WO2021227120A1 - 一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置及使用方法 - Google Patents
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Abstract
一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其包括微波加热装置和输料平台；微波加热装置包括微波源（16）、调谐器（15）、波导（14）、水负载；输料平台包括给料仓（1）、给料机（2）、进料斗（3）、扼流圈（5）、金属管（6，7）、石英管（8，9）、加热腔（10）、出料器（13）。以及一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法，其包括以下步骤：步骤1，估算矿石金属矿物含量；步骤2，计算矿石穿透深度；步骤3，确定入料尺寸；步骤4，确定物料厚度；步骤5，确定出料速度V p0；步骤6，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置的单双管确定；步骤7，矿石输送与加热、矿石物料参数优化以及微波参数优化。该装置通过矿石入料尺寸和物料厚度的确定，能够确定微波助磨装置的单双管设置，提高微波设备对矿石的助磨效率。
Description
本发明涉及矿石助磨技术领域，具体涉及一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置及使用方法。
磨矿是一项极其耗能的工作，传统的磨矿方法只有1-2％的能量能被有效利用，同时会产生大量的钢材损耗，提高磨矿过程的能量利用率，减少磨矿能耗是一个亟待解决的问题。
微波作为一种新的加热方式，在生活中已经得到广泛的应用。微波辅助磨矿是利用微波能量加热使得矿石内部吸波矿物与透明矿物产生温度差，矿石产生裂纹，从而提高矿石的可磨性，大量实验表明微波辅助磨矿能够降低磨矿能耗。金属硫化物和大部分金属氧化物都具良好的吸波性能，这表明大部分金属矿石都能够与微波发生作用，那么研发工业应用的微波辅助磨矿设备也具有普遍的适用性。
工业应用需要实现矿石的大功率、短时间照射和大批量连续流动，一般的输送带通过大功率微波加热器难以同时满足耐高温、耐打火、透波性好、承载力强和低损耗的要求，目前国外采用单层石英圆管重力式落矿穿过矩形波导管的方式能够满足这一要求。但单管的缺点在于：配合频率915MHz、100kW大功率的微波源使用时，穿过矩形波导管的重力式落矿管道最佳直径应略小于WR975型波导管宽度(24.8cm)，且管道直径不宜大幅调整(缩小管道直径会导致微波空照浪费能量)，这就导致矿石厚度的不可调，从而严重影响着微波辅助磨矿的效率和适用的矿石类型。在照射不同类型的矿石，尤其是高金属矿物含量的矿石时，采用单管落矿矿石厚度过大而微波加热深度小，管道表面矿石与内部矿石照射效果两极化严重。表面矿石与内部矿石出现两种情况：一是管道表面的矿石产生助磨效果，内部矿石无变化；二是内部的矿石产生助磨效果，表面的矿石照射过度浪费能量甚至出现烧结现象增加磨矿难度。基于此，需要提出一种可调矿石厚度的微波辅助磨矿装置，实现矿石厚度与微波加热深度的匹配，从而提高微波辅助磨矿效率。
发明内容
本发明旨在克服现有技术不足，目的是提供一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置及使用方法，采用重力式双管通过同轴内外管之间落矿，通过改变内管外径的方式来改变矿石厚度，实现矿石厚度与微波作用范围的匹配，并提出一套针对该设备的使用方法，确定与微波作用匹配的矿石入料尺寸和矿石物料厚度，实现微波辅助磨矿效率的最优化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，包括微波加热装置和输料平台；所述微波加热装置包括微波源、调谐器、波导管、水负载；所述微波源输出端与调谐器一端连接，调谐器另一端与波导管连接，波导管尾端沿径向设置有水负载，水负载用于吸收多余微波能量，波导管水平段中部开设有圆形通孔；所述输料平台包括给料仓、给料机、进料斗、扼流圈、金属管、石英管、出料器；所述给料仓入口端与上游工序产物给料系统相连接，用于储存上游工序给料，给料仓出口端与给料机的进口端连接，给料机用于将给料仓矿石输送到进料斗，控制给料机速度与出料机速度匹配防止进料斗物料溢出；给料机的出口端位于进料斗的上方，进料斗出口端与上端金属管一端连接，上端金属管下端与石英管一端连接，石英管另一端穿过波导管上的圆形通孔后与下端金属管一端连接，下端金属管另一端与出料器进口端连接，出料器出口端与下游碎磨设备连接，所述出料器为星型出料器，用于控制矿石物料的出料速度，从而控制矿石的加热时间，所述上端金属管、波导管及下端金属管外表面包裹有扼流圈，用于限制微波能量的逃逸，扼流圈上设置有供波导管穿过的穿孔，波导管的微波输入端及微波输出端均安装有拍摄装置，用于监测矿石照射时的宏观现象和温度。
所述上端金属管和下端金属管结构相同，且具有两种情况，当为双管结构时，均包括金属内管和金属外管，金属外管内套有金属内管；当为单管结构时，所述上端金属管和下端金属管分别是上端金属外管和下端金属外管；所述石英管具有两种情况，当为双管结构时，包括石英内管和石英外管，石英外管内套有石英内管；当为单管结构时，所述石英管为石英外管；所述金属内管与石英内管内安装有内管封堵塞。
所述拍摄装置包括屏蔽箱、高速摄像机和红外热像仪，所述屏蔽箱内安装有高速摄像机及红外热像仪，两个所述屏蔽箱分别安装于波导管的微波输入端及微波输出端。
所述的金属外管和石英外管的外径为20-23cm。
所述金属内管和石英内管的外径根据矿石类型确定。
一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法，包括下列步骤：
步骤1，根据矿石表面的金属矿物面积占比估算矿石金属矿物含量，分为高含量(＞50％)、中等含量(10-50％)及低含量(＜10％)；
步骤2，计算矿石穿透深度，在实验室内用矢量网络分析仪分别测试矿石块状样品和颗粒状样品的介电常数，将块状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D
p，此时块状矿石的穿透深度L
b＝D
p；将颗粒状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D
p，此时颗粒状矿石的穿透深度L
p＝D
p；
其中：D
p为穿透深度，λ
0为波长，ε′为介电常数实部，ε″为介电常数虚部；
步骤3，确定入料尺寸，分为现场估算法和测试法；
(1)现场估算法：根据矿石表面的金属矿物含量及金属矿物结构进行估算：
当金属矿物含量高时，金属矿物结构块状分布，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；
当金属矿物含量中等时，金属矿物结构呈点状或脉状分布，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；
对于其他的情况，选用测试法确定；
(2)测试法：根据块状矿石的穿透深度L
b；
当块状矿石样品穿透深度L
b＜10mm时，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；
当块状矿石样品穿透深度L
b＝(10-50)mm，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；
当块状矿石样品穿透深度L
b＞50mm的矿石，不适合微波辅助磨矿；
步骤4，确定物料厚度，通过步骤3确定的入料尺寸，物料厚度分为两类：
(1)当入料尺寸为中碎产品尺寸时，物料厚度为20cm；
(2)当入料尺寸为细碎产品尺寸时，物料厚度为10-20cm；当入料尺寸为细碎产品尺寸时，且颗粒状矿石的穿透深度L
p<5cm时，物料厚度为10cm；
步骤5，确定出料速度V
p0(kg/s)，给料仓进料速度T
m(kg/s)，初始出料速度V
p0由公式(2)计算；
V
P0＝T
m (2)
步骤6，微波助磨装置的内管外径确定：
当步骤3计算的入料尺寸为中碎产品尺寸时，不设置上端金属内管、石英内管及下端金属内管，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管、石英外管及下端的金属外管组成的单管结构，上端金属外管、石英外管及下端金属外管的内孔形成加热腔，上端金属外管、石英外管及下端金属外管的外径均20cm；
当步骤3计算的入料尺寸为细碎产品尺寸时，设置上端金属内管、石英内管及下端金属内管，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管、石英外管、下端的金属外管、上端金属内管、石英内管及下端金属内管组成的双管结构，外管与内管形成加热腔，上端金属内管、石英内管及下端金属内管的外径取5cm，对于颗粒状矿石的穿透深度Lp<5cm时，增大上端金属内管、石英内管及下端金属内管的外径至10cm；
步骤7，矿石输送与加热，矿石从进料斗下落在自身重力的作用下通过加热腔，微波源的微波功率为100kW，通过波导管传递加热腔内，并且在扼流圈的作用下将微波能量限制在加热腔中，防止能量的逃逸，利用加热腔内的微波能量对矿石进行加热，在矿石加热过程中，若打火现象剧烈，降低矿石的入料尺寸；若矿石温度分布两极化严重，减小矿石入料物料厚度；在矿石加热过程中，通过高速摄像机拍摄矿石照射时的宏观现象，红外热像仪观察矿石的温度分布，对步骤3的入料尺寸和步骤5的出料速度参数进行优化；加热后的矿石进入出料器内，经过出料器进入下游碎磨设备；若矿石破坏弱对磨矿没有促进作用，通过降低出料速度增大照射时间，同时将给料仓多余的矿石从其他出口排出进入另一套重力式可控矿石厚度的微波助磨装置；若矿石烧结对磨矿起到负作用，降低微波功率。
本发明采用上述技术方案的有益效果是：(1)提供了重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，采用同轴双管内外管之间流动矿石，可改变内管外径调整物料厚度，避免了因矿石厚度不可调导致的表面和内部矿石照射效果两极化严重；(2)提出了重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法，确定了与微波作用匹配的矿石入料尺寸和物料厚度，从而增加了微波辅助磨矿设备的适用范围，提高了微波设备对矿石的辅助磨矿效率。
图1是重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置结构示意图；
图2是重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置部分结构俯视图；
图3是重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置输料示意图；其中图3(a)为单管结构；图3(b)为双管结构；
图4是重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法流程图；
图5是入料尺寸划分标准示意图；
1-给料仓，2-给料机，3-进料斗，4-内管封堵塞，5-扼流圈，6-金属外管，7-金属内管，8-石英外管，9-石英内管，10-加热腔，12-法兰，13-出料器，14-波导管，15-调谐器，16-微波源，17-屏蔽箱，18-高速摄像机，19-红外热像仪。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1至图3所示，一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，包括微波加热装置和输料平台；所述微波加热装置包括微波源16、调谐器15、WR975型波导管14、水负载；所述微波源16输出端与调谐器15一端连接，调谐器15另一端与波导管14连接，波导管14尾端沿径向设置有水负载，水负载用于吸收多余微波能量，波导管14水平段中部开设有圆形通孔；所述输料平台包括给料仓1、给料机2、进料斗3、扼流圈5、金属管、石英管、出料 器13；所述给料仓1入口端与上游工序产物给料系统相连接，用于储存上游工序给料，给料仓1出口端与给料机2的进口端连接，给料机2用于将给料仓1矿石输送到进料斗3，控制给料机2速度与出料机速度匹配防止进料斗3物料溢出；给料机2的出口端位于进料斗3的上方，进料斗3出口端与上端金属管一端通过法兰12连接，上端金属管下端与石英管一端连接，石英管另一端穿过波导管14上的圆形通孔后与下端金属管一端连接，下端金属管另一端与出料器13进口端通过法兰12连接，出料器13出口端与下游碎磨设备连接，所述出料器13为星型出料器，用于控制矿石物料的出料速度，从而控制矿石的加热时间，所述上端金属管、波导管14及下端金属管外表面包裹有扼流圈5，用于限制微波能量的逃逸，扼流圈5上设置有供波导管14穿过的穿孔，波导管14的微波输入端及微波输出端均安装有拍摄装置，用于监测矿石照射时的宏观现象和温度。
所述上端金属管与石英管一端之间及石英管另一端与下端金属管之间均通过卡槽的方式配合连接。
所述上端金属管和下端金属管结构相同，且具有两种情况，当为双管结构时，均包括金属内管7和金属外管6，金属外管6内套有金属内管7；当为单管结构时，所述上端金属管和下端金属管分别是上端金属外管6和下端金属外管6；所述石英管具有两种情况，当为双管结构时，包括石英内管9和石英外管8，石英外管8内套有石英内管9；当为单管结构时，所述石英管为石英外管8；当为双管结构时，所述金属内管7与石英内管9内安装有内管封堵塞4。
所述拍摄装置包括屏蔽箱17、高速摄像机18和红外热像仪19，所述屏蔽箱17内安装有高速摄像机18及红外热像仪19，两个所述屏蔽箱17分别安装于波导管14的微波输入端及微波输出端。
所述的金属外管6和石英外管8的外径20cm。
所述金属内管7和石英内管9的外径根据矿石类型确定。
所述微波源16最大功率100kW。
一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法，如图4和图5所示，包括下列步骤：
步骤1，根据矿石表面的金属矿物面积占比估算矿石金属矿物含量，分为高含量(＞50％)、中等含量(10-50％)及低含量(＜10％)；
步骤2，计算矿石穿透深度，在实验室内用矢量网络分析仪分别测试矿石块状样品和颗粒状样品的介电常数，将块状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D
p，此时块状矿石的穿透深度L
b＝D
p；将颗粒状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D
p，此 时颗粒状矿石的穿透深度L
p＝D
p；
其中：D
p为穿透深度，λ
0为波长，ε′为介电常数实部，ε″为介电常数虚部；
步骤3，确定入料尺寸，分为现场估算法和测试法；
(1)现场估算法：根据矿石表面的金属矿物含量及金属矿物结构进行估算：
当金属矿物含量高时，金属矿物结构块状分布，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；
当金属矿物含量中等时，金属矿物结构呈点状或脉状分布，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；
对于其他的情况，选用测试法确定；
(2)测试法：根据步骤2计算的块状矿石的穿透深度L
b；
当块状矿石样品穿透深度L
b＜10mm时，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；
当块状矿石样品穿透深度L
b＝(10-50)mm，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；
当块状矿石样品穿透深度L
b＞50mm的矿石，不适合微波辅助磨矿；
步骤4，确定物料厚度，通过步骤3确定的入料尺寸，将物料厚度分为两类：
(1)当入料尺寸为中碎产品尺寸时，物料厚度为20cm；
(2)当入料尺寸为细碎产品尺寸时，物料厚度为10-20cm；当入料尺寸为细碎产品尺寸时，且颗粒状的矿石穿透深度Lp<5cm时，物料厚度为10cm；
步骤5，确定出料速度V
p0(kg/s)，给料仓1进料速度T
m(kg/s)，初始出料速度V
p0由公式(2)计算；
V
P0＝T
m (2)
步骤6，微波助磨装置的内管外径确定：
当步骤3计算的入料尺寸为中碎产品尺寸时，不设置上端金属内管7、石英内管9及下端金属内管7，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管6、石英外管8及下端的金属外管6组成的单管结构，上端金属外管6、石英外管8及下端金属外管6的内孔形成加热腔10，上端金属外管6、石英外管8及下端金属外管6的外径均20cm；
当步骤3计算的入料尺寸为细碎产品尺寸时，设置上端金属内管7、石英内管9及下端金属内管7，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管6、石英外管8、下端的金属外管6、上端金属内管7、石英内管9及下端金属内管7组成的双管结构，外管与内管形成加热腔10，上端金属内管7、石英内管9及下端金属内管7的外径取5cm，对于颗粒状 的矿石穿透深度Lp<5cm时，增大上端金属内管7、石英内管9及下端金属内管7的外径至10cm；
步骤7，矿石的输送与加热，矿石以出料速度V
p0从进料斗3下落在自身重力的作用下通过加热腔10，微波源16的微波功率为100kW，通过波导管14传递至加热腔10内，且微波沿着波导管14方向传递，并且在扼流圈5的作用下将微波能量限制在加热腔10中，防止能量的逃逸，利用加热腔10内的微波能量对矿石进行加热，在矿石加热过程中，若打火现象剧烈，降低矿石的入料尺寸；若矿石温度分布两极化严重，减小矿石入料物料厚度；在矿石加热过程中，通过高速摄像机18拍摄矿石照射时的宏观现象，红外热像仪19观察矿石的温度分布，对步骤3的入料尺寸和步骤5的出料速度参数进行优化；加热后的矿石进入出料器13内，经过出料器13进入下游碎磨设备；若矿石破坏弱对磨矿没有促进作用，通过降低出料速度增大照射时间，同时将给料仓1多余的矿石从其他出口排出进入另一套重力式可控矿石厚度的微波助磨装置；若矿石烧结对磨矿起到负作用，降低微波功率。
Claims (6)
- 一种重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其特征在于，包括微波加热装置和输料平台；所述微波加热装置包括微波源、调谐器、波导管、水负载；所述微波源输出端与调谐器一端连接，调谐器另一端与波导管连接，波导管尾端沿径向设置有水负载，水负载用于吸收多余微波能量，波导管水平段中部开设有圆形通孔；所述输料平台包括给料仓、给料机、进料斗、扼流圈、金属管、石英管、出料器；所述给料仓入口端与上游工序产物给料系统相连接，用于储存上游工序给料，给料仓出口端与给料机的进口端连接，给料机用于将给料仓矿石输送到进料斗，控制给料机速度与出料机速度匹配防止进料斗物料溢出；给料机的出口端位于进料斗的上方，进料斗出口端与上端金属管一端连接，上端金属管下端与石英管一端连接，石英管另一端穿过波导管上的圆形通孔后与下端金属管一端连接，下端金属管另一端与出料器进口端连接，出料器出口端与下游碎磨设备连接，所述出料器为星型出料器，用于控制矿石物料的出料速度，从而控制矿石的加热时间，所述上端金属管、波导管及下端金属管外表面包裹有扼流圈，用于限制微波能量的逃逸，扼流圈上设置有供波导管穿过的穿孔，波导管的微波输入端及微波输出端均安装有拍摄装置，用于监测矿石照射时的宏观现象和温度。
- 根据权利要求1所述的重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其特征在于：所述上端金属管和下端金属管结构相同，且具有两种情况，当为双管结构时，均包括金属内管和金属外管，金属外管内套有金属内管；当为单管结构时，所述上端金属管和下端金属管分别是上端金属外管和下端金属外管；所述石英管具有两种情况，当为双管结构时，包括石英内管和石英外管，石英外管内套有石英内管；当为单管结构时，所述石英管为石英外管；所述金属内管与石英内管内安装有内管封堵塞。
- 根据权利要求2所述的重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其特征在于：所述的金属外管和石英外管的外径20-23cm。
- 根据权利要求2所述的重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其特征在于：所述金属内管和石英内管的外径根据矿石类型确定。
- 根据权利要求1所述的重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置，其特征在于：所述拍摄装置包括屏蔽箱、高速摄像机和红外热像仪，所述屏蔽箱内安装有高速摄像机及红外热像仪，两个所述屏蔽箱分别安装于波导管的微波输入端及微波输出端。
- 一种基于权利要求1所述的重力式双管可控矿石厚度的微波助磨装置的使用方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1，根据矿石表面的金属矿物面积占比估算矿石金属矿物含量，分为高含量(＞50％)、中等含量(10-50％)及低含量(＜10％)；步骤2，计算矿石穿透深度，在实验室内用矢量网络分析仪分别测试矿石块状样品和颗粒状样品的介电常数，将块状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D p，此时块状矿石的穿透深度L b＝D p；将颗粒状矿石介电常数的实部、虚部代入公式(1)计算出D p，此时颗粒状矿石的穿透深度L p＝D p；
其中：D p为穿透深度，λ 0为波长，ε′为介电常数实部，ε″为介电常数虚部；步骤3，确定入料尺寸，分为现场估算法和测试法；(1)现场估算法：根据矿石表面的金属矿物含量及金属矿物结构进行估算：当金属矿物含量高时，金属矿物结构块状分布，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；当金属矿物含量中等时，金属矿物结构呈点状或脉状分布，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；对于其他的情况，选用测试法确定；(2)测试法：根据块状矿石的穿透深度L b；当块状矿石样品穿透深度L b＜10mm时，入料尺寸为细碎产品尺寸(＜14mm)；当块状矿石样品穿透深度L b＝(10-50)mm，入料尺寸为中碎产品尺寸(＜50mm)；当块状矿石样品穿透深度L b＞50mm的矿石，不适合微波辅助磨矿；步骤4，确定物料厚度，通过步骤3确定的入料尺寸，物料厚度分为两类：(1)当入料尺寸为中碎产品尺寸时，物料厚度为20cm；(2)当入料尺寸为细碎产品尺寸时，物料厚度为10-20cm；当入料尺寸为细碎产品尺寸时，且颗粒状矿石的穿透深度L p<5cm时，物料厚度为10cm；步骤5，确定出料速度V p0(kg/s)，给料仓进料速度T m(kg/s)，初始出料速度V p0由公式(2)计算；V P0＝T m (2)步骤6，微波助磨装置的内管外径确定：当步骤3计算的入料尺寸为中碎产品尺寸时，不设置上端金属内管、石英内管及下端金属内管，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管、石英外管及下端的金属外管组成的单管结构，上端金属外管、石英外管及下端金属外管的内孔形成加热腔，上端金属外管、石英外管及下端金属外管的外径均20cm；当步骤3计算的入料尺寸为细碎产品尺寸时，设置上端金属内管、石英内管及下端金属 内管，重力式可控矿石厚度的微波助磨装置为由上端的金属外管、石英外管、下端的金属外管、上端金属内管、石英内管及下端金属内管组成的双管结构，外管与内管形成加热腔，上端金属内管、石英内管及下端金属内管的外径取5cm，对于颗粒状矿石的穿透深度Lp<5cm时，增大上端金属内管、石英内管及下端金属内管的外径至10cm；步骤7，矿石输送与加热，矿石从进料斗下落在自身重力的作用下通过加热腔，微波源的微波功率为100kW，通过波导管传递加热腔内，并且在扼流圈的作用下将微波能量限制在加热腔中，防止能量的逃逸，利用加热腔内的微波能量对矿石进行加热，在矿石加热过程中，若打火现象剧烈，降低矿石的入料尺寸；若矿石温度分布两极化严重，减小矿石入料物料厚度；在矿石加热过程中，通过高速摄像机拍摄矿石照射时的宏观现象，红外热像仪观察矿石的温度分布，对步骤3的入料尺寸和步骤5的出料速度参数进行优化；加热后的矿石进入出料器内，经过出料器进入下游碎磨设备；若矿石破坏弱对磨矿没有促进作用，通过降低出料速度增大照射时间，同时将给料仓多余的矿石从其他出口排出进入另一套重力式可控矿石厚度的微波助磨装置；若矿石烧结对磨矿起到负作用，降低微波功率。
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