课程设计年产80万吨的高速线材生产车间.docx
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课程设计年产80万吨的高速线材生产车间
摘要
根据设计要求拟建一个优碳年产80万吨的高速线材生产车间。
它的最高轧制速度为110m/s，产品规格为φ5.5~φ12mm，盘卷单重约2吨。
连铸坯在步进梁式加热炉中使用煤气加热，侧进侧出，加热能力为75t/h。
加热炉由微机控制，出炉温度为900℃～1050℃。
该套轧机采用全连轧无扭工艺，连铸坯为150×150mm，长约为12m，单重约为2.3t的方坯。
在13架平立-交替布置的粗轧机和中轧机之后，布置了2架预精轧机，13架精轧机。
轧后冷却通过水冷箱和一套斯太尔摩冷却运输线（120m）来完成。
该套斯太尔摩冷却运输系统采用延迟型冷却装置，可对成品轧材的最终性能控制如抗拉强度及产品的金相组织和氧化铁皮厚度进行最终控制。
计算机系统用于控轧和控冷，无张力轧制，最佳剪切尺寸控制和缺陷检测。
关键词：
高速线材；生产方案；孔型设计；校核
目 录
第一章绪论
线材制品的品种与质量，不仅决定于其本身的生产工艺技术与装备水平，而且在很大程度上更有赖于其原料——线材的冶炼与轧制技术。
也就是说，线材品种质量的提高，将大大促进线材制品行业的发展与进步，否则线材制品行业的发展将受到制约，甚至处于落后状态。
这是100多年来线材制品行业发展历史所证实的．因此线材与其制品的关系是密不可分的。
线材一般是指直径为5——16mm的热轧圆钢或相当该断面的异型钢，因以盘卷状态交货，统称为线材或盘条。
国外线材规格已扩大到约6.50mm。
常见线材多为圆断面，异型断面线材有椭圆形、方形及螺纹形等，但生产数都很少。
线材在国民经济中的作用与地位是非常重要的，首先，线材产量占钢材总产量的比例很大、一般国家线树产量占钢材总产量的8%——10%，而我国却占20%以上；其次，线材用途十广泛，除直接用作建筑钢材外，线材的深加工产品用途更为广泛和重要。
例如各类商品钢丝及专用弹簧钢丝、焊丝、冷缴钢丝、镀锌钢丝、通讯线、轮胎钢丝及钢帘线、高强度钢丝及钢纱线舶承钢丝、模具钢丝、不锈钢丝、各种钢丝绳、钢钉、标谁件等等，可以说遍布国民经济各个部门，是不可或缺的重要品种。
国外先进工业国家线材加工比在70%左右，我国为30%左右。
线材生产的兴起与发展是随着科技进步、国民经济的发展而发展起来的。
线材轧机的开发与创新是线材生产发展的首要条件。
据记载，世界上第一台线材轧机在16世纪已经问世．当时是用锻坯轧制线材而比较正规的线材轧机在18世纪中期才出现，由粗轧及精轧两列横列式轧机组成。
因为采用反围盘及人工喂钢轧制，其轧速度超过8m/s，同时受头尾温差大的影响，线材存在着尺寸精度差、盘重小、性能不稳定等致命缺点，限制了横列式轧机的发展。
为了保证产品质量并提高产量，同时也为了降低生产成本，必须提高轧制速度，所以20世纪初开发了半连续式轧机。
该轧机由粗、中、精轧机组组成，粗轧及中轧采用连轧，精轧机组仍采用横列式轧机，即活套轧制；复二重轧机是半连续式轧机的一个特例，中轧及桔轧机列在两个正围盘之间采用连轧，实现了机械化操作，轧制速度提高到16m/s，生产能力有很大提高，盘重增加到200kg左右，尺寸精度较横列式为好，但品种及质量未有根本好转。
20世纪60年代是线材生产技术发展的兴盛与创新时期，在轧制速度不断提高的同时也解决丁大盘重线材的控制冷却问题，因此从根本上解决了盘重增大后，内层的线村长时间在高温下停留生成粗大的晶粒，使内外线材的力学性能差别很大，表面氧化铁皮厚等问题。
为了进一步解决产品品种及质量问题，英国在1862年建成了第一台连续式轧机。
该轧机机座采用串列式布置形式，轧件同时在几个机架中轧制，各道次的金属秒流量相等。
可单机驱动，有较高的调整精度，实现微张力或无张力轧制：
由于没有穿唆轧制，没有大活套，所以头尾温差小，产品性能得到改善。
到20世纪50年代，随着机械制造、电气传动及控制水平的提高，线材轧制速度达36m/s，尺寸公差（0.3—0.4）mm，盘重为500kg左右，一套轧机年广量在30—50万吨。
当时典型的连续式线材轧机是两线8架集体传动的美国摩根型轧。
目前世界上应用最广泛的摩根型高速无扭轧机是美国摩根公司1962年开始研制的，1966年首先应用于加拿大钢铁公司哈密尔顿厂。
第一套摩根型高速线材轧机于1966年9月正式投产，轧制速度43—50m/s，同时摩根公司和加拿大斯太尔摩公司联合，开发了线材轧后控制冷却系统，称之为斯太尔摩线。
高速线材轧机一出现就显示出极大的优越性，继美国之后，其他一些国家和公司也纷纷创新高速线材轧机，出现了各种机型。
目前基本上有四种1）测交45的美国摩根型；2）15／75的德国德马克型；3）顶交45的英国阿希洛型；4）0／9平—立布置的意大利达涅利肋型。
其中摩根机型应用最广泛。
各种机型各有优点，但基本工艺特点差异不大。
20世纪70年代以来，国外主要产钢国家普遍采用高速线材轧机和控制冷却技术作为线材生产的主要工艺技术；在冶炼方面．主要是用转炉或电炉初炼，然后采用炉外精炼技术进行二次精炼，同时基本上是以连传代替模铸，而且采用全保护浇铸；所以．生产出的线材生产率高、成本低、品种多、质量又好。
据不完全统计，目前世界上有近3万条高速线材轧机。
年产线材约7000万吨、其中高线产量约80%以上，线材产量占钢材总产量9%—10%；各国的输出量与输入量平均在20%左右。
美国是世界上最大的线材输入国，每年线材消费员约800万吨，而本国每年只牛产400—450万吨，输入量占30%—50%，日本是世界上线材输出量最大的国家．每年线材产量约750万吨，输出量约20万吨；世界上线材产量最大的国家是中国，19四年线材实际产量为260B万吨。
目前我国拥有线材轧机近110套，其中复二重轧约占—半，横列式线材轧机有近30套（将逐步被淘汰）；其余40多套多为高速线材轧机，其中从国外引进的高水平线材轧机有20多台．国产高速线材轧机有近20套。
1999年，全国生产线材2608万吨，其中高线产量1218万吨，高线比已经达到46.7%；优质硬线比约10%，但精练比不到30%。
从品种与质量来看，我国对国际标准ISO、欧洲标D2TN、日本标准J15中所列线材钢种、规格等基本可以全部生产，而且能达到相应的标准要求。
国产线材除个别品种外（如钢帘线、气门弹簧、超低碳不锈钢用线材等），基本都能满足用户要求，供需基本平衡，自给率达93%。
第二章产品方案的确定与编制金属平衡表
2.1产品方案的确定
2.1.1产品方案
线材车间工艺设计首先要考虑车间产品方案的选择，产品方案的选择确定了生产品种，从而可以确定生产工艺流程、轧机布置等一系列选择，就是说，产品方案是线材生产车间工艺设计的第一步，也是主要依据。
确定产品方案的原则如下：
（1）满足国民经济发展对产品的需要，特别要根据市场信息解决某些短缺产品的供应和优先保证国民经济重要部门对于钢材的需要。
（2）要考虑地区之间产品的平衡。
正确处理长远与当前、局部与整体的关系。
做到供应适应、品种平衡、产销对路、布局合理。
（3）考虑轧机生产能力的充分利用。
如果条件具备，努力争取轧机向专业化和产品系列化方向发展，以利于提高轧机的生产技术水平。
（4）考虑建厂地区资源、坯料的供应条件、物资和材料等运输情况。
要适应当前改革开放的经济形势需要，力争做到产品结构和产品标准的现代化，有条件的要考虑生产一些出口产品，走向国际市场。
2.1.2产品大纲
根据线材的生产现状、社会线材需求量，产品生产以及现如今我国生产能力和技术的发展水平，现拟订产品方案：
产品规格：
Ф5.5～Ф13mm（典型产品：
Q235Ф6.5mm）
钢种：
碳素结构钢、弹簧钢、优质碳素结构钢、冷镦钢和焊条钢。
各类产品的年产量及其在总年产量中所占百分比见表2.1
表2.1产品方案表
序号
品种
规格/mm
年产量/万吨
合计/吨
百分比/%
1
普通低碳钢
Φ6-13
17
17
21.25
2
普通低碳钢
Φ5.5-11
Φ11.5-13
9
5
14
17.5
3
钢丝绳钢
Φ7-13
Φ5.5-6.5
7
5
12
15
4
焊条钢
Φ5.5-13
10
10
12.5
5
钢帘线钢
Φ5.5-13
10
10
12.5
6
合金结构钢
Φ6-13
9
9
11.25
7
螺纹钢
Φ8-12
7
7
8.75
合计
80
80
100
2.2确定金属平衡表
2.2.1确定计算产品的成品率
成品率是一项重要的技术经济指标，成品率的高低反映了生产组织管理及生产技术水平的高低。
成品率是指成品质量与投料量之比的百分数。
换句话，也就是指一吨原料能够生产出的合格产品重量的百分数。
其计算公式为：
（2-1）
式中：
—成品率，%；
—投料量（原料重量），t；
—金属的损失重量，t。
影响成品率的因素：
（1）烧损：
金属在高温状态下的氧化损失称为烧损。
（2）溶损：
是指在酸、碱洗或化学处理等过程中的溶解损失。
（3）几何损失：
包括切损、残屑。
（4）工艺损失：
又称技术损失，是指个工序生产中由于设备和工具、技术操作以及表面介质问题所造成的不符合质量要求的产品。
2.2.2金属平衡表的制定
表2.2金属平衡表
序号
品种
规格/mm
年产量/万吨
轧废/吨
切损/吨
烧损/吨
成材率/%
年需坯/万吨
1
普通低碳钢
Φ6-13
合计
17
17
244
244
1466
1466
1390
1390
98.2
98.2
17.31
17.31
2
普通低碳钢
Φ5.5-11
Φ11.5-13
合计
9
5
14
287
92
379
1004
399
1403
909
609
1518
97.6
97.8
97.7
9.22
5.11
14.33
3
钢丝绳钢
Φ7-13
Φ5.5-6.5
合计
7
5
12
102
92
194
663
430
1093
665
578
1243
98.0
97.8
97.9
7.14
5.11
12.25
4
焊条钢
Φ5.5-13
合计
10
10
246
246
1228
1228
926
926
97.7
97.7
10.24
10.24
5
钢帘线钢
Φ5.5-13
合计
10
10
163
163
1060
1060
677
677
98.1
98.1
10.19
10.19
6
合金结构钢
Φ6-13
合计
9
9
205
205
717
717
1278
1278
97.6
97.6
9.22
9.22
7
螺纹钢
Φ8-12
合计
7
7
82
82
530
530
688
688
98.2
98.2
7.13
7.13
合计
80
1513
7497
8190
97.9
81.72
2.3计算产品的选择
本车间拟生产多个品种多个规格的产品，但是，不可能对每种产品的每一个品种、规格及状态都进行详细的工艺计算。
为了减少设计工作量，加快设计速度，同时又不影响整体设计质量，从中选择典型产品作为计算产品。
2.3.1计算产品选择的原则
●有代表性：
从中找出1~2种产量较大、产品品种、规格、状态、工艺特点等有代表性。
●通过所有的工序：
是指所选的所有计算产品要通过各工序，但不是说每一种计算产品都通过各工序。
●所选的计算产品要与实际接近。
●计算产品要留一定的调整余量。
根据以上原则，本设计计算产品如表2.3
表2.3计算产品
钢种
牌号
钢坯
规格
弹簧钢
65Mn
150×150
Ф6.5mm
2.3.2计算产品的技术标准
在制定工艺流程时，不论用哪种加工方式和选用什么工序，都必须保证产品达到相应的技术要求，产品才能具有较高的使用价值。
因此，产品的技术要求是制定工艺流程的首要依据，是组织生产的基本文件。
根据ZBH44002-88和GB/T3429-94规定，计算产品的几何形状与尺寸精确度，钢的化学成分与性能以及表面质量如下：
1.直径允许偏差
直径允许偏差为
0.25mm。
2.脱碳层深度
允许脱碳深度为2.00%。
3.不圆度偏差
不圆度不大于公差直径的50%。
4.化学成分标准
牌号
化学成分%
不大于%
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
65Mn
0.62~0.70
0.17~0.37
0.90~1.20
0.035
0.035
0.25
0.30
0.25
5.力学性能标准
牌号
抗拉强度
伸长率
收缩率
65Mn
800~1200
8
30
6.表面质量
盘条的表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、折叠及夹杂。
允许以实际尺寸算起不超过尺寸公差之半的个别细小划痕、压痕、麻点及深度不超过0.2mm的小裂纹存在。
第三章生产工艺流程的制定
3.1制订生产工艺流程
合理的生产工艺流程应该是在满足产品技术条件的前提下，要尽可能低的消耗，最少的设备、最小的车间面积、最低的产品成本，并且根据车间具体的技术经济条件确定车间机械化和自动化程度，以利于产品质量和产量的不断提高和使工人具有较好的劳动条件。
3.1.1制订生产工艺流程的依据
根据生产方案的要求：
由于产品的产量、品种、规格及质量的不同，所采用的生产方案就不同，那么主要工序就有很大的差别。
因此生产方案是编制生产工艺流程的依据；
根据产品的质量要求：
为了满足产品技术条件，就要有相应的工序给予保证，因此，满足产品标准的要求是设计生产工艺流程的基础。
根据车间生产率的要求：
由于车间的生产规模不同，所要求的工艺过程复杂程度也不同。
在生产同一产品情况下，生产规模越大的车间，其工艺流程也越复杂。
因此，设计时生产率的要求是设计工艺流程的出发点。
3.1.2工艺流程简介
钢坯的准备：
连铸坯150mm×150mm×12000mm
装炉加热：
将钢坯加热到奥氏体温度，以利于轧制。
高压水除鳞：
坯料在加热炉加热之后，进入粗轧机组之前，需高压水除鳞，破除坯料表面的氧化铁皮和次生氧化铁皮，以免压下表面产生缺陷。
粗、中、精轧机组轧制：
使轧件轧成成品的尺寸，其中，粗轧机组6架，中轧机组6架，预精轧机组4架，8架精轧机，4架的减定径机组，这条生产线上共有28架轧机。
飞剪切头尾：
轧件进入每组轧机之前都要进行切头尾工作，目的是为了除去温度过低的头部以免损伤辊面，并防止轧件头部卡在机架间导卫装置中，卡断剪用于中轧机组、预精轧机组和精轧机组前，在事故状态下碎断轧件。
穿水冷却：
为了降低进入精轧机组的轧件温度，在精轧机组之前设置水箱，以控制终轧温度。
吐丝成卷：
轧出的线材在穿水冷却后，通过吐丝成卷形成散卷。
斯太尔摩散卷冷却：
控冷线按不同的钢种和产品用途，控制其冷却速度，以得到相应的成品质量。
精整与运输：
包括集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌，用集卷装置收集散卷，并将其挂到P-S运输线上的C形钩上，依次完成集卷、修整、检查、取样、捆轧、称重挂标牌等工序，之后卸卷入库。
3.2详细的工艺流程
3.2.1上料与加热
由于生产的产品主要是优质碳素结构钢，所以不宜采用热装热送工艺。
将冷却后连铸坯由电磁盘吊车提升到+5米高的上料台架上经过喷丸、探伤，修磨处理的合格的钢坯送入入炉辊道，称重、测长后送入加热炉进行加热。
根据不同钢种的加热制度和加热要求，钢坯在步进梁式加热炉内加热至开轧温度950～1150℃，由出炉辊道送往粗轧机进行轧制。
3.2.2高压水除鳞
由于主要生产的是优碳钢，为保证轧件表面质量和成品的综合性能，须在粗轧机前设置高压水除磷装置。
3.2.3轧制
采用全连轧方式生产，钢坯出炉后，由辊道将轧件送入由6架平立交替布置的短应力线二辊轧机组成的粗轧机组进行轧制。
轧件出粗轧机组经飞剪切头后再进入有6架平立交替的短应力线二辊组成的中轧机组进行轧制。
中轧机组轧出的轧件经飞剪切头后由导管经立活套进入预精轧机组，预精轧机组由4架平立交替的悬臂辊环式轧机组成。
机架间设有立活套器，对轧件进行无张力轧制或微张力轧制。
从预精轧机组出来的轧件经中间水箱冷却，以保证进精轧机组所需要的轧制温度，再经飞剪切头，由侧活套器进入无扭精轧机组进行轧制。
精轧机组为8架“V”型45℃无扭轧机，对轧件进行高速、单线、微张，无扭轧制。
为了提高轧机作业率和改善产品质量，在精轧机组后设置减定径机组（2台减径和2台定径轧机），可对轧件更加高效、高速、高精度，无扭轧制，终轧最大保证速度为100米/秒。
表3-1各种钢轧制及吐丝温度表
序号
钢种名称
代表钢号
第一架轧机入口温度℃
精轧机入口温度℃
减定机入口温度℃
吐丝温度℃
1
优碳钢
70#
950±30
850±10
800±10
840～860
2
低合金钢
20MnSi
1000±30
880±10
770±20
800～840
3.2.4控制冷却
从精轧机组和减定径机组出来的线材进入水冷段。
采用开环控制，以控制轧件合理的吐丝温度和减少氧化铁皮的生成。
轧件由夹送辊进入吐丝机，成线环进入斯太尔摩冷却线进行控制风冷。
根据冷却的钢种、规格的不同，在各生产工艺软件中对辊道速度、风量、开启或关闭保温罩进行设计，自动调节，以控制线材的冷却速度，从而获得适应于不同要求的线材。
代表性线材控制冷却的目的和控冷工艺如下：
表3-2各钢种线材控制冷却的目的和控冷工艺
序号
钢种
最终目的
最终材质要求
最终组织要求
控冷工艺
1
优碳钢
省去拉拔加工前的铅浴淬火
强度高、拉拔性能好，拉拔后韧性高
索氏体
控制风冷
2
低合金钢
简化球化退火
接近球化前组织
细珠光体
延迟冷却
3.2.5精整
经风冷后的线环在集卷站收集成盘卷后，经芯棒旋转、翻平，再由挂卷小车将盘卷挂至P/F线的形“C”钩上，继续冷却，并进行表面和外形尺寸检查，剪去超公差和未穿水冷却的头尾部，取样，压紧打捆，称重及挂标牌，然后到卸卷站卸卷，排齐，由吊车吊至成品跨呈梯形存放，按合同计划发货。
3.2.6剪切、废钢及氧化铁皮清除
整个轧线共设有6台剪机，其中3台飞剪机分别设置在粗轧机组后、中轧机组后，精轧机组前，用于剪切轧件的头部和尾部，并可起事故碎断作用。
3台卡断剪分别设置在13#机组前、精轧机组前和减定机组前。
飞剪切下的头尾及事故碎断的废钢经溜槽落入平台下的收集筐中，由叉车堆料场整理存放；其他轧制废品用火焰切割成小段装入收集筐中，再由汽车运走。
落入铁皮沟的氧化铁皮，经水冲至沉淀池中，定期用抓斗抓出放到滤水池中，滤干后用汽车运走。
细颗粒氧化铁皮和废油在水处理站凝结成沉淀，制成泥饼，由汽车外运。
3.3生产工艺流程图
图3-1高速线材车间工艺流程框图
第四章主要设备选择
4.1方案的比较及选择
4.1.1轧制速度的确定
高速线材轧机的发展趋势是优质高产，节能降耗。
因此，目前的厂家均采用连铸坯，以及提高轧制速度，减少线数，以达到优质高产，节能降耗的目的。
为此，根据这一要求和发展趋势，以及为获得高品质的优质碳结钢的线材，本设计选取保证速度为100米/秒，连续操作最大轧制速度为120米/秒。
4.1.2线数的确定
根据国内外各高线厂的实际生产经验及技术的发展，其趋势将以单线为主，具体原因为：
1）随着扎制速度的提高，单线也能高产；
2）单线设备投资少，建厂快，能尽早收回成本，经济效益好；
3）单线主厂房小，结构紧凑。
结合本设计的需求产量，设备技术水平，并以生产优碳钢为主，为保证产品产量，提高产品质量，本设计方案将采用单线。
4.1.3总机架数的确定
由于本设计产品的最小规格为Φ5.5㎜，故在确定机架数时，应以Φ5.5㎜产品作为设计计算的基础。
根据GB/T14981-94可知Φ5.5㎜线材的断面面积F成＝23.8㎜2，坯料圆角半径取8计算断面面积，坯料断面面积F坯＝1202－4（82－Π82/4）＝14345㎜2。
对全连续高速线材轧机，平均延伸系数的范围为1.260～1.328，取平均延伸系数μ＝1.265，则轧制机架总数为n＝（㏑F坯－㏑F成）/㏑μ＝27.25，取n＝28架
本设计计算产品规格为Φ6.5㎜，根据标准得知Φ6.5㎜线材的断面面积F成＝33.2㎜2，所以轧制道次总数为n＝（㏑F坯－㏑F成）/㏑μ＝25.82，取n＝26道次。
4.2高线生产的主要设备的特点及其选用
4.2.1高线生产的主要设备概况
一个完整合理的高速线材生产主要由以下设备组成：
加热炉、粗中轧机、预精轧机、精轧机、减定径机、斯太尔摩冷却线等组成。
要成功地设计一条高速线材生产线，合理的选择生产设备十分重要。
选择设备的原则是在选择成熟设备的基础上考虑先进性，在保证工艺的条件下考虑经济性。
以下就高速线材车间的主要设备的特点作较全面的讨论。
4.2.1.1加热炉
常见的加热炉有推钢式和步进式，步进式加热炉又可分为步进梁式和步进底式。
具体比较见下表.
表4-1几种常见的加热炉比较
推钢式
步进底式炉
步进梁式
梁底组合式
损伤
重
少
无
无
能耗
高
低
较低
低
烧损
0.50%
1.00%
0.75%
0.80%
脱碳层
1~2mm
1.0mm
0.5mm
0.7~0.8mm
造价
100%
115%
120%
115%
步进炉的特点：
1）产量高。
坯料四面受热，大大缩短加热时间，能很好地满足高线加热坯料量较大的的要求。
2）加热质量好。
钢坯在加热炉内散开布置，加热温度均匀，不会出现一般推钢式加热炉炉底处水管产生的黑印；钢坯与步进梁无摩擦，避免钢坯底面划伤；加热时间短，减少钢坯氧化量及脱碳层；坯料芯部和底部温差小，全长加热均匀。
3）操作灵活。
操作不受钢坯外形的限制，炉长不受推钢长度限制，变换品种容易；步进梁可作“踏步”动作，使钢坯温度均匀；空炉出炉简单，时间短，劳动强度低。
进出料方式：
出料采用侧出料，进料有侧进料（密封性好）。
综上所述并结合生产优碳钢的质量与工艺要求，加热炉选取步进梁式加热炉。
4.2.1.2粗中轧机
粗轧机类型很多，有三辊行星式、平立交替式、水平二辊式等形式。
平立交替式：
可实现轧件无扭轧制，特别适合高级线材的生产，另外可实行无孔型轧制。
现已有平立可转换轧机，可实现多线生产，但造价较高。
以前用于高级钢的生产，现也普遍应用于碳结钢生产。
水平二辊式：
这种形式的粗轧机应用较普遍,尤其适用于以碳素结构钢低合金钢为主的多线轧制。
轧机形式主要形式是闭口机架、短应力线轧机和预应力轧机。
根据设计产品质量和工艺的需，粗、中轧机组均由交流电机单独传动的短应力线高刚度机架的平立交替式轧机组成，粗轧机与中轧机均为6架，轧机平立交替布置，立式轧机为上传动。
4.2.1.3预精轧
当前多采用平立交替布置，具有悬臂式轧辊的预精轧机，其主要优点有以下几个；
1）由于机架平立交替布置，实现了活套轧制，可以消除粗轧和中轧轧制时不可避免产生的堆、拉钢现象而造成的轧件尺寸不均匀，从而使精轧机组得到尺寸稳定且均匀的轧件，
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