前言
玻璃工業(yè)屬原材料工業(yè)，受國家宏觀經(jīng)濟(jì)影響較大。目前，我國快速發(fā)展的建筑、汽車、太陽能行業(yè)對優(yōu)質(zhì)鋼化玻璃的需求量越來越大，促進(jìn)了我國玻璃深加工產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。我國玻璃行業(yè)的供求格局和消費(fèi)結(jié)構(gòu)逐步由普通玻璃向優(yōu)質(zhì)鋼化玻璃過渡;由原片消費(fèi)向附加值高的深加工產(chǎn)品過渡。按照“十一五”規(guī)劃目標(biāo)，優(yōu)質(zhì)玻璃的比例將從目前20%左右增至40%，玻璃深加工率將從25%增至40%以上。
面對行業(yè)需求變化，洛陽蘭迪玻璃機(jī)器有限公司作為國內(nèi)領(lǐng)先的鋼化玻璃設(shè)備供應(yīng)商，始終堅(jiān)持開發(fā)技術(shù)先進(jìn)的高品質(zhì)鋼化玻璃機(jī)組，經(jīng)過近十年的研發(fā)與創(chuàng)新，不但具有國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平，而且滿足了國際市場的需求。為玻璃加工企業(yè)及時(shí)調(diào)整和改善行業(yè)結(jié)構(gòu)，在持續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)能的同時(shí)，大力提高優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品的比例、開發(fā)新的高端產(chǎn)品，改善低端產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，汽車、太陽能等領(lǐng)域高端產(chǎn)品仍需進(jìn)口局面提供了有力的技術(shù)保證。近年來，蘭迪公司先后開發(fā)了具有噴流式對流、3毫米鋼化、組合式鋼化等先進(jìn)技術(shù)的玻璃鋼化機(jī)組，為蘭迪在鋼化玻璃領(lǐng)域引領(lǐng)行業(yè)先進(jìn)技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前，蘭迪產(chǎn)品可以滿足建筑、家具、家電、汽車、太陽能產(chǎn)業(yè)對于平彎玻璃鋼化設(shè)備的需求，產(chǎn)品已達(dá)數(shù)百種規(guī)格。
蘭迪公司的產(chǎn)品不僅在國內(nèi)具有較高的知名度、占據(jù)較大的市場份額，而且遠(yuǎn)銷歐盟、美國、加拿大、俄羅斯、新加坡等數(shù)十個(gè)國家和地區(qū)。目前，蘭迪的鋼化設(shè)備已經(jīng)占據(jù)了全球高端市場26%的份額，為國內(nèi)外客戶帶來了相當(dāng)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。這得益于其采用了穩(wěn)定、可靠、極具性價(jià)比的西門子S7-300 PLC+MP 270的主系統(tǒng)。此外，依托西門子通訊模塊的以太網(wǎng)技術(shù)、遠(yuǎn)程診斷功能的應(yīng)用更是開業(yè)內(nèi)之先河，成為新一代玻璃鋼化機(jī)組控制系統(tǒng)的典范。
玻璃鋼化原理
玻璃鋼化是利用物理或化學(xué)方法，在玻璃表面形成壓應(yīng)力層、內(nèi)部形成拉應(yīng)力層;當(dāng)玻璃受到外力作用時(shí)，壓應(yīng)力層可將部分拉應(yīng)力抵消，避免玻璃破碎，從而達(dá)到提高玻璃強(qiáng)度的目的。不僅如此，玻璃表面的微裂紋在這種壓應(yīng)力下變得更加細(xì)微，也在一定程度上提高了玻璃的強(qiáng)度。
目前普遍采用的物理鋼化法是將玻璃加熱到軟化點(diǎn)附近(650℃左右)，這時(shí)玻璃仍能保持原來的形狀，但玻璃中粒子已有一定的遷移能力，進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整，以使內(nèi)部存在的應(yīng)力很快消除，然后將玻璃進(jìn)行吹風(fēng)驟冷，當(dāng)溫度平衡后，玻璃表面產(chǎn)生了壓應(yīng)力，內(nèi)層產(chǎn)生了張應(yīng)力，即玻璃產(chǎn)生了一種均勻而有規(guī)律分布的內(nèi)應(yīng)力，提高了玻璃作為脆性材料的抗張強(qiáng)度，從而使玻璃抗彎曲和抗沖擊強(qiáng)度得到提高。同時(shí)，由于玻璃內(nèi)部均勻應(yīng)力的存在，一旦玻璃局部受到超過其強(qiáng)度能承受的沖擊發(fā)生破裂時(shí)，在內(nèi)部應(yīng)力的作用下自爆為小顆粒，提高了其安全性。因此，鋼化玻璃亦可稱為預(yù)應(yīng)力玻璃或安全玻璃。
玻璃在鋼化的過程中，一般都會產(chǎn)生風(fēng)斑和應(yīng)力斑，風(fēng)斑是在冷卻過程中，由于受冷不均而導(dǎo)致玻璃應(yīng)力不均而形成的，其在某種特殊角度下觀察會看到玻璃表面呈明暗相間的條紋。應(yīng)力斑也是因?yàn)閼?yīng)力不均造成的，比如在加熱過程中，爐邊部和中部存在溫差而導(dǎo)致應(yīng)力不均。應(yīng)力斑目前還沒有辦法完全避免，但設(shè)計(jì)良好的鋼化設(shè)備可以最大程度的減少應(yīng)力斑的可見性。
玻璃鋼化爐設(shè)備
鋼化爐(glass tempering furnace)是用物理或化學(xué)方法生產(chǎn)鋼化玻璃的設(shè)備，目前主要采用物理式鋼化爐，物理式玻璃鋼化爐按照加熱方式特性可以分為對流式強(qiáng)制對流加熱鋼化爐和輻射式加熱鋼化爐。對流式鋼化爐以加熱時(shí)間短、加熱均勻，生產(chǎn)的鋼化玻璃平整度好、風(fēng)斑少、玻金少在最近幾年得到了廣泛的應(yīng)用。
鋼化爐機(jī)組一般由放片臺、加熱爐、冷卻風(fēng)柵、取片臺等組成。外加風(fēng)機(jī)、空氣分配中心、電氣控制系統(tǒng)以及電腦終端等設(shè)施組成。原片玻璃從裝片臺入爐，在加熱爐內(nèi)加熱到適合鋼化的溫度，完成加熱過程，電爐內(nèi)部空間被爐內(nèi)水平、相隔一定間距放置的數(shù)十根陶瓷輥道分隔為上下兩個(gè)加熱空間，分別由頂部與底部的電熱絲加熱，PLC自動(dòng)控制整個(gè)加熱過程。加熱后的玻璃進(jìn)入冷卻風(fēng)柵后均勻迅速地淬冷鋼化，上下風(fēng)柵的冷卻壓力可以調(diào)節(jié)。然后進(jìn)入卸片臺卸片包裝。鋼化爐的鋼化工藝過程，在操作人員對相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行選擇、設(shè)定后，由PLC系統(tǒng)對工藝流程進(jìn)行自動(dòng)控制。
玻璃鋼化系統(tǒng)工藝
玻璃鋼化工藝一般采用優(yōu)質(zhì)玻璃為原料，以鋼化爐為主要生產(chǎn)設(shè)備。整個(gè)生產(chǎn)線的長度20-30米不等，依次分布為放片臺、加熱段、風(fēng)柵冷卻段、取片臺，各工段均有不同材質(zhì)的輥?zhàn)舆\(yùn)送玻璃。輔助設(shè)備有鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)道、控制柜等。其生產(chǎn)過程分成上片、自動(dòng)往復(fù)加熱、往復(fù)急冷、往復(fù)吹風(fēng)、取片五個(gè)工藝階段。
開車前逐步使加熱段呈矩陣分布的上下電爐升溫至650℃，做好鋼化準(zhǔn)備。玻璃進(jìn)入加熱爐后，由陶瓷輥道支撐，在連續(xù)正、反向轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)動(dòng)的陶瓷輥道帶動(dòng)下，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，完成均勻加熱。玻璃上表面吸收熱量主要依靠頂部電熱絲的熱輻射、玻璃往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)造成的氣體對流和自然對流傳熱。此時(shí)熱輻射是最為首要的加熱形式;玻璃中部溫度的升高是靠玻璃表面向內(nèi)的熱傳導(dǎo)以及吸收輻射熱得以實(shí)現(xiàn)的;玻璃下表面除了下部輻射板熱輻射、玻璃往復(fù)運(yùn)動(dòng)造成的氣體對流和自然對流加熱外，玻璃下表面與處于高溫狀態(tài)的陶瓷輥道直接接觸，陶瓷輥道以熱傳導(dǎo)方式直接對玻璃下表面?zhèn)鬟f熱量。運(yùn)動(dòng)中的陶瓷輥道不斷接受來自下部輻射板輻射熱以及下部空間的對流傳熱。由于熱傳導(dǎo)的作用，在相同溫度條件下，下表面的升溫速率大于上表面的升溫速率，這在玻璃進(jìn)爐初期非常明顯。加熱后期，啟動(dòng)冷卻風(fēng)機(jī)高速運(yùn)行。加熱完畢，打開后爐門，加熱主傳動(dòng)和風(fēng)柵主傳動(dòng)按出爐速度同步高速出爐，熾熱的玻璃快速進(jìn)入風(fēng)柵急冷鋼化。急冷之后，風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行至冷卻結(jié)束，然后減速停機(jī)，風(fēng)柵轉(zhuǎn)動(dòng)和取片轉(zhuǎn)動(dòng)按取片速度同步出柵到達(dá)取片臺。系統(tǒng)同時(shí)具有多種報(bào)警。緊急停車時(shí)有安全位置，運(yùn)行時(shí)有安全連鎖。 玻璃強(qiáng)制快速冷卻，是形成玻璃最終均勻永久應(yīng)力的關(guān)鍵。玻璃板被繞有仿綸繩的輥道支撐，往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)玻璃均勻、快速冷卻。冷卻風(fēng)的總風(fēng)壓以及上下冷卻速率的平衡，上下風(fēng)柵氣流壓力的平衡也直接影響鋼化玻璃的平整度。
鋼化爐氣控制系統(tǒng)
鋼化爐控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)為西門子WINCC+MP 270控制系統(tǒng)，下位機(jī)除PLC的CPU機(jī)架外，還有一個(gè)擴(kuò)展機(jī)架，用于控制大量的SSR模塊。另外，通過Profibus總線擴(kuò)展了三個(gè)ET200M遠(yuǎn)程I/O站和四套風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)。
PLC是剛化爐控制系統(tǒng)的核心，基于系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能以及適用性、安全性、可靠性，選用了西門子S7-300PLC作為主控制，SIEMENS S7-300是模塊化中小型PLC系統(tǒng)，各種功能模塊可以滿足和適應(yīng)自動(dòng)控制功能，簡單、實(shí)用、模塊化和分散式結(jié)構(gòu)使其應(yīng)用十分靈活，當(dāng)控制任務(wù)增加時(shí)，可自由擴(kuò)展。高電磁兼容性和抗振動(dòng)、抗沖擊性使其具有很高工業(yè)環(huán)境適應(yīng)性。易于實(shí)現(xiàn)分布式控制、易于操作等特點(diǎn)使S7-300成為玻璃鋼化爐系統(tǒng)的首選控制器。溫度控制有大量的DI/DO模塊，由于變頻器使用電壓信號進(jìn)行調(diào)速控制，所以選用了AI/AO模塊。S7-300的AI模塊可以改變硬件設(shè)備的測溫范圍，穩(wěn)定性好、測量精度較高。人機(jī)界面選擇例了西門子的人機(jī)界面MP 270，可靠性極高，組網(wǎng)方便。
整個(gè)控制系統(tǒng)由控制柜和人機(jī)界面操作箱組成。操作箱裝有人機(jī)界面、旋紐開關(guān)、信號燈及蜂鳴器等，通過DP通訊電纜與PLC相聯(lián)?？諝忾_關(guān)柜裝有鋼化設(shè)備總電源開關(guān)。PLC控制柜裝有PLC、擴(kuò)展模塊、小型斷路器、開關(guān)電源模塊、繼電器等，是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞。傳動(dòng)控制柜裝有AOP面板、溫度表、電壓表、控制開關(guān)、信號燈等，風(fēng)機(jī)柜內(nèi)安裝小型斷路器、接觸器、熱繼電器、開關(guān)電源、變壓器、電磁閥電源及變頻器。加熱控制柜裝有大型斷路器開關(guān)，大量SSR模塊，快速熔斷器，異性鋁材散熱器，散熱風(fēng)扇等。
談及為何選擇西門子的PLC+MP的控制系統(tǒng)，蘭迪公司設(shè)計(jì)中心電氣部江部長說道：“玻璃鋼化機(jī)組控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邏輯繁瑣、數(shù)據(jù)采集量大、控制站多，對可靠性要求較高。既要實(shí)現(xiàn)對各傳動(dòng)站的高精度速度控制，又要完成對現(xiàn)場光電開關(guān)、按鈕等各種數(shù)字量、開關(guān)量檢測以及升降動(dòng)作的精確控制。采用SIEMENS SIMATIC S7-300可編程序控制器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)全過程自動(dòng)控制。系統(tǒng)性能優(yōu)良、操作方便可靠，確保滿足工藝要求的同時(shí)又充分考慮人為干涉自動(dòng)控制能力，將故障對系統(tǒng)的影響降到最低?！?/FONT>
突破傳統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢
1 、控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠
蘭迪玻璃鋼化爐機(jī)組的主控制系統(tǒng)為西門子S7-300 PLC，人機(jī)界面為西門子MP 270;操作界面功能強(qiáng)大、簡單友好，使設(shè)備穩(wěn)定、可靠，操作方便、易控。西門子MP 270操作終端性能優(yōu)良、工作穩(wěn)定，更適于工業(yè)現(xiàn)場。其友好的人機(jī)接口、豐富的操作畫面，使操作者更容易掌握，系統(tǒng)存儲多條溫度曲線和頻率曲線，并具有參數(shù)在線修改功能，適合不同品種、不同厚度的玻璃工藝。
爐溫控制采用西門子專用溫度模塊，內(nèi)設(shè)專用的優(yōu)化算法和專家PID參數(shù)庫，具有PID參數(shù)自整定功能，并可實(shí)現(xiàn)模糊控制，溫度超調(diào)得到有效抑制，控溫精度更高;可以根據(jù)不同品種的玻璃鋼化工藝定制加熱曲線，加熱更合理。
2、變頻控制技術(shù)和生產(chǎn)記錄功能
循環(huán)風(fēng)機(jī)采用變頻控制技術(shù)，采用西門子專用模擬量控制模塊，在玻璃進(jìn)爐時(shí)，首先設(shè)定較低的爐溫和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速使玻璃進(jìn)行預(yù)熱，待玻璃溫度提高后快速加熱，使炸爐的傾向得到有效遏制，玻璃加熱質(zhì)量得以提高，平整度好、光學(xué)性能優(yōu)良，玻璃成品率也得到提高。
由于鋼化爐生產(chǎn)線比較長，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)雙側(cè)操作，操作界面人性友好，具備生產(chǎn)配方和生產(chǎn)工藝參數(shù)的記錄和存儲功能，操作人員生產(chǎn)不同工藝的產(chǎn)品時(shí)，一鍵操作就可以調(diào)用不同的生產(chǎn)工藝參數(shù)，方便、快捷、高效，并能夠記錄生產(chǎn)過程，查找生產(chǎn)時(shí)間、溫度、風(fēng)壓，追溯生產(chǎn)狀況。
3、加熱系統(tǒng)科學(xué)先進(jìn)
由于對流爐的傳熱方式與傳統(tǒng)鋼化爐截然不同，蘭迪加熱元件采用高性能Cr20Ni80材料使傳熱條件得到了根本改善，傳熱效率更高、使用壽命更長，檢修也十分方便。此外，高溫循環(huán)風(fēng)機(jī)也采用高溫耐熱鋼Cr25Ni20，抗高溫蠕變能力大大增強(qiáng)，確保了對流爐的傳熱效果。先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，使導(dǎo)流裝置的壓力損失最小，壓力分布更均勻，最大限度地發(fā)揮風(fēng)機(jī)的效能，獨(dú)特的熱風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)使加熱玻璃前后的氣流各行其道，傳熱效果更好，爐溫均勻性大大提到，壽命大幅延長。
每個(gè)加熱區(qū)均裝有熱電偶，溫度單獨(dú)測量，加熱器獨(dú)立控制。爐溫控制十分方便，定制加熱曲線更容易，爐溫均勻性大大提高;在爐子的橫斷面可分多個(gè)區(qū)控制，實(shí)現(xiàn)邊部溫度補(bǔ)償。采用雙對流模式，爐子上、下部都裝有高溫風(fēng)機(jī)，可精確控制陶瓷輥道溫度，使上部和下部的加熱更均勻，真正實(shí)現(xiàn)上下同步加熱。
4、冷卻系統(tǒng)技術(shù)獨(dú)特
計(jì)算機(jī)吹風(fēng)模擬和輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)在風(fēng)柵設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用，最大限度的減少了鋼化過程中風(fēng)斑的產(chǎn)生，使鋼化玻璃外觀質(zhì)量達(dá)到世界頂級水平。
5、總線技術(shù)與遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)
鋼化爐系統(tǒng)引進(jìn)現(xiàn)場總線對爐溫和變頻器進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)爐溫和風(fēng)機(jī)的遠(yuǎn)程控制，減少了布線時(shí)間和費(fèi)用。借助于西門子TS通訊模塊，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷功能，遠(yuǎn)距離對設(shè)備進(jìn)行診斷處理，將用戶停機(jī)時(shí)間減為最少;借助遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能，可以通過清晰、直觀的視頻界面對用戶現(xiàn)場操作實(shí)時(shí)監(jiān)控、指導(dǎo)。
系統(tǒng)成果
在西門子PLC+MP主控系統(tǒng)的保駕護(hù)航下，蘭迪鋼化對流爐系統(tǒng)以優(yōu)異的產(chǎn)品品質(zhì)和高可靠的控制系統(tǒng)得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認(rèn)可，不僅成為國內(nèi)市場的領(lǐng)先品牌，而且占據(jù)了全球高端產(chǎn)品市場的四分之一以上。2010年初，集成了西門子控制系統(tǒng)的蘭迪組合式強(qiáng)制對流爐在連續(xù)運(yùn)行三個(gè)月以后，得到SCHOTT(蘇州)有限公司的高度評價(jià)。此外，早在2004年10月，蘭迪就成為國內(nèi)首個(gè)闖入美國市場的自主知識產(chǎn)權(quán)鋼化爐制造商，迄今為止，蘭迪已經(jīng)有累積二十多套鋼化設(shè)備在美國玻璃企業(yè)穩(wěn)定運(yùn)行。
由于中國玻璃設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)起步較晚，中國制造的大型設(shè)備在歐美市場的接受度普遍較低，像鋼化對流爐這樣的高技術(shù)設(shè)備要進(jìn)入歐美市場就更加困難。蘭迪憑借對技術(shù)、質(zhì)量、產(chǎn)品品質(zhì)的不斷追求，設(shè)備可靠性的不斷提升，在玻璃鋼化設(shè)備競爭中保持優(yōu)勢，贏得了信義、南玻、臺玻等系列大型玻璃企業(yè)的青睞，確保了國內(nèi)領(lǐng)先、國際一流的行業(yè)地位，成為國內(nèi)鋼化技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)者。
北京海洋順達(dá)玻璃有限公司的尤總談到：“引進(jìn)集成全套西門子控制設(shè)備的蘭迪鋼化爐機(jī)組后，系統(tǒng)可以存儲不同的工藝參數(shù)，大大節(jié)省了工藝轉(zhuǎn)換時(shí)間，加工的鋼化玻璃平整度好、波紋小于0.06mm基本接近于原片，生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量得到顯著的提高，并實(shí)現(xiàn)了長期不間斷的無故障運(yùn)轉(zhuǎn)。”隨著蘭迪鋼化爐成功占領(lǐng)國內(nèi)外市場，西門子控制產(chǎn)品也以其質(zhì)量可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，進(jìn)一步加強(qiáng)了蘭迪機(jī)器有限公司的競爭優(yōu)勢，得到國內(nèi)外廣大客戶的一致好評。
展望未來
洛陽蘭迪玻璃鋼化爐機(jī)組無論是不同工藝參數(shù)的存儲與調(diào)用，還是設(shè)備遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控都達(dá)到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，實(shí)現(xiàn)了玻璃加工行業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的飛躍，所有這些功能的實(shí)現(xiàn)都是基于西門子控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用。蘭迪的趙總認(rèn)為：蘭迪機(jī)器與西門子的合作能夠達(dá)10年之久，是因?yàn)槲鏖T子產(chǎn)品較高的性價(jià)比、穩(wěn)定性和兼容性與蘭迪的追求是一致的，蘭迪與西門子是相輔相成的。
目前國內(nèi)玻璃加工機(jī)械行業(yè)的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，但在設(shè)備性能的穩(wěn)定性與安全性方面與國外先進(jìn)水平還有一定的差距。設(shè)備的穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在控制系統(tǒng)方面，控制系統(tǒng)是整個(gè)設(shè)備穩(wěn)定工作的核心。而應(yīng)急保護(hù)功能則是目前控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重視的一個(gè)方面。未來新產(chǎn)品的開發(fā)，除了選用高可靠性的PLC、HMI、元器件來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性之外，還應(yīng)在安全保護(hù)方面進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性與安全性。
面對玻璃機(jī)械行業(yè)日趨激烈的競爭，蘭迪不但加速開發(fā)新產(chǎn)品、提高產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，還進(jìn)一步優(yōu)化了生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)、提高了工作效率、降低了運(yùn)營成本，隨著洛龍科技園蘭迪機(jī)器新生產(chǎn)基地的投入使用，先進(jìn)的生產(chǎn)智能信息管理系統(tǒng)也被引入新廠區(qū)，使得各操作工位可以通過顯示終端看到零件圖、組裝圖、技術(shù)要求和生產(chǎn)調(diào)度安排等信息，不僅實(shí)現(xiàn)了無紙化信息傳遞，而且確保了所有圖紙、信息與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安排同步，不但可以提高信息傳遞的效率和準(zhǔn)確性，還使得日常的生產(chǎn)組織和質(zhì)量控制更加便利高效。
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