JP5131008B2 - 鋳鋼片の表層溶融処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば鋼の連続鋳造鋳片や、圧延後の鋼片などの鋳鋼片の表層を、プラズマアークによって溶融処理する表層溶融処理装置に関する。

例えば連続鋳造後の鋳片や圧延後の鋼片等の鋳鋼片の表層を溶融して改質する処理には、プラズマ加熱装置が用いられている（特許文献１）。

プラズマ加熱装置は、例えば搬送される鋳鋼片に対向配置されたトーチを陰極、鋳鋼片を陽極とする直流プラズマのプラズマトーチを備え、当該プラズマトーチと鋳鋼片との間にプラズマアークを発生させ、そのプラズマアークの熱によって鋳鋼片を加熱して溶融し、その表層を例えば改質処理するようになっている。

鋳鋼片の表層を溶融処理する場合には、鋳鋼片の表層をプラズマアークによって均一に加熱、溶融させ、可能な限り鋳鋼片の表層を均一に溶融処理する必要がある。したがって、例えば特許文献１等に示す技術を用いて幅の広い鋳鋼片を加熱する場合、鋳鋼片の幅方向全体にプラズマアークを照射して、鋳鋼片を加熱する必要がある。このため、交流磁場の電磁力を用いてプラズマアークを鋳鋼片の幅方向（鋳鋼片の搬送方向と直角方向）に往復移動させて、鋳鋼片の上面を幅方向に渡って全面に加熱溶融することが提案されている（特許文献２）。なお本願において「鋳鋼片」とは、「鋳片」と「鋼片」を総称したものであり、「鋳片」とは鋳造後の鋼材を、「鋼片」とは鋳片を圧延した後の鋼材を各々意味している。

特開２００４−１９５５１２号公報 特開昭５４−１４２１５４号公報

しかしながら前記従来の技術は、鋳鋼片の表層を均一に加熱溶融するには好適であったが、幅方向の両端面部分まで溶融するには至らなかった。これは、幅方向の両端面部分をも溶融するように表層部分全域にプラズマアークを照射して加熱すると、当該端面部分の溶融した溶融部が鋳鋼片から下方に垂れ落ちてしまうためである（いわゆる「溶け落ち」現象）。

しかしながらこの幅方向の両端面部分についても溶融処理しないと、表面性状が荒れた状態のままになったり、当該部分に存在する介在物を浮遊させて除去することができなくなる。したがってこの状態のまま圧延処理を実施すると、製品表面に疵が発生するおそれがある。そこで従来は、鋳鋼片の幅方向の両端面部分の内側の表層の溶融処理を行った後、溶融処理が行われていない幅方向の両端面部分を切り捨てる必要があった。このため、鋳鋼片の歩留まりが低下していた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、鋳鋼片の表層溶融処理を行なうにあたり、前記溶け落ち現象を防止して鋳鋼片の幅方向の両端面部分まで表層溶融処理を可能とし、鋳鋼片の歩留まりを向上させることを目的としている。

前記の目的を達成するため、本発明は、搬送されていく鋳鋼片の表層を、当該鋳鋼片の上方に配置したプラズマトーチからのプラズマアークによって溶融処理する装置であって、前記搬送されていく鋳鋼片の両側に配置され、当該鋳鋼片の幅方向の端面に接触させて、前記プラズマアークによって溶融した前記端面の溶融部を保持する一対の保持部材を有することを特徴としている。

本発明の表層溶融処理装置は、前記鋳鋼片の両側に、鋳鋼片の幅方向の端面に接触可能な一対の保持部材を有しているので、鋳鋼片の表層を溶融処理した際に、保持部材を接触させることで溶融部は下方に垂れる落ちることなく、保持される。これによって、鋳鋼片の幅方向の両端面部分まで、すなわち鋳鋼片の幅方向全体にプラズマアークを照射して、当該鋳鋼片の表層を溶融処理することができる。このように幅方向の両端面部分も製品として有効に利用することができるので、鋳鋼片の歩留まりを向上させることができる。

前記保持部材は、銅からなる本体部と、前記本体部に対して前記鋳鋼片側に取り付けられ、銅からなる接触部とを有していてもよい。また前記保持部材は、銅からなる本体部と、前記本体部に対して前記鋳鋼片側に取り付けられ、耐火物からなる接触部とを有していてもよい。

なお、鋳鋼片が搬送されてプラズマアークによる加熱溶融領域を過ぎると、それに伴って溶融部は、幅方向の両側から次第に加熱温度が低下して冷却され、固化していく。そこで、この冷却効果を高めるため、前記保持部材の内部に、冷却媒体を流通させる冷却流路を設けてもよい。

前記保持部材には、当該保持部材を前記鋳鋼片の搬送方向と直角方向に水平移動させる移動機構が設けられていてもよい。

前記移動機構を制御して前記一の保持部材を所定の位置に移動させ、前記鋳鋼片をセンタリングさせてもよい。かかる場合、例えば一の保持部材を所定の位置に移動させた後、他の保持部材を移動させて一対の保持部材で鋳鋼片を保持することによって、鋳鋼片がセンタリングされる。

前記保持部材には、前記溶融処理中の鋳鋼片を接地する接触端子が設けられていてもよい。

前記保持部材において、前記鋳鋼片の幅方向の端面との接触面における前記鋳鋼片の搬送方向に沿った方向の両端部は、当該端面側に凸に湾曲した湾曲部を有していてもよい。

本発明によれば、鋳鋼片の表層溶融処理を行なうにあたり、当該鋳鋼片の幅方向の両端面部分まで表層溶融処理できるので、鋳鋼片の歩留まりを向上させることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる表層溶融処理装置１の構成の概略を正面からみた模式図であり、図２は表層溶融処理装置１の構成の概略を上方からからみた模式図であり、図３は表層溶融処理装置１の構成の概略を側方からみた模式図である。なお、本実施の形態においては、鋳鋼片として連続鋳造される鋳片Ｈを用いる。

表層溶融処理装置１は、水平方向に搬送される鋳片Ｈの搬送ライン（図示せず）上に設けられている。表層溶融処理装置１は、例えば搬送方向Ａに搬送される鋳片Ｈの上方に配置された、１本または複数本のプラズマトーチ１０を有している。本実施の形態では、図示の都合上、４本のプラズマトーチ１０を描図している。プラズマトーチ１０は、複数本の場合には鋳片Ｈの幅方向Ｂ（搬送方向Ａと直角方向）に沿って並列に配置されるが、プラズマトーチ１０自体の本数は任意である。

プラズマトーチ１０は、直流電源１１に接続されており、この直流電源１１からの直流電流による電圧の印加によって、鋳片Ｈとの間に直流プラズマによるプラズマアークＰを形成することができる。プラズマアークＰには、鋳片Ｈ側からプラズマトーチ１０側に電流Ｉが流れている。プラズマアークＰを生成するためのプラズマガスとしては、非酸化性ガス、例えばアルゴンガスや、水素とアルゴンガスの混合ガスが好ましい。なお、直流電源１１からの直流電流の供給は、例えば汎用コンピュータの制御部１００によって制御される。

プラズマトーチ１０の下方であって、かつ鋳片Ｈの搬送方向Ａの前後、すなわちプラズマトーチ１０によって形成されるプラズマアークＰの搬送方向Ａの前後には、プラズマアークＰに対して交流磁場を発生させるための電磁コイル１２、１３が、対向して平行に設けられている。電磁コイル１２、１３は、例えばループ状で、鋳片Ｈの幅方向Ｂに延伸している。これらの電磁コイル１２、１３は、交流電源（図示せず）からの交流電流の供給によって、プラズマアークＰに対して周期的にローレンツ力を作用させて、プラズマアークＰを、供給される交流の周波数に応じて鋳片Ｈの幅方向Ｂに往復移動させる。これによって、プラズマアークＰは、鋳片Ｈの上面に対して幅方向Ｂの全体に渡って照射可能になっている。

プラズマトーチ１０よりも搬送方向後方側には、搬送方向Ａからみて、各プラズマトーチ１０間の位置に、鋳片Ｈの上面に対して、金属や合金等のアロイング素材１４を添加するためのアロイング素材供給部１５が配置されている。また鋳片Ｈの上面における幅方向Ｂの端面近傍に対しても、アロイング素材１４を添加するためのアロイング素材供給部１５が配置されている。これらアロイング素材供給部１５に対しては、アロイング素材ホッパー（図示せず）から、アロイング素材となる所定量のアロイング素材１４が供給される。なお、アロイング素材としては、例えばニッケル、フェロニッケルなどが用いられる。

鋳片Ｈにおけるプラズマトーチ１０からのプラズマアークＰが照射される位置の幅方向Ｂの両側、すなわち前記搬送されていく鋳片Ｈの両側には、一対の保持部材２０、２１が対向配置されている。保持部材２０、２１には、それぞれシャフト２２、２３を介して、例えばシリンダなどの移動機構２４、２５が設けられている。これら移動機構２４、２５によって、保持部材２０、２１は、それぞれ鋳片Ｈの幅方向Ｂに水平移動し、鋳片Ｈの幅方向Ｂの端面に接触可能となっている。なお、これら移動機構２４、２５の動作は、制御部１００によって制御される。制御部１００では、一の移動機構２４を制御して一の保持部材２０を所定の位置に移動させた後、他の移動機構２５を制御して他の保持部材２１を移動させ、一対の保持部材２０、２１で鋳片Ｈを保持することによって、鋳片Ｈをセンタリングすることができる。

次に例えば搬送方向Ａに向かって右側に配置されている保持部材２０について詳しく説明する。保持部材２０は、図４に示すように、本体部３０と鋳片Ｈの幅方向Ｂの側面に接触する接触部３１とを有し、本体部３０に対して接触部３１が取り付けられている。本体部３０には、例えば熱伝導率のよい銅が用いられ、接触部３１には、例えばＢＮ系（セラミック系）耐火物が用いられる。また接触部３１には、その他のセラミック系材料、例えばアルミナ、ジルコニア、窒化ホウ酸、窒化アルミ等を用いてもよい。

本体部３０は略直方体形状であり、本体部３０の上面は鋳片Ｈの上面よりも高く配置されている。また搬送方向Ａの本体部３０の長さＬは、図５に示すように、溶融処理の際に鋳鋼片Ｈの表層が溶融した溶融部Ｍを保持するのに十分な長さ、すなわち鋳片Ｈの幅方向Ｂの端部の溶融部Ｍが固化するのに十分な長さに設定されている。

接触部３１は平板状であり、図４に示すように、本体部３０の鋳片Ｈ側の側面の上部に固定されている。接触部３１の上面は、鋳片Ｈの上面よりも高く配置されている。また接触部３１の上下方向の長さＤは、溶融処理の際の溶融部Ｍを保持するのに十分な長さに設定され、すなわち接触部３１の下面が溶融部Ｍの下面よりも低くなるように設定されている。搬送方向Ａの接触部３１の長さは、図５に示すように、上述した本体部３０と同じ長さＬに設定されている。このような構成により、接触部３１が溶融処理中の鋳片Ｈの幅方向Ｂの側面に接触した際に、溶融部Ｍが下方に垂れないように保持することができる。

本体部３０の内部には、例えば冷却媒体としての冷却水が流通する冷却流路３２が設けられている。冷却流路３２は、本体部３０の外部に設けられた冷却水供給源３３に連通している。また、冷却流路３２には、冷却水の流れを制御するバルブや流量調整部等を含む供給機器群３４が設けられている。そして冷却水は、冷却流路３２、冷却水供給源３３、供給機器群３４内を循環する。例えば冷却水供給源３３内の冷却水は、供給機器群３４によって本体部３０内の冷却流路３２に供給されて流通した後、冷却水供給源３３に流入する。

接触部３１の下方であって、本体部３０の鋳片Ｈ側の側面には、鋳片Ｈの幅方向Ｂの側面に接触する接触端子としてのアース端子３５が設けられている。アース端子３５は、本体部３０内を通る導線３６を介して直流電源１１に接続されている。そしてアース端子３５は、溶融処理中の鋳片Ｈの幅方向Ｂの側面に接触した際、当該鋳片Ｈを直流電源１１に接地することができる。なおアース端子３５及び導線３６は、本体部３０と絶縁されている。アース端子３５は、鋳片Ｈの搬送方向Ａに回転可能な回転ローラ構成としてもよい。

なお、保持部材２１の構成については、上述した保持部材２０と同様であるので説明を省略する。

本実施の形態にかかる表層溶融処理装置１は、以上の構成を有しており、次にその表層溶融処理装置１で行われる鋳片Ｈの溶融処理について説明する。

先ず鋳片Ｈを搬送し、その先端部分がプラズマトーチ１０の下方（保持部材２０、２１の位置）まで搬送されたときに鋳片Ｈの搬送を停止する。その後図６（ａ）に示すように、制御部１００によって一の移動機構２４を制御して、一の保持部材２０を所定の位置に移動させる。この所定の位置とは、鋳片Ｈが保持部材２０と接触した際に、鋳片Ｈがセンタリングされる位置である。次に図６（ｂ）に示すように、他の移動機構２５を制御して他の保持部材２１を鋳片Ｈ側に移動させて、鋳片Ｈが保持部材２０に接触するまで移動させる。したがって、このとき鋳片Ｈの幅方向Ｂの両側面には保持部材２０、２１がそれぞれ接触し、鋳片Ｈは保持部材２０、２１に保持されている。こうして鋳片Ｈがセンタリングされる。

鋳片Ｈがセンタリングされると、直流電源１１によってプラズマトーチ１０に電圧を印加し、プラズマトーチ１０内に直流プラズマを発生させる。そうすると図６（ｃ）に示すように、プラズマトーチ１０と鋳片Ｈとの間に直流プラズマによるプラズマアークＰが形成される。このとき、電磁コイル１２、１３を作動させることで、図６（ｃ）の往復矢印で示したように、プラズマアークＰは交流磁場による電磁力を受けて、鋳片Ｈの幅方向Ｂに往復移動する。そしてこのプラズマアークＰの形成と同時に、図３に示したように、アロイング素材供給部１５から所定の金属や合金等のアロイング素材１４を鋳片Ｈに対して連続的に供給しつつ、鋳片Ｈを搬送する。

そうすると鋳片Ｈの表層は、プラズマアークＰの熱によってアロイング素材１４と共に溶融し、鋳片Ｈの表層上に溶融部Ｍが形成される。この溶融部Ｍは、プラズマアークＰの往復移動によって鋳片Ｈの幅方向Ｂの全体に渡って形成されるが、溶融部Ｍは保持部材２０、２１に保持されるので、鋳片Ｈから垂れ落ちることがない。

また、かかるプラズマアークＰによる鋳片Ｈの表層の溶融処理の際に、冷却水供給源３３から保持部材２０、２１内に冷却水を流通させる。そうすると図２に示すように、冷却水によって、溶融部Ｍの幅方向Ｂの両端部が冷却され固化する。その後、鋳片Ｈの搬送中に、溶融部Ｍの内側部分も自然冷却されて固化し、鋳片Ｈの表層を改質する一連の溶融処理が終了する。

以上の実施の形態によれば、溶融処理中の鋳片Ｈの幅方向Ｂの両側面に保持部材２０、２１を接触させているので、鋳片Ｈの表層を幅方向Ｂ全体に渡って溶融処理しても、溶融部Ｍは下方に垂れ落ちることなく、保持部材２０、２１によって保持される。このように鋳片Ｈの幅方向Ｂの両端面部分まで表層溶融処理を行うことができるので、当該幅方向Ｂの両端面部分を製品として有効に利用することができ、鋳片Ｈの歩留まりを向上させることができる。

また、鋳片Ｈの表層溶融処理中、保持部材２０、２１を流通する冷却水によって溶融部Ｍを冷却することができるので、溶融部Ｍを短時間で固化させることができ、鋳片Ｈの表層溶融処理を短時間で行うことができる。このように溶融部Ｍが短時間で固化すると、保持部材２０、２１の搬送方向Ａの長さＬを短くすることができ、表層溶融処理装置１を小型化することができる。

また、保持部材２０、２１は移動機構２４、２５によって鋳片Ｈの幅方向に移動できるので、鋳片Ｈの幅に応じて適切に鋳片Ｈの側面に接触することができる。さらに制御部１００は、移動機構２４、２５を制御して保持部材２０、２１を移動させることにより、鋳片Ｈをセンタリングすることができるので、溶融処理中、鋳片Ｈの幅方向Ｂの全体にプラズマアークＰを確実に形成することができる。

ところで、従来溶融処理中の鋳片Ｈの接地は、例えば鋳片Ｈの下面に接触するように別途専用の接触部材が用いられていた。この点、本実施の形態の保持部材２０、２１には、アース端子３５が設けられているので、従来のように別途接触部材を設ける必要がない。また、アース端子３５は移動機構２４、２５によって鋳片Ｈの幅方向Ｂに移動できるので、鋳片Ｈの幅に応じて、当該鋳片Ｈを適切に接地することができる。

また、保持部材２０、２１の本体部３０には熱伝導率のよい銅が用いられているので、本体部３０を流通する冷却水によって溶融部Ｍを効率よく冷却することができる。

さらに、保持部材２０、２１の接触部３１には耐火物が用いられているので、接触部３１が鋳片Ｈとの接触によって磨耗しても容易にメンテナンスを行うことができる。またかかる耐火物は安価であり、保持部材２０、２１の製造を低廉化することができる。さらにアロイング素材１４を添加して溶融処理を行う場合、アロイング素材１４を溶融部Ｍに均一に拡散させるため、すなわちアロイング素材１４が拡散する前に溶融部Ｍが固化するのを防止するため、溶融部Ｍを急冷しないほうが好ましく、この様な場合には接触部３１に用いられる耐火物は溶融部Ｍの冷却速度を緩和する効果もある。なお、この溶融部Ｍの冷却速度の調節は、上述した冷却水供給源３３や供給機器群３４を制御して、保持部材２０、２１内を流通する冷却水の温度や流量を調節することによって行うこともできる。

以上の実施の形態では、保持部材２０、２１の本体部３０と接触部３１には、それぞれ銅と耐火物を用いていたが、本体部３０と接触部３１には共に銅を用いてもよく、あるいは共に耐火物を用いてもよい。例えば金属や合金等のアロイング素材１４を添加せずに鋳片Ｈの表層を溶融処理する場合には、溶融部Ｍを急冷することができるので、本体部３０と接触部３１に銅を用いることができる。

以上の実施の形態では、保持部材２０、２１の平面形状は長方形であったが、図７に示すように、鋳片Ｈとの接触面における搬送方向Ａに沿った方向の両端部が、鋳片Ｈの幅方向Ｂの側面側に凸に湾曲した（凸状に湾曲するが鋳片Ｈ側に突出していない）湾曲部４０、４０を有していてもよい。かかる場合、鋳片Ｈが保持部材２０、２１の長手方向に対して斜めに搬送されても、保持部材２０、２１が受ける衝撃を緩和することができる。

以下、鋳片の表層を溶融処理する実施例において、表面溶融処理後の鋳片の品質について説明する。なお、鋳片の表層を溶融処理する装置としては、先に図１〜図５に示した表面溶融処理装置１を用い、保持部材２０、２１の本体部３０と接触部３１には銅を用いた。

本実施例においては、連続鋳造を完了した０．２％Ｃ鋼（単位は質量％）の厚さ２５０ｍｍ、幅を１２００ｍｍの鋳片Ｈを切断後に、前記した実施の形態で説明したプラズマ加熱溶融により溶融処理する方法を用いて、アロイング素材１４としてニッケルを添加して連続鋳造鋳片Ｈの表層５ｍｍを１０ｍｍ／ｓの速度で溶融処理した。このとき、各プラズマトーチ１０の間隔は１００ｍｍとし、１２本のトーチを使用した。また鋳片Ｈの両側に配置された保持部材２０、２１の接触部３１の上面の位置は、鋳片Ｈの上面から１０ｍｍ上方であり、接触部３１の下面の位置は、鋳片Ｈの上面から１０ｍｍ下方である。すなわち、接触部３１の上下方向の長さＤは２０ｍｍである。

かかる溶融処理を行った結果、鋳片Ｈの幅方向Ｂの全体に溶融深さが５ｍｍ±０．５ｍｍの均一な溶融状態が得られ、鋳片Ｈの幅方向Ｂの端部の溶け落ち現象も起こらなかった。またカントバック分析でニッケル濃度が１質量％を目標として添加した、アロイング素材１４としてのニッケルの濃度も１±０．２％と良好であった。

なお前記実施例において、保持部材２０、２１の接触部３１にＢＮ系耐火物を用いて、鋳片Ｈの表層溶融処理を行った場合でも、上述と同様に鋳片Ｈの幅方向Ｂの端部の溶け落ち現象が起こらず、アロイング素材１４の濃度も良好であった。

また前記実施例において、鋳片Ｈの幅を８００ｍｍとし、プラズマトーチ１０の本数を８本に減少させても、上述と鋳片Ｈの幅方向Ｂの端部の溶け落ち現象が起こらず、アロイング素材１４の濃度も良好であった。さらに鋳片Ｈの幅を変更しても、鋳片Ｈのセンタリングが適切に行われたことも確認できた。

本発明は、例えば鋼の連続鋳造鋳片や、圧延後の鋼片などの鋳鋼片の表層を、プラズマアークによって溶融処理する際に有用である。

本実施の形態にかかる表層溶融処理装置１の構成の概略を正面からみた模式的に示した説明図である。 本実施の形態にかかる表層溶融処理装置１の構成の概略を上方からみた模式的に示した説明図である。 本実施の形態にかかる表層溶融処理装置１の構成の概略を側方からみた模式的に示した説明図である。 保持部材の縦断面図である。 保持部材の平面図である。 鋳片の表層溶融処理の工程を示した説明図であり、（ａ）は一の保持部材を所定の位置に移動させた状態を示し、（ｂ）は鋳片をセンタリングさせた状態を示し、（ｃ）は鋳片の表層を溶融処理している状態を示している。 他の実施の形態にかかる保持部材の平面図である。

符号の説明

１ 表層溶融処理装置
１０ プラズマトーチ
１１ 直流電源
１２、１３ 電磁コイル
１４ アロイング素材
１５ アロイング素材供給部
２０、２１ 保持部材
２２、２３ シャフト
２４、２５ 移動機構
３０ 本体部
３１ 接触部
３２ 冷却流路
３３ 冷却水供給源
３４ 供給機器群
３５ アース
３６ 導線
４０ 湾曲部
１００ 制御部
Ｈ 鋳片
Ａ 搬送方向
Ｂ 幅方向
Ｄ 接触部の上下方向の長さ
Ｌ 本体部の搬送方向の長さ
Ｍ 溶融部
Ｐ プラズマアーク

Claims (8)

1. 搬送されていく鋳鋼片の表層を、当該鋳鋼片の上方に配置したプラズマトーチからのプラズマアークによって溶融処理する装置であって、
   前記搬送されていく鋳鋼片の両側に配置され、当該鋳鋼片の幅方向の端面に接触させて、前記プラズマアークによって溶融した前記端面の溶融部を保持する一対の保持部材を有することを特徴とする、鋳鋼片の表層溶融処理装置。
2. 前記保持部材は、銅からなる本体部と、前記本体部に対して前記鋳鋼片側に取り付けられ、銅からなる接触部とを有することを特徴とする、請求項１に記載の表層溶融処理装置。
3. 前記保持部材は、銅からなる本体部と、前記本体部に対して前記鋳鋼片側に取り付けられ、耐火物からなる接触部とを有することを特徴とする請求項１に記載の表層溶融処理装置。
4. 前記保持部材の内部には、冷却媒体を流通させる冷却流路が設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の鋳鋼片の表層溶融処理装置。
5. 前記保持部材には、当該保持部材を前記鋳鋼片の搬送方向と直角方向に水平移動させる移動機構が設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の鋳鋼片の表層溶融処理装置。
6. 前記移動機構を制御して前記一の保持部材を所定の位置に移動させ、前記鋳鋼片をセンタリングさせる制御部を有することを特徴とする、請求項５に記載の鋳鋼片の表層溶融処理装置。
7. 前記保持部材には、前記溶融処理中の鋳鋼片を接地する接触端子が設けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の鋳鋼片の表層溶融処理装置。
8. 前記保持部材において、前記鋳鋼片の幅方向の端面との接触面における前記鋳鋼片の搬送方向に沿った方向の両端部は、当該端面側に凸に湾曲した湾曲部を有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の鋳鋼片の表層溶融処理装置。

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