리 성분 및 미립자의 화학성분은 점차 점성이 증가하면서 슬래그의 분진 입자들과 교착 상태를 이루게 된다. 그리고 슬래그의 온도가 900℃ 이하로 내려가면, 슬래그 개선제의 유리 성분은 슬래그의 분진 입자들과 교착된 상태로 완전한 고형물을 이루게 된다. 이처럼 슬래그의 냉각 과정에서 슬래그 개선제의 유리 성분과 슬래그의 분진 입자들이 교착된 상태로 완전한 고형물을 이루게 되면, 슬래그의 분진 입자들이 공기 중의 수분과 결합하지 못하여 비산 먼지로 분화되는 현상이 발생하지 않게 되는데, 폐유리 중 광섬유 및 LCD용 유리는 온도에 따른 열팽창 및 수축의 영향이 미미하여 본 발명에 적용하기에 가장 바람직하다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 슬래그 개선제는 분쇄 또는 과립 형태로 성형하는 과정을 거쳐 제1 물질을 이루는 바, 이 제1 물질은 SiO2 50 내지 75 중량%, Na2O 0.5 내지 20 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, 및 CaO 5.5 내지 20 중량% 를 포함하여 구성된다
상기 유리 성분에서 SiO2는 유리의 기본 성분으로, 50 중량% 미만으로 첨가되게 되면 유리화 성능이 떨어지고, 75 중량%를 초과하여 첨가되면 성형체에 크랙을 유발시키므로 상기 범위로 한정함이 바람직하다. 또한 상기 유리 성분에서 Na2O는 슬래그 개선제의 유동성을 증가시키기 위한 것으로, 0.5 중량% 미만으로 첨가되면 슬래그 개선제의 유동성이 낮아지고, 20 중량%를 초과하면 저온에서 고형화가 이루어지기 어렵다.
그리고, 상기 B2O3는 슬래그 개선제의 온도변화에 따른 팽창 및 수축도를 감소시키기 위한 것으로, 5 중량% 미만이면 체적변화 억제효과가 떨어지고, 15 중량%를 초과하면 잔여 성분들이 슬래그에 융화된다. 또한, 상기 CaO는 슬래그 개선제를 중성화시키고 슬래그의 유동성을 향상시키기 위해 첨가하는 것으로, 그 함유량이 5.5 중량% 미만이면 슬래그의 염기도가 낮아지고, 그 함량이 20 중량%를 초과하면 분진발생이 심해진다.
이때, 각종 부산물 및 폐기물에서 유래된 폐 유리로 이루어진 상기 제1 물질의 입자들은, 0㎜ 초과 5㎜ 이하의 입도를 갖도록 조정하여 슬래그에서의 확산 및 용융속도를 높이고, 대형로 등 투입장치가 자동화되어 있고 집진 기능이 강화되어 있는 경우에는 1 내지 15㎜의 입경을 갖는 펠릿의 형태로도 사용 가능하다. 이때, 위에서 언급한 것처럼 입자들을 브리켓 형태로 브리케팅하기 위해서는 전분 또는 물유리와 같은 점결제를 첨가하여야 한다.
이들 입자들을 5Ts 유도로 및 100Ts 전기로에 투입하여 분 발생량을 아래 표 3 및 표 4로 비교하였다.
슬래그 량(kg) ① | 분(10㎜이하) ② | % ② / ① X 100 |
|
제1 실시예의 개선제 미투입 | 47.8 | 13.5 | 28.2 |
제1 실시예의 개선제 투입 | 51.2 | 3.4 | 6.6 |
슬래그 량(kg) ① | 분(kg,10㎜ 이하) ② | % ② / ① X 100 |
|
제1 실시예의 개선제 미투입 | 913.2 | 815.4 | 89.2 |
제1 실시예의 개선제 투입 | 932.5 | 132.2 | 14.2 |
표 3의 5Ts 유도로 분 발생량은 주물공장에서 흔히 쓰이는 유도로에 대한 실험결과로서 생석회 양이 적어 분 발생량 또한 상대적으로 적으나, 표 4의 100Ts 아크로 분 발생량은 환원 슬래그의 경우 거의 대부분의 슬래그가 분화되는 현상이 발생하였다. 본 실험은 5회에 걸쳐 수행하였으며 객관성을 위하여 같은 로트(lot)의 고철 및 동일 강종 생산 시 슬래그 포트에서 배출된 지 약 24시간 후 슬래그 처리장에 남은 슬래그의 중량을 측정한 것으로 본 실시예의 개선제를 투입하기 전에는 기상 상태에 따라 차이는 있으나 상당량의 비산분진 발생을 육안으로도 확인할 수 있었다. 또한 본 실시예의 개선제를 투입한 후의 슬래그는 고형체의 형상을 유지하여 용도에 따라 골재로의 전환이 가능한 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 친환경 슬래그 개선제는 슬래그의 냉각 과정에서 슬래그의 분진 입자에 교착되어 고형화되는 제1 물질 즉, 유리 성분 100 중량부에 대해, 슬래그의 유동성을 증가시키기 위한 CaF2 5 내지 30 중량부를 제2 물질로서 더 포함되도록 구성된다. 슬래그의 온도가 1,000℃ 이하로 비교적 낮고, 슬래그에 함유된 생석회 등의 분진 성분이 많은 경우에는, 유리 성분을 주요 구성으로 하는 슬래그 개선제의 유동성이 떨어지게 되고, 그로 인해 유리 성분과 분진 입자 사이의 교착이 어려워 질 수 있다. 이때, 제2 실시예에 따른 친환경 슬래그 개선제는 슬래그의 분진 입자에 교착되는 유리 성분에 슬래그의 유동성을 증가시키기 위한 CaF2 성분을 더 포함하게 된다.
이러한 CaF2는 유리 성분 100 중량부에 대해 5 중량부 미만으로 첨가되면 슬래그의 유동성 증가가 미미하고, 유리 성분 100 중량부에 대해 30 중량부를 초과하여 첨가되면 산성도가 높아져서 노벽의 침식이 심해질 수 있으므로, 유리 성분 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 이때, 제2 물질로서 제1 물질에 추가되는 CaF2도 제1 물질과 마찬가지로 0㎜ 초과 5㎜ 이하의 입도를 갖는 입자, 1 내지 15㎜의 입경을 갖는 펠릿, 또는 10 내지 50㎜의 입경을 갖는 브리켓 형태로 사용 가능하다.
또한, 상기 제2 실시예의 슬래그 개선제에 첨가되는 CaF2 성분은 형석 또는 사료 부산물에서 추출되어 사용되는 것이 바람직하다. 형석에는 대략 70 내지 90 중량%의 CaF2 성분이 함유되어 있고, 사료 부산물에는 대략 65 내지 85 중량%의 CaF2 성분이 함유되어 있으며 산처리 중화물에는 수분을 포함하여 10 내지 50 중량% CaF2 성분이 함유되어 있다.
예컨대, 환원로 등 슬래그 온도가 1300℃ 이하로 비교적 낮고 잔류 생석회 성분이 많은 경우 유동성이 떨어져 표 2의 유리성분의 교착이 어려워 질 수 있으므로, 본 발명에 따른 슬래그 개선제는 조업 상황에 따라 슬래그의 용융점을 낮추는 융제로서 불화칼슘을 혼합하여 사용할 수 있는데, 본 발명에 사용될 수 있는 불화칼슘으로서는 아래 표 5의 형석 분, 표 6의 사료 부산물(인산칼슘), 그리고 표 7의 산처리 중화물을 들 수 있다.
성 분 | 중량 % | 비 고 |
CaF2 | 70 내지 90 | |
SiO2 | 10 내지 20 | |
기 타 | Al2O3, CaO, MgO 등 |
성 분 | 중량 % | 비 고 |
CaF2 | 65 내지 85 | |
CaO | 5 내지 15 |
성 분 | 중량 % | 비 고 |
CaF2 | 20 | |
수분 | 80 |
본 발명의 제3 실시예에 따른 친환경 슬래그 개선제는 슬래그의 냉각 과정에서 슬래그의 분진 입자에 교착되어 고형화되는 제2 실시예의 제1 물질 즉, 유리 성분 100 중량부에 대해, 슬래그의 유동성 증가 및 내화물 보호를 위한 Al2O3 5 내지 30 중량부가 제3 물질로서 더 포함되도록 구성된다.
상기한 실시예 2에서와 같이 불화칼슘을 융제로 사용하는 경우, 불화칼슘은 대부분 생석회와의 반응으로 중화되나, 산성산화물의 특성상 내화물을 침식할 수 있는 우려가 있다. 이에 제3 실시예에 따른 슬래그 개선제는 산화 알루미늄을 사용함으로써 염기도를 조정하게 되는 바, 실시예 2에 따른 융점강하의 효과를 거두면서도 노 내화물을 보호할 수 있게 된다.
즉, Al2O3 성분은 슬래그의 산성도를 낮춰서 내화물을 보호할 수 있고, 또한 슬래그의 유동성을 높이는 기능을 수행할 수 있다. 이러한 Al2O3 성분은 염기성 정련제로서, 유리 성분 100 중량부에 대해 5 중량부 미만으로 첨가되면 슬래그의 염기도 조정 효과가 떨어지고, 유리 성분 100 중량부에 대해 30 중량부를 초과하여 첨가되면 슬래그의 유동성을 저하시킬 수 있다. 이때, 제3 물질로서 추가되는 Al2O3도 제1 및 제2 물질과 마찬가지로 0㎜ 초과 5㎜ 이하의 입도를 갖는 입자, 1 내지 15㎜의 입경을 갖는 펠릿, 또는 10 내지 50㎜의 입경을 갖는 브리켓 형태로 사용 가능하다.
이러한 Al2O3 성분으로는 보크사이트, 테르밋 부산물, 그리고 폐 내화물 등에서 추출된 것을 사용하는 것이 바람직하다. 보크사이트에는 대략 80 내지 90 중량%의 Al2O3 성분이 함유되어 있고, 테르밋 부산물에는 대략 70 내지 90 중량%의 Al2O3 성분이 함유되어 있으며, 폐 내화물에는 대략 60 내지 99 중량%의 Al2O3 성분이 함유되어 있는데, 이는 아래 표 8, 표 9, 표 10에 표시된 바와 같으며, 이들 중 어느 하나를 독립적으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
성 분 | 중량 % | 비 고 |
Al2O3 | 80 내지 90 | |
SiO2 | 5 내지 10 | |
기 타 |
성 분 | 중량 % | 비 고 |
Al2O3 | 70 내지 90 | |
SiO2 | 10 내지 15 | |
기 타 | V2O5, MnO3 |
성 분 | 중량 % | 비 고 |
Al2O3 | 60 내지 99 | |
기 타 |
본 발명의 제4 실시예에 따른 친화경 슬래그 개선제는 슬래그의 냉각 과정에서 슬래그의 분진 입자에 교착되어 고형화되는 유리 성분 100 중량부에 대해, 슬래그의 분진 입자와 공기 중의 수분 사이의 결합을 차단하고, 복인 현상을 억제하기 위한 FeO 5 내지 30 중량부가 제2 또는 제4 물질로서 상기 제1 실시예 또는 제3 실시예에 더 포함되도록 구성된다.
생석회의 소화(Slaking) 방지를 위하여는 상기한 폐 유리에 의한 교착 방법 이외에 산화철을 투입함으로써 생석회 입자와 공기 중 수분과의 결합을 차단하는 효과를 얻을 수 있는데, 이는 산화철이 슬래그의 생석회와 결합하여 2CaO?Fe2O3를 형성하고, 이러한 2CaO?Fe2O3는 슬래그의 냉각 시 잔존하는 생석회의 입자에 피복층을 형성함으로써, 생석회가 소석회로 소화되는 반응을 차단할 수 있게 되기 때문이다. 이때, 제2 또는 제4 물질로서 추가되는 FeO도 제1 및 제3 물질과 마찬가지로 0㎜ 초과 5㎜ 이하의 입도를 갖는 입자, 1 내지 15㎜의 입경을 갖는 펠릿, 또는 10 내지 50㎜의 입경을 갖는 브리켓 형태로 사용 가능하다.
또한, 위와 같은 산화철은 환원 슬래그 중의 인 성분과 결합하여 슬래그를 형성함으로써 탈 인(P) 효과를 얻을 수 있으며, 그로 인해 슬래그의 냉각 과정에서 발생할 수 있는 복인 현상을 강력하게 억제할 수 있게 된다. 이때, FeO 성분은 유리 성분 100 중량부에 대해 5 중량부 미만으로 첨가되면 소화 방지 및 복인 억제 효과가 떨어지고, 유리 성분 100 중량부에 대해 30 중량부를 초과하여 첨가되면 슬래그에 융합되는 문제가 발생할 수 있으며, 이러한 FeO 성분은 제강 공정에서 발생하는 표 11과 같은 밀 스케일, 제강 더스트 및 각종 폐기물 등에서 추출되어 사용되는 것이 바람직하다.
성 분 | 중량 % | 비 고 |
FeO | 50 내지 98 | FeO, Fe2O3 |
기 타 | CaO, MgO 외 |
예컨대, 아래 표 12의 출강 시 용강 중 성분에서 알 수 있듯이, 제4 실시예에 따른 슬래그 개선제를 슬래그 배출 5분 이내에 투입함으로써 탈 "인"의 효과를 확인할 수 있으며 특히, 슬래그 개선제의 투입에 의한 온도 강하에 따라, 복인(復燐) 반응을 차단하는 효과가 나타나며, 슬래그의 생석회 또는 백운석에 2CaO?Fe2O3가 형성되어 공기 중의 수분은 물론 강수에 의한 소화현상도 차단할 수 있음을 확인할 수 있다.
P | S | 비 고 | |
제4 실시예의 개선제 미투입 | 21 | 20 | PPM |
제4 실시예의 개선제 투입 | 19 | 18 |
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형실시가 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 기술 사상은 상기한 실시예에 한정되지 아니 한다.
Claims (5)
- 삭제
- 금속 제련 공정에 사용되는 첨가제로서 분진 발생을 억제하는 슬래그 개선제에 있어서,
유리 생산, 소비, 재활용 및 처리에서 발생하는 각종 폐 유리를 분쇄 또는 과립 형태로 성형한 제1 물질로 이루어지되,
상기 제1 물질은 SiO2 50 내지 75 중량%, Na2O 0.5 내지 20 중량%, B2O3 5 내지 15 중량%, 및 CaO 5.5 내지 20 중량%를 포함하여 구성되며,
상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30의 중량부를 갖는 CaF2를 제2 물질로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 개선제. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부를 갖는 Al2O3를 제3 물질로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 개선제. - 제2 항에 있어서,
상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부를 갖는 FeO를 제2 물질로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 개선제. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 물질 100 중량부에 대해 5 내지 30 중량부를 갖는 FeO를 제4 물질로서 더 포함하는 것을 특징으로 하는 슬래그 개선제.
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