JP5987605B2 - コークス炉の炉壁診断方法およびコークス炉の炉壁補修方法 - Google Patents

Description

本発明は、老朽化したコークス炉における炭化室の炉壁の変形状態を定量的に評価するコークス炉の炉壁診断方法およびコークス炉の炉壁補修方法に関するものである。

鉄鋼業においては、石炭からコークスを製造するためにコークス炉が用いられているが、近年、コークス炉は建設から４０年を経過した老朽炉が多くなっている。

コークス炉は、レンガを薄いモルタルの層で接着しながら積み上げて、前後左右から締め付けて形状を保つ（炉締め）構造となっている。このレンガの構造体は、基礎の上に蓄熱室があり、その上側に高さ７ｍ程度、幅４００ｍｍ程度、奥行き１６ｍ程度の炭化室と呼ぶ空洞と、燃料ガスを燃焼させる幅９００ｍｍ程度の燃焼室が幅方向に交互に並び、上部にレンガの天井を配した構造である。

そして、燃焼室内部で燃料を燃焼させた熱を燃焼室の壁レンガを通して、炭化室を１０００℃以上にし、炭化室上部の装入孔から石炭を投入して、その石炭を乾留させてコークスを製造する。

出来上がったコークスは、炭化室の両端の高さ７ｍ程度で幅４００ｍｍ程度の窯口の一方から押出しラムを挿入し、炭化室内部のコークスを他の一方の窯口から排出する。

コークス炉は、建設完了後、内部で燃料を燃焼させ、レンガの温度を徐々に１０００℃以上まで昇温し、以降炉を休止するまでその温度を保ち続ける。

燃焼室と炭化室を分けるレンガ壁は炉壁と呼ばれ、燃焼ガスが炭化室に流入しないように遮蔽するとともに、燃焼熱を炭化室に伝え、天井を支える重要な役割を担っている。

炉壁には、常に天井荷重と炉締め力が作用し、押出し時には押出しラム荷重、押出し摩擦力が一時的にかかる。

天井荷重と炉締め力は炉壁構造を安定にする役割があるが、老朽化が進むと炉壁に、接合部に隙間が出来る目地切れ、レンガが１個ないし複数個外れてしまう欠損、広い面でレンガが磨耗・減肉するエグレや、広い面でレンガが倒れて炭化室側に出てくる張出しなどが起こり、このような状態の炉壁に炉締め力、押出し力が作用すると、損傷の進行や場合によってはレンガの倒壊が起こる。

また、このような、レンガのエグレ、欠損、張出し等によって壁面に凹凸が生じると、炭化室の左右の炉壁面同士の間隔（窯幅）が設計寸法から変化してしまうことに繋がり、コークスの押出し性が悪化する。

そこで、炉壁の損傷・変形が進むと、エグレに対しては不定形材の吹き付けや溶射による肉盛り、欠損などにはレンガの差し替え、張出しなど大規模な場合には積替えなどの補修を行い、健全な状態を復元するようにしている。

その際に、炉壁形状の変化はゆっくりと起こり、変形量は数ｃｍ程度で起こるが、１０００℃近い温度を保つ炉壁の形状を測定するのは困難で、これまでは、目視点検に頼ってきた。

これに対して、最近では、炭化室の炉壁形状を想定する方法がいくつか提案されている。

例えば、特許文献１〜３では、レーザー距離計を押出しラムに取り付け、炉内を前後に動かして、ある高さの形状の変化を測定する方法が提案されている。

また、特許文献４では、専用ランスにレーザーによる形状測定装置を載せ、炉内を前後に動かして形状を測定する方法が提案されている。

国際公開ＷＯ２００４／０９００７１号公報 特開２００４−１６８９５８号公報 特開２００４−２４５６８８号公報 特開２００７−１２７６７２号公報

しかしながら、上記の特許文献１〜４に記載の方法は、装置を１０００℃程の高温の炉壁の近くで、高温の炭化室内部を通して測定するため、以下のような問題点があった。

（ａ）断熱措置が大掛かりになり、測定装置が大規模になる。

（ｂ）測定時に取り付け・取り外しする場合に作業性が悪い。

（ｃ）炉壁全面を測定するためには、多数の装置を並べる必要がある。

（ｄ）装置自体が移動・走行するため、全体の蛇行や装置の振動が発生して、測定データの外乱になり、測定精度が悪化する。発生した蛇行や振動の測定は難しく、補正が困難である。

これらの問題点に対して、コークス炉から測定装置が受ける熱は高温雰囲気（空気温度）からの伝熱と、壁からの輻射熱があるが、炭化室の外部で、炭化室の下方から測定すれば、空気の対流が上に流れるため、高温空気流れを避けることができる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、老朽化したコークス炉における炭化室の炉壁の変形状態（壁面の凹凸、窯幅の変化）を、炭化室内部に測定装置を入れることなく、炭化室外部から簡便に精度良く測定することができるコークス炉の炉壁診断方法およびコークス炉の炉壁補修方法を提供することを目的とするものである。

近年、レーザー３次元測定装置あるいはレーザースキャナなどと呼ばれる装置が土木測量などで使用されている。

このレーザー３次元測定装置は、レーザー光を発射して、反射光が戻るまでの時間を測定する方式の距離計で、鉛直平面内で放射状にレーザーを回転照射し、この鉛直平面を鉛直方向を軸として１８０°水平回転させ、水平回転角度とレーザー光の発射仰角とレーザー測定距離の３つによる極座標系の測定を行い、これをＸＹＺの直交座標系に変換し、レーザーの当たった位置を測定する。

その際に、水平回転角と発射仰角を細かく分割して多数の位置を測定することで点群を得、これを表示することで、３次元形状を測定することができ、レーザー式３次元形状測定装置として用いることができる。

したがって、このレーザー式３次元形状測定装置を使用すると、炭化室の外から炭化室内部を測定することが可能となる。

そこで、本発明においては、このレーザー式３次元形状測定装置を使用して、炭化室の炉壁面の変形状態（壁面の凹凸、窯幅の変化）を測定・診断することにした。

上記の考え方に基づいて、本発明は以下の特徴を有している。

［１］コークス炉の炭化室の炉壁形状を診断する方法であって、蓋をとった炭化室の外側にレーザー式３次元形状測定装置を配置し、そのレーザー式３次元形状測定装置によって炭化室の窯口から斜めにレーザーを壁面に照射して、壁面の形状を点群として測定する工程を、炭化室の左右の壁面に対して独立して実施した後、左右を独立して測定した壁面の形状（点群）を、炭化室周辺の基準物を元に合成して、一つの形状データにまとめて左右合成炉壁形状（点群）とし、その左右合成炉壁形状（点群）から左右の壁面間の距離（窯幅）を計算して、炉壁形状の診断を行うことを特徴とするコークス炉の炉壁形状診断方法。

［２］前記左右合成炉壁形状（点群）から、炉壁の設計形状を基準にして、各測定点のずれ量を計算し、そのずれ量を壁面の凹凸量として、炉壁形状の診断を行うことを特徴とする前記［１］に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法。

［３］前記左右合成炉壁形状（点群）から、炉壁の設計形状を基準にして、各測定点のずれ量を計算するに際して、炉枠金物を基準にして前記左右合成炉壁形状（点群）と設計形状の位置を合わせ、前記左右合成炉壁形状（点群）の奥行き方向を回転移動により前記設計形状に合わせて、各測定点のずれ量を計算することを特徴とする前記［２］に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法。

［４］前記［２］または［３］に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法で求まる壁面の凹凸量から炉壁の補修量を決めて炉壁の補修を行うことを特徴とするコークス炉の炉壁補修方法。

本発明においては、老朽化したコークス炉における炭化室の炉壁の変形状態（壁面の凹凸、窯幅の変化）を、炭化室内部に測定装置を入れることなく、炭化室外部から簡便に精度良く測定することができる。

本発明の一実施形態における測定状態を示す斜視図である。 本発明の一実施形態における測定方法の基本的な考え方を示す上面図である。 本発明の一実施形態での測定結果（炉壁全体形状）の一例を示す図である。 本発明の一実施形態での測定結果（炉壁面の凹凸）の一例を示す図である。

本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の一実施形態における測定状態を示す斜視図であり、図２は本発明の一実施形態における測定方法の基本的な考え方を示す上面図である。

図１、図２に示すように、本発明の一実施形態においては、コークス炉の炭化室１０の炉壁形状を診断するに際して、炭化室１０の外側にレーザー式３次元形状測定装置２０を配置し、レーザー式３次元形状測定装置２０によって、蓋１２をとった状態の窯口１１から斜めにレーザー２１を照射して、炉壁（壁面）１３の形状を点群として測定する工程を、炭化室１０の左右の壁面１３ａ、１３ｂに対して独立して実施した後（図２（ａ）、（ｂ））、左右を独立して測定した壁面の形状を、炭化室１０周辺の基準物（例えば、半径が既知の球状体２２）を元に合成して、一つの形状データ（点群）にまとめて左右合成炉壁形状とし（図２（ｃ））、その左右合成炉壁形状から左右の壁面間の距離（窯幅）を計算して、炉壁形状（壁面の凹凸、窯幅の変化）の診断を行うようにしている。

すなわち、炭化室１０はその上側に高さ７ｍ程度、幅４００ｍｍ程度、奥行き１６ｍ程度の大きさで、窯口１１が幅４００ｍｍ程度、高さ７ｍ程度の細長い構造になっており、この外からレーザー２１を照射すると、レーザー２１の光軸が壁面１３に浅い角度で入射する。左右両側の炉壁１３ａ、１３ｂを一度に測定しようとすると、レーザー２１の入射角度が非常に浅くなり、不利である。また、浅い角度で入射すると、壁面１３が張り出していると、その奥が陰になり、レーザー２１が届かず、測定が出来ない。このため、炉壁１３ａ、１３ｂを片側ずつ測定することにしている。

なお、窯口１１は幅・高さ方向に炭化室１０の一側面を完全に開放できるため、炉壁１３以外にレーザー２１を遮るものがなく、測定範囲を広く取ることができる。

そして、測定したデータは、そのままでは左右ばらばらであるが、それぞれ独立して評価が可能である。壁面１３は凹凸があるが、全体としては平面を構成しているので、測定した点群から平均平面を算出し、平均平面からの各点の距離を計算することで、局部の凹凸状態を数値化することが可能である。距離の計算は、各点と平均平面の法線方向距離を計算してもよいし、窯（炭化室）１０の幅方向で距離を計算しても良い。また、高分解能のレーザー式３次元形状測定装置であれば、測定点の間隔が非常に小さく、多量の点が得られるので、ある程度の面積ごとに測定点の平均位置を計算して、点の量を減らすとともに、平均化により測定誤差を少なくすることも可能である。さらに、点群から小さな三角形要素（ポリゴン）を作成して、小さな面の組み合わせで全体を表現する方法で、データ量の削減と平均化する方法で評価してもよい。

ただし、炭化室１０からコークスを押出す際に、幅４００ｍｍ程度の炭化室１０に、幅３５０ｍｍ程度の押出しラムを挿入するので、押出しラムが円滑に通過できるかどうかは、左右の壁面間の距離（窯幅）が重要な情報となる。

この窯幅を算定する際には、左右の炉壁１３ａ、１３ｂを独立して評価してもよいが、この実施形態においては、前述したように、独立して得られた左右の炉壁１３ａ、１３ｂのデータ（点群）を合成して、一つのデータ（点群）にして、窯幅を算定するようにしている。

すなわち、次のようにして、左右の炉壁１３ａ、１３ｂのデータ（点群）を合成して一つのデータ（点群）にする。

まず、専用の基準体（例えば、半径が既知の球状体）２２を窯口１１の周辺に複数個（例えば４個）配置して、この球状体２２を左右の炉壁１３ａ、１３ｂの測定と同時に測定する。次に、それぞれの測定データの中の球状体２２の中心位置を算出する。そして、球状体２２同士の位置関係は変わらないことから、左右それぞれの測定データの中の球状体２２の中心位置の一対一の対応を見つけ、それらが重なるように片方の点群を移動することで、独立していた点群を一つにまとめる。

なお、基準体は専用のものを使用しても良いし、位置の特定が容易なものが周囲にあれば、それを流用してもよい。

これにより、左右の壁面１３ａ、１３ｂの相対位置関係が明確になり、窯幅の評価が可能になる。

そして、この左右壁面を合成したデータを使用すると、もともとの炉壁の設計形状と現在の炉壁の形状の違いを評価できるようになる。

ちなみに、コークス炉はコークスを押出す際に、コークスケーキ（出来上がったコークスの塊が積み重なった全体構造を指す）が壁面にこすれにくいように、コークスが出て行く側の窯幅を、押出しラムを挿入する側の窯幅より３０ｍｍ程度広くするテーパー形状になっている。すなわち、奥行１６ｍに対して３０ｍｍ程度のテーパーが両側にあり、前述のような、個別の測定点群から計算する平均平面では、ずれが生じる可能性もある。

これに対して、左右壁面を合成した点群であれば、窯幅の拡がり具合も明らかになるので、設計形状と点群との距離計算による壁面の凹凸の評価が可能となる。 その際に、合成点群と設計形状の位置あわせには、何らかの基準が必要になる。

この実施形態では、窯１０の外部の付帯設備も同時に測定できるため、これらが基準となりえる。しかし、長期使用した付帯設備は、変形も著しく、必ずしも原形をとどめているわけではないので、適切な付帯設備を選ぶ必要がある。

窯口１１付近には、いくつかの鉄製の部材があるが、その中の炉枠とよばれる部材は、傷みが進むと取替え補修を行うことや、炉壁１３を基準として取り付けされるため、炉壁１３との位置関係が最も明確であるなどから、基準として適切である。

炉枠の下側短辺の上側角部の左右からの中心位置は、レーザー式３次元形状測定装置２０から近く多数の点が得られ、形状が明確であるので、位置を特定しやすい。

具体的には、次の手順で炉枠下側短辺の上側角部中心位置を特定する。

まず、一方の縦柱の直交する２面の点群から平均平面を算出する。次に、２面の交差から直線を算出する。次に、他方の縦柱も同様に直線を算出する。そして、炉枠下側短辺の上側の面の点群から平均平面を算出する。

次に、前の２本の直線と平均平面とが交わる点（各一点）を定義する。２つの点を結ぶ直線上で、両方からの距離が等しくなるちょうど中間の点を中心位置とする。この中心位置と、設計図から作成した炭化室平面形状データの該当位置が一致するように点群を移動してあわせる。

次に、窯の奥行き方向（長手方向）は鉛直方向を軸として点群を回転させて合わせる。

これに最適な基準は存在しないため、壁の点群と設計基準形状が最適に一致するようにするか、目視で一致するように合わせる。このとき、点群から変形の少ない部分を選んで設計形状とあわせるのがよりよい。

なお、鉛直方向のずれがある場合には、炭化室床面を設計形状の床面と平行になるようにあわせるのがよい。

ちなみに、左右壁面の合成には誤差が生じる場合がある。誤差には左右の幅が一定に生じる平行誤差と、軸を中心に回転で生じる回転角度誤差がある。特に回転角度誤差は基準から離れるほど誤差が大きくなる。誤差が生じると左右壁面のテーパーを正確に表すことができなくなるため、補正を行う必要が生じる場合がある。このような場合には、壁面の正常な部分を見つけ出し、その部分が設計形状に合うように右または左の点群を個別にまたは同時に移動させることで誤差を補正することができる。このような操作は左右の点群の縦の断面または水平断面のデータを抽出し、設計形状の線と合わせて２次元的に表示しながら、修正を加えていくことで操作が容易となる。

なお、レーザー式３次元形状測定装置（以下、測定装置）は一般的にがっしりした三脚に載せて測定を行う。

その際に、測定装置と三脚と表示用ＰＣで構成する測定ユニットによって測定が可能であり、可搬性がよく、専用のランスや駆動装置が不要となり、機動性が高い。

また、一つの測定ユニットで広範囲を測ることが可能で、移動も容易なため、一つの測定ユニットで２回の測定に分けて測定ができるため、複数の測定ユニットを用意する必要がない。

また、測定ユニットを固定した状態で必要な範囲を全て測定することができ、振動や蛇行などの外乱を排除でき、測定結果の精度の悪化、補正を極力小さくすることができる。

なお、固定した状態で、測定装置の上下方向を重力方向（鉛直方向）に合わせて測定するのが基本であるが、泡タイプの水準器で合わせる程度では高精度は望めず、補正データを得ることも出来ないため数値の補正も出来ない。そこで、測定装置に内蔵された鉛直方向センサで点群を補正しておくことが可能である。これを使用すると、設計形状との合わせ込みにおいて、鉛直方向を合わせる必要がなくなる。

測定したデータは保管しておき、同じ窯の任意の日時の測定データを比較することができる。比較するには、２つのデータが設計形状に対してよく合わせられている必要があるが、合成処理や設計形状と合わせる作業では完全に一致しないことも多い。なお、通常炉壁の変形は全体が大きく変化することはなく、部分的に生じることが多い。本発明における測定方法では固定したところから測るため、外乱が少なく、別の日時に測定したデータでも形状自体はよく一致することがわかった。このため、別の日時のデータが２つある場合に、両方のデータの変化していない部分を精密に合わせることにより、変化している部分の変化量を精度よく計算することができる。精密にあわせるためには、前述の合成の補正処理と同様に、異なる日時の左右点群のデータから同じ奥行き位置の縦断面または同じ高さ位置の水平断面を抽出し、同じグラフに２次元表示し、変化の無い部分の点群が重なるように補正するのが良い。このときにどちらかの炉壁データの左右炉壁を分割して、もう一方の形状によく一致するように壁ごとに別々の補正を行うとなおよい。このようにして２つあるいは複数の一定期間を置いたデータの差分をとることで、損傷の進行を定量的に管理したり、補修前後のデータを比較することで補修の仕上がりを評価することが可能となる。

また、窯口の下方に測定装置を固定することができるので、上方に向かって流れる高温空気が測定装置に直接当たることがなく、輻射熱をさえぎるための耐熱装備のみですむため、測定装置が大掛かりになることがない。

また、炭化室外側に配置した測定装置の炭化室側に遮熱材を配し、炉内からの輻射熱を遮り、測定時のみ遮熱材を移動して測定することも可能である。

そして、上記の測定方法を用いて、実際のコークス炉を測定して得られた左右壁面の合成データを図３に示す。また、壁面の凹凸状態を示すデータを図４に示す。なお、図４では、正の値の個所は凹状態（削れている個所）であり、負の値の個所は凸状態（張出している個所）である。

上記のようにして算出した炭化室の壁面の変形状態（炉壁面の凹凸、窯幅の変化）に基づいて、壁面が基準面より張出している部分や削れている部分を特定し、測定した寸法に従って補修量を決めて補修を行う。

ちなみに、張出している部分では、出来上がったコークスを押出す際に引っかかりになり、抵抗が増えるため、この部分は削り取る補修を行う。

また、削れている部分（エグレや欠損している部分）では、コークスに突起が生じるので、その部分を埋めるためにモルタル吹き付け塗布や溶射補修を行う。

なお、このとき、形状データに基づき、補修範囲や補修厚みをあらかじめ施工者に指示することができ、補修精度を高くすることができる。すなわち、従来は、目視では数ｍくらいの比較的狭い範囲の周辺の状態との差で補修範囲や補修厚みを経験的に決めていたが、ここでは、炉壁全体の形状から最適な補修量（補修範囲、補修厚）の特定が可能となる。

さらに、形状データから事前に補修材料の使用量を特定し、目安とすることができる。たとえば、溶射補修の際の埋める体積を求め、溶射材の重量に換算し、補修時の歩留まり（吹き付けた総量に対し、壁に定着する材料の比率で大体の値が特定できる）から使用量を特定し、補修仕上がりの確認項目の一つとすることができる。

また、補修後に再度測定し、補修結果の評価が可能である。さらに、補修前後の形状について、補修しなかった部位を合わせておいて、補修部位の変化を比較することで、補修量の確認や、作業者の習熟度の評価・教育も可能である。前述したような基準（例えば、窯の外部の付帯設備）を基にすることができるため、２回の別々の測定を同じ基準で合わせることができるので、比較も高精度に行うことができる。これに対して、炉頂などでは基準となる対象物が近くにないため合わせる操作が難しい。

そして、電子データが得られることから、ロボットや専用機による自動補修も可能となる。補修面は基準面に一致して極力平らにすることが望ましいが、一般に補修は広い範囲を薄く施工することが多く、人手による溶射補修では補修量の細かい調節は困難であり、自動化されれば精密な動きで高精度な補修が可能となる。

この実施形態で使用するレーザー式３次元形状測定装置は遠くの測定対象ほど測定データ数（点群数）が少なくなるという特性がある。しかし、炉壁の損傷はその多くが窯口付近に発生することが知られており、この実施形態では窯口からの測定であるので、必要な部分の高精度な測定結果を得ることが可能である。

また、コークス炉の窯口は押出機側とコークス排出側の相対する２面があり、両側から中央部が少し重なるように範囲を選択して、両側から測定したデータを基準情報（窯の長さなど）やデータの重なり部分を元にあわせることにより、中央部においても情報量をなるべく減らすことなく、炉壁全面の形状データを得ることも可能である。

なお、この実施形態では、天井や壁に付着する炭素が固定化された皮膜（炉壁カーボンと呼ぶ）も測定することができる。炉壁と炉壁カーボンをデータから見分けることは困難であるが、測定時に目視で炉壁カーボン付着位置を特定することは可能であり、また天井付近などは数十ｍｍの厚さで付着することがあり、容易に判定可能である。炉壁カーボンは適切な量の付着であれば押出時の摩擦軽減に有効であるが、厚みが増えすぎるとかえって摩擦増加につながり、炉壁カーボンを焼却によって適切に厚みを制御して管理することが望ましい。炉壁カーボンについて、目視で付着位置を特定し、形状データから厚みを推定し、焼却を最適化することも可能となる。

このようにして、この実施形態においては、老朽化したコークス炉における炭化室の炉壁面の変形状態（壁面の凹凸、窯幅の変化）を、炭化室内部に測定装置を入れることなく、炭化室外部から簡便に精度良く測定することができる。

すなわち、測定装置を駆動する機構が不要であるため、測定装置の運搬・点検が容易になる。また、炉外から測定することで、測定装置の熱保護手段が簡素化され、準備・測定の作業が短時間で容易になる。また、左右の壁面を片面ずつ測定することで、測定できない領域を少なくすることが可能となる。さらに、左右の壁面データを合成することで、両壁面の形状を得られる。そして、測定装置が移動しないため、振動・蛇行の影響を受けず、左右片面ごとの壁面の絶対形状、窯幅（左右壁面の間隔）を精度良く測定することが可能である。

１０ 炭化室（窯）
１１ 窯口
１２ 蓋
１３ 炉壁（壁面）
１３ａ 左側の炉壁（壁面）
１３ｂ 右側の炉壁（壁面）
２０ レーザー式３次元形状測定装置
２１ レーザー
２２ 基準体（球状体）

Claims (4)

1. コークス炉の炭化室の炉壁形状を診断する方法であって、蓋をとった炭化室の外側にレーザー式３次元形状測定装置を配置し、そのレーザー式３次元形状測定装置によって炭化室の窯口から斜めにレーザーを壁面に照射して、壁面の形状を点群として測定する工程を、炭化室の左右の壁面に対して独立して実施した後、左右を独立して測定した壁面の形状（点群）を、炭化室周辺の基準物を元に合成して、一つの形状データにまとめて左右合成炉壁形状（点群）とし、その左右合成炉壁形状（点群）から左右の壁面間の距離（窯幅）を計算して、炉壁形状の診断を行うことを特徴とするコークス炉の炉壁形状診断方法。
2. 前記左右合成炉壁形状（点群）から、炉壁の設計形状を基準にして、各測定点のずれ量を計算し、そのずれ量を壁面の凹凸量として、炉壁形状の診断を行うことを特徴とする請求項１に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法。
3. 前記左右合成炉壁形状（点群）から、炉壁の設計形状を基準にして、各測定点のずれ量を計算するに際して、炉枠金物を基準にして前記左右合成炉壁形状（点群）と設計形状の位置を合わせ、前記左右合成炉壁形状（点群）の奥行き方向を回転移動により前記設計形状に合わせて、各測定点のずれ量を計算することを特徴とする請求項２に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法。
4. 請求項２または３に記載のコークス炉の炉壁形状診断方法で求まる壁面の凹凸量から炉壁の補修量を決めて炉壁の補修を行うことを特徴とするコークス炉の炉壁補修方法。

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