旋回破碎机(旋回破碎机破碎腔衬板优化研究进展)

旋回破碎机

导读

　　旋回破碎机动、定锥衬板是破碎机易损件，消耗量巨大。通过优化，可延长衬板的使用寿命。衬板优化主要集中在腔型曲线的优化设计和衬板材质的优化。对目前衬板优化工作所取得的进展进行了总结，并对发展的方向提出了看法，为衬板优化工作的继续发展提供参考。
旋 回破碎机是重要的粗碎设备，广泛应用于矿山、建材、骨料等行业。矿石爆破后，粒度≤1 300 mm 的矿石即可通过大型矿车为旋回破碎机喂料[1]。矿石在破碎腔内破碎至 -300 mm 从出料口排出，通过输送设备为后续的破碎设备或磨矿设备给料。旋回破碎机破碎腔的衬板，即动、定锥衬板是破碎机的易损件。以某大型矿山为例，该矿山拥有 4 台60-89 型旋回破碎机，每台套破碎机动定锥衬板质量约为 55 t，衬板寿命约 2.5 个月，每年需消耗衬板 1 320 t，每年仅衬板和被衬的消耗高达几千万元。如果衬板的寿命能提高 10%，就可为矿山企业节省大量的直接成本，此外还可以节省更换衬板的人工成本，以及由于设备停机带来的连带损失。
1 旋回破碎机衬板工作情况旋回破碎机是一种通过主轴总成的旋摆运动与壳体之间挤压物料进行破碎作业的重型装备。主电动机驱动传动轴，带动一对锥齿轮，动力经过竖直放置的偏心总成最终传递给破碎圆锥 (主轴)，破碎圆锥进行旋摆运动，习惯称为动锥。主轴总成被破碎壳体所包围，二者之间形成破碎腔。破碎壳体通过底架固定在混凝土基础上，在破碎过程中固定不动，习惯称为定锥。动锥和定锥挤压矿石进行破碎作业，同时矿石随动锥转动和重力作用从进料口经多次破碎，最终运动到衬板下部排矿口排出破碎腔。动锥和定锥表面的易损件称为动锥衬板和定锥衬板，它们一起构成了破碎腔[1]。新安装的定锥衬板和动锥衬板如图 1 所示。

图1 新安装的定锥衬板和动锥衬板
旋回破碎机位于矿山工艺的最前端工序，矿石粒度大、硬度高，矿车给料频率难以控制，工作条件极其恶劣，动定锥衬板被矿石磨损后定期需要更换，磨损前后的衬板情况如图 2 所示。旋回破碎机作为矿山生产线的给料系统，其检修时间直接影响到整条生产线的连续运行，衬板的更换周期成为矿山企业制定生产计划和维修计划的主要依据之一。衬板应用环境对衬板的寿命影响巨大，我国某大型矿山下属的 2 个矿山使用同一型号破碎机，其中一个矿山的破碎机衬板可处理矿石 300 万 t，而另一矿山则可处理超过 1 000万 t。由于市场、环境、成本等因素[1]，矿山用户对延长衬板寿命的愿望非常强烈，为了减少衬板的更换次数，甚至不惜接受更高的衬板价格。
（a）磨损前的衬板
（a）磨损后的衬板
图2 磨损前后的衬板
2 衬板失效的影响因素分析2.1 影响衬板寿命的主要因素破碎机衬板的最终寿命受到诸多因素的影响，其中关键因素为破碎机运行参数、破碎腔的腔型、破碎腔的衬板材质、给料系统的设计和物料的情况等。
在以上因素中，破碎机的运行参数，如排矿口尺寸、偏心距、转速等都对衬板的磨损产生重要影响，这些参数更是保证设备稳定可靠运行，满足生产工艺要求的重要条件。以排矿口为例，排矿口尺寸是破碎机运行的最关键指标，直接决定了破碎机的负荷、处理量及破碎产品的粒度，同时也对破碎机衬板的使用寿命产生重要影响。排矿口越小，破碎产品的粒度越细，与此同时，破碎机的负荷增加，处理量减小，衬板的寿命明显缩短。由于设备的稳定可靠运行是衬板优化工作的前提，所以衬板腔型需要依据设定的运行参数进行优化，而不是让运行参数适应衬板。
破碎腔的腔型曲线和衬板材质 (含铸件质量)是构成破碎腔的两个基本元素，也是破碎腔衬板优化的主要方向，因此重点对这两方面的工作进行总结和评述。
破碎机的给料系统，如给料料仓的结构设计、给料方式、给料速度、给料方向、来料粒度分布、来料的几何形状和物理性质等，都会对衬板的磨损产生重要影响。给料系统布置不合理会造成衬板沿圆周不均匀的磨损，同时会产生过量的冲击。而来料粒度与衬板腔型的不匹配，则会造成衬板沿竖直方向的不均匀磨损。同时，来料的几何形状直接影响到衬板的磨损失效机理，而物料的耐磨特性对衬板的使用寿命有着决定性的影响。很多研究者都试图通过建立磨损参数模型和试验方法，对矿石的磨损特性和衬板的耐磨性进行理论分析，并创建普适的评价体系。但遗憾的是，这些模型和指标都具有各自的局限性，难以最终形成通用的、可对比的理论体系。
除此以外，矿山企业的工作班制和环境因素 (如湿度和温度)等也会对衬板的结构提出要求。旋回破碎机衬板较厚，一套定锥衬板通常是动锥衬板寿命的2 倍，而下层衬板是上层衬板的多倍，衬板寿命的不匹配会造成衬板提前更换。
2.2 衬板磨损失效机理2.2.1 破碎腔磨损的基本类型
虽然影响衬板最终寿命的因素众多，但最终造成衬板表面材料损失的仍是由摩擦引起的材料磨损。磨损根据机理不同可分为磨料磨损、黏着磨损、疲劳磨损、微动磨损、腐蚀磨损和冲蚀磨损等[2]。而破碎腔中发生的磨损又以磨料磨损 (也称为磨粒磨损)为主。磨料磨损是旋回破碎机衬板最常见的失效形式，也是最主要的磨损类型。磨料磨损根据工况和发生区域不同呈现多种不同的形式。矿石在破碎腔内由重力引起的自由滑动属于低应力擦伤式磨料磨损，发生较为普遍，但是磨损量较小，矿石在破碎腔的运动轨迹一直伴随着低应力磨损的发生。破碎腔中发生的挤压破碎主要是高应力磨料磨损，下段破碎腔中发生的磨损和中细碎破碎机中发生的磨损以这种磨损形式为主。凿削式磨料磨损经常在破碎较硬矿石和大块矿石时发生，上半段破碎腔内发生的破碎以这种磨损形式为主，但是该磨损同时伴随着材质的加工硬化过程，使得实际的磨损速率较为缓慢。
2.2.2 磨料磨损机理
磨料磨损机理主要是研究矿石磨损过程中磨屑如何从衬板表面脱落下来。虽然研究者进行了大量的工作，但迄今为止其机理未完全清楚，观点也没有统一。主要的磨损机理包括几类：微观切削磨损，常见但却不起主要作用的一种磨损机理，毕竟矿石棱边的锋利度和切削角度与真正的刀具无法相比，又缺乏有效的刀盘、夹具提供有效的后座力；韧性材质衬板以多次塑变磨损机理为主，衬板和矿石的物理性质对这种磨损形式能产生重要的影响；疲劳磨损在破碎腔中是一种普遍存在的磨损类型，但也不是起主要磨损作用的磨损形式；脆性材料衬板以微观断裂磨损失效形式为主，当断裂发生时，压痕周围的材料会随之一起碎裂剥落，因此磨损要比塑性材料大。
2.2.3 磨料磨损的影响因素
单就材质本身而言，影响到磨料磨损的主要是磨耗介质本身的物理特性和几何特性，迄今为止硬度仍是最常用的材料耐磨性的参考指标。材料磨损过程是一个动态过程，而其硬度的变化也是一个动态过程，考察衬板的硬度既要关注其静态压痕硬度，也要关注其动态硬度。静态压痕硬度主要是指常用的布氏、维式和洛氏硬度等，而相对的动态硬度或动力学硬度主要是指硬度随衬板表面应力情况或外界环境 (如温度)变化而呈现不同数值的特性。加工硬化后的硬度是指在冲击载荷作用下，材料抵抗变形的能力。热处理过程中的热载荷和环境温度变化都会对硬度产生影响，典型的如表征高锰钢耐磨性的硬度可分为材料铸态硬度、热处理后硬度和加工硬化后的表面硬度。加工硬化后的金属随温度的升高硬度会急剧下降，直至接近原来无应变时的硬度值。
在硬度的考察中不仅要区别静态硬度和动态硬度，绝对硬度和相对硬度的影响也存在着巨大差异。磨料磨损的过程不仅受到材质绝对硬度的影响，更多的还受到磨粒和被磨材料硬度的相对值的影响。通常认为，磨料磨损时，磨损率与所受载荷成正比，与材料硬度成反比，实际上这是假定磨损 (比例)系数为常数，是理论研究中的一种简化。磨损系数并非常数，而同磨料中的磨粒硬度与被磨衬板硬度的比值有关。当比值超过一定值后，磨损量会迅速降低。事实上，当矿石和衬板的硬度比值发生变化时，衬板的磨损机理甚至有可能从一种变化为另外一种。
磨耗介质几何因素的影响主要是指其粒度分布和几何形状的影响，这些因素在衬板腔型优化中起到关键作用。
3 衬板优化工作的研究现状构成破碎腔的基本元素是破碎腔的形状和材质，针对破碎腔衬板的优化工作也主要从这两个方面进行。
3.1 腔型优化研究在进行衬板的优化设计工作时，首先要了解物料在破碎腔内的运动规律及其与衬板之间的相互作用形式。矿石在破碎腔内的运动与破碎机的运行参数密切相关，不同粒度和形状的矿石会造成衬板沿高度方向磨损速度的变化。衬板腔型优化工作的实践性很强，很多腔型的优化改进工作是在生产实践中通过边试验边摸索的方式直接完成，反而理论总结显得不足。
郎宝贤等人[3]将堵塞截面的通过量作为目标函数，用图解法对旋回破碎机腔型曲线进行几何描述，从而进行腔型优化，提高了生产率。但是优化过程中物料性质、动锥行程、啮角、破碎力、功率及操作条件等因素被忽略。
居喜龙等人[4]将摩擦力与动锥对矿石运动转速的乘积 (摩擦功率)作为腔型优化的目标函数针，对PXZ1200/180 型旋回破碎机衬板进行了等厚度磨损优化实践，取得了良好的效果。
蔡改贫等人[5]采用多段二次拟合曲线对 KKД-500 型旋回破碎机衬板腔型曲线进行几何描述，按照变啮角设计原则优化破碎腔型。试验证明，采用新型破碎腔型，其破碎性能和破碎产能显著提高。
龚姚腾等人[6]采用三次样条曲线对衬板腔型进行几何描述，将破碎生产率和啮角作为目标函数，对破碎腔进行优化设计。优化后腔型的新衬板产能、产品合格率和衬板寿命均有显著提高。
冯启飞[7]对旋回破碎机破碎过程进行离散元仿真，运用径向基函数和遗传算法建立近似模型，并进行腔型优化设计。由于各方面的限制，所采用的物料破碎模型还比较简单，破碎过程忽略了衬板磨损的影响。
王帅[8]采用离散单元法将排矿口和物料强度作为变量，组合成多组工况，将生产能力、产品粒度、破碎功率等作为目标函数，对旋回破碎机的破碎特性展开研究。通过新腔型和参照腔型的对比仿真，对腔型优化效果进行验证。
毕秋实[9]以处理量为目标函数，对定锥角、动锥角、进动角和转速等参数进行优化设计，得到满足出料粒度、碰撞次数和几何约束条件的旋回破碎机腔型，并提出了通过实时监测动锥受力、驱动转矩等指标，优化腔体受力、降低衬板磨损和提高比功率的想法。
李永胜[10]采用主要目标法寻找目标函数的最优解，将生产能力作为主要目标函数，将产品粒度作为非线性约束条件进行破碎机腔型优化。新衬板腔型通过离散元仿真对其生产能力进行了验证。
最初的部分腔型采用了简化的直线腔型，啮角沿衬板高度方向保持不变，这种腔型现已很少采用。现用的腔型主要为曲线变啮角腔型，每个使用现场的旋回破碎机腔型都要根据各自的特殊情况进行定制化设计，腔型的差别主要体现在设计和优化方法上，如表1 所列。影响到衬板优化效果的因素很多，优化的结果也是多个因素之间的最终平衡。
表1 主要腔型优化方法对比
破碎腔的设计实际上针对的只是初始破碎腔型，随着衬板的磨损，腔型会逐渐发生变化。好的腔型优化设计方法应考虑衬板全寿命周期的动态变化，主要是指主轴高度、磨损量及啮角的变化等。腔型改进工作不可能一蹴而就，是一个反复迭代的过程，只有通过多套衬板，平衡不同阶段的磨损量和设备运行参数，才能得到理想的衬板腔型。同时，通过改变腔型延长衬板使用寿命不是无限的，因为衬板内外空间尺寸的限制，当衬板自下而上基本做到同步磨损的时候，就应从其他方面，尤其是材质优化方面进一步提高衬板寿命。如果将矿石在破碎腔内的运动和解离过程考虑在内，离散元软件无疑个很好的应用工具，但由于破碎机的磨损模型需要物料模型 (粒度分布、几何形状、物理性质)和给料系统结构模型，以及磨料磨损过程模型等一系列难度较大的理论模型作为基础支撑，而目前阶段这些技术尚不完善，使得离散元模型模拟的结果存在一定的局限性。
3.2 材质优化研究虽然破碎腔型的优化能够对提高衬板的使用寿命起到积极作用，但它同时又受到几何空间以及设备、工艺运行参数等条件的限制，而衬板自身材质的优化则不受上述因素的限制，同时又可与腔型的优化效果相互叠加，起到更加明显的提高作用。长期以来，高锰钢一直是破碎腔衬板材质的不二选择，约 80% 以上的矿山破碎机衬板材质研究工作都放在高锰钢材质的研究及其改良上，但研究者并没有放弃对于新材质的探索，并取得了一些有益成果。
3.2.1 高锰钢材质
高锰钢一直是矿山、建材、骨料等行业的主要耐磨材料。高锰钢韧性好，衬板在受到强烈的挤压和高频载荷冲击时易发生表面强化而获得良好的抗磨损特性。虽然具有上述优点，采用传统高锰钢作为耐磨衬板在工作过程中仍存在一些缺点：屈服强度不高，衬板在高应力下长期使用容易发生变形，严重时定锥衬板甚至会挤裂壳体；奥氏体的稳定性不高，衬板在铸造和热处理过程中脆性碳化物容易在芯部析出，降低高锰钢的韧性；衬板铸态或热处理初始硬度偏低，导致衬板的初始耐磨性不高，其良好耐磨性依赖于合适的冲击载荷条件；容易出现低温脆性断裂。
为了解决高锰钢在上述工作环境中存在的问题，拓展传统高锰钢的适用范围，研究者从不同方面对高锰钢进行改良尝试，并取得了良好的效果：对高锰钢进行合金化；改变高锰钢的锰、碳含量比；通过生产工艺的改进，提升铸件自身的质量或使衬板表面得到预硬化，提高其应用性能。
(1)合金化高锰钢 合金化及变质处理主要是通过改变高锰钢中碳化物的类型、形态和分布，从而提高耐磨性能：碳化物属硬质相能使材料硬度增加，但与此同时塑、韧性降低；碳化物自身的脆性使其成为潜在的裂纹源；碳化物的大小及分布对材料塑、韧性有不同影响。
在庞大的市场需求面前，多种合金元素被用于合金化尝试。高锰钢中加入一定量的铬，能提高高锰钢的加工硬化速率，但是铬和锰的交互作用会使锰钢中网状碳化物数量发生变化，因而需要重新评估工艺参数特别是保温时间。镍是扩大奥氏体相区元素，足量镍元素的加入有固溶强化作用，同时对提高高锰钢的低温韧性有积极作用。钼的加入对提高大截面铸件的抗裂纹能力有良好的效果，同时也能发生固溶强化。加钼后高锰钢的强度和硬度增加，提升了衬板的耐磨性能。但也有研究指出，在低循环应力条件下，铬钼合金化锰钢的抗疲劳性能有变差的倾向。微量钛元素的加入，能在高锰钢中形成高熔点化合物，既可作为结晶核心，又能使晶粒得到细化，同时钛的加入对于改善高锰钢的热处理工艺性有着积极作用。但是含钛量过高则会造成钢中夹杂物增多，产生应力集中和裂纹源，使韧性降低。高锰钢中加入少量的钒可以生成高硬质点耐磨相，可以提高高锰钢的起始硬度、加工硬化程度和低压力负载下的耐磨性，钒含量增加可以细化铸态组织。同时加入钒和钛，对改善耐磨性能效果更加明显。高锰钢中加铌可有效细化奥氏体晶粒，提高硬化能力和耐磨性。加入铌后形成的碳化物会缩小奥氏体相区，减少铸态组织中的网状碳化物。含铌高锰钢经过沉淀强化或弥散弥散强化能提高锰钢的耐磨性。稀土能够细化铸态组织，控制脆相碳化物析出，净化钢水，同时，能强化合金元素奥氏体基体，增强磨损抗力，提高加工硬化速率，减薄加工硬化的亚表层厚度，还能为后续的热处理过程提供有利条件，全面性提升铸件质量。
根据合金元素在高锰钢中不同的作用，可以分为几类：增加奥氏体稳定性，稳定奥氏体组织和改善工艺性能；形成碳化物，提高钢的耐磨性；变质处理。经过合金化的高锰钢，不仅高冲击应力条件下衬板的耐磨性能得到改善，而且在冲击应力不足或低温条件下，衬板的耐磨性也能得到提升。
(2)超高锰钢 近年来，超高锰钢在旋回破碎机衬板中的应用中越来越普遍，其锰含量为 17%～24%。锰含量提高后，钢的加工硬化能力进一步得到增强。同时，随着锰含量的大幅度增加，使得奥氏体区进一步扩大，为固溶更多的合金元素提供了有利条件。研究者对于提高锰含量的同时，在超高锰钢中添加其他合金元素进行合金化开展了不少研究工作。实践证明，合金化的超高锰钢能进一步提高其机械性能和耐磨性能，工艺性能也能得到改善。
(3)工艺优化 除了从化学成分上对普通高锰钢和超高锰钢材质进行改善，研究者也从铸造工艺上采取各种手段提高衬板的铸造质量、增加预硬化措施等，以提高衬板的性能。
研究者对生产工艺优化进行了大量的实践工作，取得了很多有益的成果。钢水精炼和悬浮浇注是针对冶炼过程进行的优化提升，而铸态水韧强化和沉淀强化则是对热处理过程的创新实践，表面合金化、喷丸强化、爆炸强化针对的是衬板表面有限深度内进行的预硬化。有的工艺是针对基体，有的只针对表层；而同样是针对基体，其硬化程度也不一样。与此同时，不同的材质和工艺其经济性、工艺复杂性和取得的效果又各不相同，有些方法还可以叠加在一起使用。在应用中应寻求以上因素的平衡，选择合适的材料和工艺，而不是盲目地追求衬板的高寿命。
近年来，还有一些学者进行了梯度功能材料的研究。通过控制合金原子在液态金属的扩散过程，在铸件中形成合金元素、碳化物、力学性能的梯度分布，使铸件获得表硬内韧的机械性能。
3.2.2 高铬合金
除了高锰钢，也有以高铬铸铁为代表的高铬合金和耐磨低合金钢用于破碎腔的衬板材质。高铬铸铁自身硬度和耐磨性高，但冲击韧度低，在承受较大冲击载荷时常常出现裂纹，这也成为限制高铬铸铁用作旋回破碎机衬板的主要因素。
低合金钢中没有硬的碳化物相，因此硬度与高铬铸铁相比较低。但有时为了保证定锥衬板的同步磨损，上部的衬板的材质也会采用低合金钢。
3.2.3 复合材料
高锰钢的韧性很好，但其铸态或热处理后耐磨性不足；高铬铸铁具有很好的耐磨性，但其冲击韧性又不足。旋回破碎腔的衬板既对耐磨性有很高的要求，同时因为工作中存在大冲击，需要具有足够的韧性。单一材质在实际生产中难以达到同时满足高耐磨性和高韧性的要求。如果衬板的工作面使用硬度高的材质，而非工作面使用高韧性的材质，通过合适的工艺手段结合在一起，则能成为同时具有高韧性和高耐磨性的零件，满足破碎腔衬板的使用需求。近年来，许多学者对于双金属复合的工艺和应用性能进行了研究，在一些行业已经取得了良好的应用效果。获得金属复合材料的方法有很多种，常见的主要有铸渗法、堆焊法、液-液复合法等。
镶铸法是近年研究较多的复合材料制备工艺，其优点是对不同形状、厚度、材质和数量的适应性强，同时工艺过程简单，对生产单位的硬件条件要求不高。
颗粒增强金属基复合材料的出现也吸引了不少研究者的目光。很多学者都对碳化钨颗粒/高锰钢基复合材料进行了研究。这种复合材料能将高锰钢的加工硬化特性和碳化钨颗粒的高硬度有效结合起来，弥补单一材料性能的不足。
衬板主要材质性能对比如表 2 所列。
表2 衬板主要材质性能对比
4 发展方向经过大量的理论研究和实践积累，该学科的发展目前呈现如下特点。
4.1 衬板优化的思路更加明晰每个矿山因为所处理的矿石性质、矿石的喂料粒度分布、排料粒度要求不同，新投入运行的破碎机应在试运行 1～ 2 a，结合新投产系统的稳定后建立优化的衬板腔型。衬板运行初期以衬板腔型优化改进为主。腔型改进应着力于几个层次的目的。
(1)满足设备和工艺基本需求 破碎机的性能首先要能满足系统对破碎单元提出的工艺需求，合理的啮入角和进料口对喂料粒度进行匹配，合理的排矿口满足对产品粒度的要求，还要兼顾破碎腔的高度及矿石在破碎腔内的流动性等因素。
(2)提升破碎生产率，改善破碎效果 在满足进出料粒度分布的同时，必须考虑到破碎腔高度方向各个截面的通过速度，最大化系统的通过量。
(3)提高破碎衬板的寿命 衬板的厚度和矿石的粒度分布，特别是细粉比例对于衬板最终的寿命有着较大的影响。衬板上半段和下半段的耐磨性应相匹配，衬板沿磨损带实现均匀磨损。
经过前一阶段的使用摸索，衬板磨损已趋向均匀，单纯通过衬板表面的腔型曲线已经很难对衬板寿命的延长起到明显作用，这时候必须把思路转到通过材质优化，以进一步提升衬板寿命。
4.2 衬板材质的研究进一步深入对高锰钢表面硬化的过程、影响因素、冲击载荷类型，以及对高锰钢亚表层结构的力学性能甚至深层结构的力学性能投入了大量的研究工作，但工业效果改进仍显不足。对高铬合金韧性的改善等尚且研究不足，缺乏有效解决思路。复合材料发展迅速，制造工艺日渐成熟，前景极为看好。
4.3 衬板寿命的检测和预报手段更加方便快捷在衬板优化研究的领域，已经出现很多新的衬板快速磨损检测和寿命预报手段，特别是三维扫描技术的出现，使得衬板全寿命周期的跟踪变得更加方便和快捷，但三维扫描技术也存在着自身的局限。
4.4 试验研究有待进一步加强对于来料粒度分布和产品粒度分布的分析，特别是矿石物料构成，包含由不同硬相占比组成的硬度梯度分布、物料自身的粒度分布、解离后的粒度分布等，还不够重视。一方面强调衬板的使用寿命的延长研究，一方面对相关的试验研究缺乏重视。
4.5 与工业试验配套的衬板选型和耐磨性数据库有待建立随着对这一课题的重视和研究的逐渐深入，许多因素对试验结果产生重要的影响，因此有必要对收集到的工业试验数据进行归纳分析。简单的定性分析已经不能满足进一步研究的需要。对于衬板寿命的评价没有公认的指标体系，难以指导行业的健康发展。科学的衬板质量评价体系有待建立。
5 结语破碎腔衬板优化工作对于提高破碎机和生产线的作业率有着至关重要的影响，针对破碎腔衬板优化的工作从矿山破碎机发明以来就没有停止过。对破碎腔衬板优化的影响因素众多，理论分析的难度很大；而在实践环节，由于衬板的生产与制造成本、周期及样本数量的限制，虽具有名义上的可行性，却缺乏实质的专项数据积累和分析。经过近一个世纪的发展，破碎腔腔型优化和材质优化都取得了一定的进展。然而，这项工作还存在巨大的发展空间，特别是随着矿山规模的大型化和矿山装备企业的现代化，该研究将会进一步得到重视，并获得长足的进步。
参考文献
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