JP5459347B2 - 継目無金属管用丸ビレット及び継目無金属管の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、マンネスマン法により継目無金属管に加工される丸ビレット、及び継目無金属管の製造方法に関する。
継目無金属管(シームレス金属管)の製造方法として、プレス方式のユジーン法と、傾斜圧延方式のマンネスマン法とが知られている。
ユジーン法では、機械加工又は穿孔プレスにより軸心に貫通孔が形成された中空の丸ビレットを準備する。そして、押出装置を利用して、中空の丸ビレットを熱間押出加工して継目無金属管を製造する。
マンネスマン法では、穿孔機を用いて丸ビレットを穿孔圧延して中空素管を製造する。製造された中空素管を延伸圧延及び定径圧延して継目無金属管を製造する。
ユジーン法は、マンネスマン法と比較して、丸ビレットに大きな変形を加えることができる。従来、高合金の継目無金属管は、ユジーン法によって製造されている。高合金の変形抵抗は高く、高合金の継目無金属管をマンネスマン法によって製造することは困難なためである。
一方、ユジーン法では、長尺の継目無金属管を製造する場合、設備による制約を受ける。換言すれば、ユジーン法で長尺の継目無金属管を製造する場合、それに見合う大型の設備が必要である。そのため、マンネスマン法によって高合金の継目無金属管を製造するための取組が行われている。例えば、素材の丸ビレットを予め中空にしておくことが提案されている。丸ビレットを予め中空にしておくことによって、穿孔圧延時の加工量を減らすことができる。
特開2002−239612号公報(特許文献1)には、加熱炉及び傾斜穿孔圧延機を持つ継目無管製造ラインにおいて、前記加熱炉への装入前に素材を中空素管の形状に機械加工し、該中空素管形状の素材を加熱炉にて素材のゼロ延性温度を超えないように加熱した後に、前記傾斜穿孔圧延機により延伸圧延することを特徴とする継目無管の製造方法が記載されている。なお、ゼロ延性温度とは、高温域において延性が急激に低下する温度であると特許文献1に定義されている。
特開平5−277516号公報(特許文献2)には、水ガラスを内表面に塗布した中空素管を用い、マンネスマン圧延法により製管することを特徴とする高Ni合金継目無管の製造方法が記載されている。
特開2002−239612号公報 特開平5−277516号公報
しかしながら、中空の丸ビレットを穿孔圧延すると、穿孔プラグが激しく損傷し、穿孔プラグの寿命が著しく短くなるという問題がある。場合によっては、穿孔プラグの損傷により、穿孔圧延を完了できないこともある。また、穿孔圧延途中で穿孔プラグが損傷することで、中空素管の内面に疵が残る場合がある。
本発明の目的は、マンネスマン法による継目無金属管の製造工程において、穿孔プラグの損傷を低減させることができる丸ビレット、及び継目無金属管の製造方法を提供することである。
本発明による丸ビレットは、マンネスマン法により継目無金属管に加工される継目無金属管用丸ビレットであって、軸方向に沿って孔が形成されている。孔は、丸ビレットの少なくとも一方の端面において開口した開口部と、開口部と連続して形成され開口部へ向かって口径が大きくなるテーパ部とを有する。
本発明による継目無金属管の製造方法は、上記の丸ビレットを準備する工程と、丸ビレットを穿孔圧延する工程とを含む。
本発明による丸ビレット、及び継目無金属管の製造方法によれば、マンネスマン法による継目無金属管の製造工程において、穿孔プラグの損傷を低減させることができる。
図1は、穿孔プラグの概略構成を示す平面図である。 図2は、穿孔プラグの先端からの距離と、穿孔プラグの表面スケール温度との関係を示したグラフである。 図3は、穿孔プラグの先端からの距離と、穿孔プラグの表面母材温度との関係を示したグラフである。 図4は、本発明の第1の実施形態による丸ビレットの概略構成を示す断面図である。 図5は、中空の丸ビレットを用いてマンネスマン法により継目無金属管を製造する場合の製造工程の一例を示すフロー図である。 図6は、穿孔圧延工程において用いられる穿孔機の概略構成を示す平面図である。 図7は、穿孔機の側面図である。 図8は、本発明の第1の実施形態による丸ビレットを穿孔圧延する場合に、丸ビレットと穿孔プラグとが接触する様子を示した模式図である。 図9は、テーパ部のない中空の丸ビレットを穿孔圧延する場合に、丸ビレットと穿孔プラグとが接触する様子を示した模式図である。 図10は、本発明の第1の実施形態の変形例による丸ビレットの概略構成を示す断面図である。 図11は、実施例による丸ビレットの寸法を説明するための図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。なお、各図中の部材の寸法は、実際の構成部材の寸法及び各部材の寸法比率等を忠実に表したものではない。
[穿孔プラグの損傷]
本発明者は、中空の丸ビレットを穿孔圧延すると次のような問題が起こることを明らかにした。すなわち、中空の丸ビレットを穿孔圧延すると、穿孔プラグが激しく損傷し、穿孔プラグの寿命が著しく短くなる。場合によっては、穿孔プラグの損傷により、穿孔圧延を完了できないこともある。また、穿孔圧延途中で穿孔プラグが損傷することで、製造される中空素管の内面に疵が残る場合がある。
図1は、穿孔プラグ3の概略構成の一例を示す平面図である。穿孔プラグ3は、先端部31と、圧延部32と、リーリング部33と、逃げ部34とを備えている。先端部31及び圧延部32の表面は、それぞれ異なる曲率を有している。
穿孔プラグ3には、表面に酸化スケール膜や鉄及び鉄酸化物で構成されるアーク溶射被膜等の保護被膜が形成されている。保護被膜により、穿孔プラグ3の表面の断熱性が向上する。これにより、穿孔プラグ3の母材の表面が高温になるのを防止できる。また、保護被膜により、高温での潤滑性が高まる。
先端部31は、他の構成要素と比較して熱容量が小さく、高温になりやすい。さらに、先端部31は、他の構成要素と比較して強圧下を受けやすい。そのため、中実の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、先端部31が最も損傷(溶損)しやすい。
しかし、中空の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、穿孔プラグ3は、先端部31よりも、図1に示した領域Rにおいて、溶損していることが、発明者の調査により分かった。
本発明者は、穿孔プラグ3の溶損の原因を調べるため、穿孔プラグ3の表面スケール温度、及び穿孔プラグ3の母材表面温度の解析を、シミュレーションにより行った。シミュレーションに使用した主要パラメータは次の通りとした。丸ビレットはCr:25質量%、Ni:50質量%、Mo:6質量%を含有する高合金とした。丸ビレットは外径200mm、内径65mmとした。穿孔時間は20秒とした。加熱温度は1200℃とした。
結果を図2及び図3に示す。図2は、穿孔プラグ3の先端からの距離と、穿孔プラグ3の表面スケール温度C1との関係を示したグラフである。図3は、穿孔プラグ3の先端からの距離と、穿孔プラグ3の母材表面温度C2との関係を示したグラフである。図2及び図3には、穿孔プラグ3の外形を一点鎖線で示している。
図2を参照して、穿孔プラグ3の表面スケール温度C1は、最も高い箇所においても酸化スケールの融点1070℃よりも低いことが分かった。このことから、穿孔プラグ3の溶損は、機械的な因子が支配的であると推考した。すなわち、丸ビレットと穿孔プラグ3とが接触するときの機械的衝撃により、穿孔プラグ3の表面の酸化スケール層が脱落する。酸化スケール層が脱落した部分では、穿孔プラグ3の母材表面が丸ビレットと直接に接触する。断熱性の高い酸化スケール層が脱落しているため、穿孔プラグ3の母材表面は高温になる。これにより、穿孔プラグ3が溶損する。
図3を参照して、穿孔プラグ3の母材表面温度C2は、圧延部32において、相対的に高くなることが分かった。そのため、酸化スケール層が脱落した場合には、圧延部32が特に溶損しやすいと考えられる。
したがって、穿孔プラグ3の溶損を防止するためには、丸ビレットと穿孔プラグ3とが接触するときの機械的衝撃を緩和し、穿孔プラグ3の表面の保護被膜が脱落するのを防止すれば良い。
本発明者は、中空の丸ビレットの孔の内面にテーパを形成することで、丸ビレットと穿孔プラグ3とが接触するときの機械的衝撃を緩和できることを見出した。より詳しくは、孔の内面に形成されたテーパにより、丸ビレットと穿孔プラグ3との接触面積が増加し、穿孔プラグ3への応力を分散できることを見出した。
以上の知見をもとに、本発明者は、本発明を完成させた。以下、本発明の実施の形態を詳述する。
[第1の実施形態]
図4は、本発明の第1の実施形態による丸ビレット5の概略構成を示す縦断面図である。丸ビレット5には、その軸方向に沿って孔6が形成されている。孔6は、丸ビレット5の中心軸を通って、丸ビレット5の軸方向に延びる。孔6は、丸ビレット5両端において開口した開口部6a及び6bを含む。すなわち、孔6は、丸ビレット5を貫通している。
孔6は、テーパ部61と、径が概略一定のストレート部62とを含む。テーパ部61は、開口部6aと連続して、開口部6aへ向かって径が大きくなる。本実施形態では、テーパ部61は、開口部6aからの距離と孔6の径の変化量との比が一定の、いわゆる線形テーパである。テーパ部61は、テーパ角φを有している。テーパ角φは、丸ビレット5の縦断面(図4の断面)において、テーパ部61の接線と丸ビレット5の軸方向とのなす角である。
[丸ビレット5の製造方法、及び継目無金属管の製造方法]
図5〜図7を参照して、本実施形態による丸ビレット5、及び継目無金属管の製造方法を説明する。
図5は、本実施形態による継目無金属管を製造する場合の製造工程の一例を示すフロー図である。まず、丸ビレット5を準備する(準備工程、ステップS1)。
丸ビレット5は、中空の丸ビレットを機械加工してテーパ部61を形成することで得られる。中空の丸ビレットは、中実の丸ビレットを機械加工によって中空にしたものでも良いし、他の方法によって製造されたものでも良い。中実の丸ビレットを機械加工によって中空にする場合は、ボーリングとテーパ部61の形成とを同時に行っても良い。テーパ部61は、例えば旋盤によって形成される。
丸ビレット5の素材は特に限定されない。ただし、本実施形態による継目無金属管の製造方法は、丸ビレット5の素材が高合金である場合に、特に有用である。高合金は例えば、Cr:20〜30質量%、Ni:30〜60質量%、Mo:2〜10質量%を含有する高Cr‐高Ni合金である。
続いて、丸ビレット5を加熱炉に装入して加熱する(加熱工程、ステップS2)。加熱炉は、例えばロータリーハース炉又はウォーキングビーム炉である。加熱温度は、例えば1100〜1300℃である。
加熱した丸ビレット5を、加熱炉から取り出し、搬送ローラ又はプッシャ等の搬送装置により、速やかに穿孔機へと運ぶ。続いて、加熱した丸ビレット5を穿孔機により穿孔圧延する(穿孔圧延工程、ステップS3)。穿孔圧延の詳細は後述する。
本明細書では、穿孔圧延された丸ビレットを中空素管と呼び、穿孔圧延前の中空の丸ビレット5と区別して参照する。
中空素管を、搬送装置により、延伸圧延機へと運ぶ。続いて、中空素管を延伸圧延機により延伸圧延する(延伸圧延工程、ステップS4)。延伸圧延機は、例えばプラグミル又はマンドレルミルである。
延伸圧延された中空素管を、搬送装置により、定径圧延機へと運ぶ。続いて、延伸圧延された中空素管を定径圧延機により定径圧延する(定径圧延工程、ステップS5)。定径圧延機は、例えばサイジングミル又はストレッチレデューサである。以上の工程により、継目無金属管が製造される。
以下、穿孔圧延工程(ステップS3)について詳しく述べる。図6は、穿孔圧延工程において用いられる穿孔機Pの概略構成を示す平面図である。図7は、穿孔機Pの側面図である。穿孔機Pは、一対の傾斜ロール1A及び1Bと、マンドレル2と、マンドレル2の先端に取り付けられた穿孔プラグ3と、一対のディスクロール4A及び4Bとを備えている。なお、図6及び図7では、丸ビレット5及び中空素管HSの模式的断面図を併せて示している。また、図6ではディスクロール4A及び4Bを省略している。図7では、傾斜ロール1Aを省略し、傾斜ロール1Bを一点鎖線で示している。
傾斜ロール1A及び1Bは、丸ビレット5が通過するパスラインPLを挟んで互いに対向するように配置されている。図6及び図7では、傾斜ロール1A及び1Bは、水平面内に配置されている。しかし、傾斜ロール1A及び1Bは、パスラインPLを挟んで上下に配置されていても良い。以下では、パスラインPLと平行な方向をx方向、水平面内でx方向と垂直な方向をy方向、x方向及びy方向の両方に垂直な方向をz方向と定義する。
傾斜ロール1A及び1Bは、それぞれ、同軸に形成された軸部11とロール部12とを備えている。軸部11の両端は、図示しない軸受によって支持されている。傾斜ロール1A及び1Bは、図示しないモータにより、それぞれの軸部11を回転軸として互いに同一方向に回転する。
図6に示すように、傾斜ロール1A及び1Bは、xz平面に対して互いに反対方向に、交叉角γだけ傾いて配置されている。また、図7に示すように、傾斜ロール1A及び1Bは、xy平面に対して互いに反対方向に、傾斜角βだけ傾いて配置されている。
傾斜ロール1Aのロール部12の表面と、傾斜ロール1Bのロール部12の表面との間隔(ロール開度)は、入側では丸ビレット5の外径より小さい。また、それぞれのロール部12は、xz平面に対し、入側面角α1及び出側面角α2をなしている。
ディスクロール4A及び4Bは、xz平面内で、パスラインPLを挟んで互いに対向して配置されている。ディスクロール4A及び4Bは、それぞれ円弧状のガイド面を有しており、丸ビレット5をガイドする。
丸ビレット5は、図示しない前面テーブル装置によって位置調整される。例えば、電動ウェッジ等による昇降機構を備えたトラフにより、パスラインPLがマンドレル2及び穿孔プラグ3と概略同軸になるように調整される。そして、丸ビレット5は、図示しないプッシャによって、傾斜ロール1A及び1Bの方向に押し出される。
丸ビレット5の先端が傾斜ロール1Aと1Bとに噛みこまれると、丸ビレットBLは、傾斜ロール1A及び1Bによって回転させられるとともに、傾斜角βの作用により、x方向に進行させられる。これにより、丸ビレット5は、穿孔プラグ3に押し付けられ、穿孔される。すなわち、中空の丸ビレット5の内径が拡大され、中空素管HSになる。
穿孔圧延による加工度を表す指標として、穿孔比が用いられる。穿孔比は、中空素管HSの軸方向の長さを、丸ビレット5の軸方向の長さで割った値として定義される。中空の丸ビレット5を用いることで、中実の丸ビレットを用いる場合と比較して、同一の穿孔比であっても全断面減少面積を小さくできる。
[第1の実施形態の効果]
本実施形態の効果を、図8及び図9を用いて説明する。図8は、丸ビレット5を穿孔圧延する場合に、丸ビレット5と穿孔プラグ3とが接触する様子を示した模式図である。図9は、テーパ部のない中空の丸ビレットBLを穿孔圧延する場合に、丸ビレットBLと穿孔プラグ3とが接触する様子を示した模式図である。図8及び図9では、丸ビレット5及び丸ビレットBLを断面図で図示している。
図8に示すように、本実施形態では、丸ビレット5を、開口部6aを有する端面の側から穿孔プラグ3に接触させる。穿孔プラグ3は、孔6の内表面のテーパ部61と面で接触する。これに対し、図9に示すように、丸ビレットBLを穿孔圧延する場合には、穿孔プラグ3は、孔の開口の縁Lと接触する。図8と図9とを比較すれば明らかなように、本実施形態による丸ビレット5を使用することによって、孔6の内表面と穿孔プラグ3との接触面積が大きくなる。接触面積が大きくなることによって、穿孔プラグ3への応力が分散される。換言すれば、応力が局所的に集中することを防止できる。したがって、穿孔プラグ3の表面に形成された酸化スケール膜やアーク溶射被膜等の保護被膜が脱落するのを防止できる。これにより、穿孔プラグ3の溶損を防止できる。
丸ビレット5のテーパ角φは、次のように定義される穿孔プラグ3の圧延部角度θ以上であることが好ましい。
図1を参照して、穿孔プラグ3の圧延部32は、先端部31と比較して、曲率半径が1〜2桁程度大きい。そのため、圧延部32の縦断形状は、穿孔プラグ3の中心線と角度θをなす直線で近似できる。以下、角度θを穿孔プラグ3の圧延部角度θと呼ぶ。本明細書では、圧延部角度θを、圧延部32に外接する接線と、穿孔プラグ3の中心線とがなす角の最大値として定義する。圧延部角度θは、一般的には5〜20°である。
テーパ角φと圧延部角度θとが等しい場合、丸ビレット5と穿孔プラグ3との接触面積が最も大きくなる。
ただし、既述のように穿孔機Pのロール開度は通常、入側では丸ビレット5の外径よりも小さい。これにより、丸ビレット5の先端部が圧縮され、開口部6aの直径は小さくなる。したがって、丸ビレット5が穿孔プラグ3と接触するとき、テーパ角φは小さくなる。この分を考慮して、テーパ角φは、圧延部角度θ以上であることが好ましい。
上述のように、穿孔プラグ3の圧延部角度θは、一般的には5〜20°である。したがって、テーパ角φは、好ましくは5〜45°であり、さらに好ましくは6〜25°である。
テーパ部61の長さLは、穿孔プラグ3の圧延部31の長さよりも短いことが好ましい。テーパ部61において、穿孔プラグ3の圧延部31の長さよりも長い部分は、丸ビレット5と穿孔プラグ3との接触面積の増加には寄与しないためである。テーパ部61の長さLを、穿孔プラグ3の圧延部31の長さよりも短くすることで、テーパ部61を形成するための機械加工の量を減らすことができる。
テーパ部61の長さの上限は、好ましくは250mm以下であり、より好ましくは100mm以下である。テーパ部61の長さの下限は、好ましくは5mm以上であり、より好ましくは10mm以上である。
テーパ部61のうち開口部6aと隣接する領域P1は、面取り加工されていることが好ましい。丸ビレット5と穿孔プラグ3とが、領域P1で線接触することを防止できるためである。より好ましくは、テーパ部61のうち、ストレート部62と隣接する領域P2も、面取り加工されていることが好ましい。丸ビレット5と穿孔プラグ3とが、領域P2で線接触することを防止できるためである。なお、「面取り加工」は、いわゆるR面取り加工も含む。
なお、本実施形態ではテーパ部61が線形テーパである場合について説明した。しかし、テーパ部61は線形テーパに限定されない。もっとも、テーパ部61の曲率が大きいと、穿孔プラグ3との接触面積が小さくなる。したがって、テーパ部61は、線形テーパ、又は曲率の小さな非線形テーパであることが好ましい。
[第1の実施形態の変形例]
図10は、本発明の第1の実施形態の変形例による丸ビレット7の概略構成を示す断面図である。丸ビレット7は、その軸方向に沿って孔8が形成されている。孔8は、丸ビレット7の中心軸を通って、丸ビレット7の軸方向に延びる。孔8は、丸ビレット7の一方の端面において開口した開口部8aを含む。すなわち、孔8は、丸ビレット7を貫通していない。
丸ビレット7の孔8は、丸ビレット5の孔7と同様に、開口部8aと連続して、開口部8aへ向かって径が大きくなるテーパ部81と、径が概略一定のストレート部82とを含む。テーパ部81は、テーパ角φを有している。
本変形例によっても、第1の実施形態とほぼ同様の効果が得られる。すなわち、丸ビレット7を穿孔圧延する際、たとえ孔8が貫通していなくても、中実の丸ビレットを用いる場合と比較して、全断面減少面積を小さくできる。
そして、孔8の内面に形成されたテーパ部81により、丸ビレット7と穿孔プラグ3とが接触する際の接触面積が大きくなる。これにより、酸化スケール層の脱落による断熱性の低下、及び断熱性の低下による穿孔プラグ3の溶損を防止できる。
本変形例に示すように、丸ビレットに形成される孔は、当該丸ビレットの少なくとも一方の端部において開口しており、かつ、当該開口と連続して形成され当該開口へ向かって径が大きくなるテーパ部を備えていれば良い。
[その他の実施形態]
以上、本発明についての実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されず、発明の範囲内で種々の変更が可能である。
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。なお、この実施例は本発明を限定するものではない。
種々の形状の孔を有する複数の丸ビレットを用いて穿孔圧延を行い、穿孔圧延後の穿孔プラグの損傷度を比較した。
穿孔圧延に供した丸ビレットの素材は、すべてC:0.002〜0.02質量%、Si:0.01〜0.5質量%、Mn:0.1〜1質量%、Cr:23〜26質量%、Ni:47〜54質量%、Mo:6〜9質量%を含有する高Cr−高Ni合金であった。各丸ビレットの寸法を表1に示す。表1に示した記号の意味は、図11に示す通りである。すなわち、Dは丸ビレットの外径(mm)を、dは丸ビレットの内径(mm)を、Lはテーパ部の長さ(mm)を、φはテーパ角(°)をそれぞれ示している。
Figure 0005459347
表1に示す通り、発明例1〜3の各丸ビレットの外径D、及び内径dは等しかった。また、テーパ部はいずれも線形テーパであった。しかしながら、テーパ部の寸法は異なっていた。比較例の丸ビレットは同一内径の貫通孔を有し、テーパ部を有しなかった。その他の穿孔圧延の条件は全て統一して行った。なお、穿孔プラグの圧延部角度θは12°であった。圧延後のプラグ表面を目視観察して、穿孔プラグの溶損の有無を確認した。
発明例1の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、長さ8mの中空素管を2本製造しても、穿孔プラグは溶損しなかった。また、穿孔圧延された中空素管には、内面疵は発生していなかった。
発明例2の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、長さ8mの中空素管を2本製造しても、穿孔プラグは溶損しなかった。また、穿孔圧延された中空素管には、内面疵は発生していなかった。
発明例3の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、長さ8mの中空素管を2本製造しても、穿孔プラグは溶損しなかった。しかしながら、穿孔圧延された中空素管には、内面疵が発生していた。
[比較例]
比較例の丸ビレットを用いた穿孔圧延では、穿孔途中で穿孔プラグが溶損し、長さ8mの中空素管を製造することはできなかった。丸ビレットの長さを変えて穿孔圧延を行ったところ、長さ5mの中空素管を製造した時点で、穿孔プラグが溶損した。
本発明は、継目無金属管に加工される丸ビレットに広く適用可能であり、特に、マンネスマン法により製造される継目無金属管の製造方法として産業上利用可能である。
P 穿孔機
1A,1B 傾斜ロール
2 マンドレル
3 穿孔プラグ
4A,4B ディスクロール
BL,5,7 丸ビレット
HS 中空素管
6,8 孔
61,81 テーパ部
62,82 ストレート部

Claims (5)

  1. マンネスマン法により継目無金属管に加工される継目無金属管用丸ビレットであって、
    軸方向に沿って孔が形成され、
    前記孔は、前記丸ビレットの少なくとも一方の端面において開口した開口部と、前記開口部と連続して形成され前記開口部へ向かって径が大きくなるテーパ部と、径が概略一定のストレート部とを備える、丸ビレット。
  2. 前記テーパ部の前記軸方向の長さが、前記マンネスマン法に用いられる穿孔プラグの圧延部の長さよりも短い、請求項1に記載の丸ビレット。
  3. 前記テーパ部のテーパ角が、前記マンネスマン法に用いられる穿孔プラグの圧延部角度よりも大きい、請求項1又は2に記載の丸ビレット。
  4. 前記テーパ部のうち前記開口部と隣接する領域が面取りされている、請求項1〜3のいずれか一項に記載の丸ビレット。
  5. 請求項1又は2に記載の丸ビレットと、圧延部角度が前記テーパ部のテーパ角と等しい穿孔プラグとを準備する工程と、
    前記テーパ部が前記穿孔プラグと対向するように前記丸ビレットを配置して、前記丸ビレットを穿孔圧延する工程とを含む、継目無金属管の製造方法。
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