CN102062543B - 一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置 - Google Patents

Abstract

一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，由熔化炉、搅拌室、结晶器或流变输送器三大部分组成，熔化炉安装在搅拌室上部，结晶器或流变输送器安装在搅拌室下部，将金属熔体浇入到熔化炉，采用中频感应加热器进行保温均热，当金属熔体在其液相线温度范围时，实现定量浇注到搅拌坩埚内，对其进行电磁搅拌与机械振动，获得非枝晶细小等轴球状或近球状的微观组织，将所制备出细小近球状半固态浆料浇入到结晶器，进行冷却并凝固成坯料或者浇入到流变输送器，迅速送到成形模具，进行流变成形，本发明能够制备出黑色金属以及有色金属半固态浆料，提高了制备金属半固态浆料的效率和质量，减少了制备时间，特别适用于流变成形。

Description

一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置

技术领域

本发明属于金属半固态浆料制备技术领域，具体涉及一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置。

背景技术

金属半固态成形是一种金属新型的成形技术，其结合了铸造和锻造的优点，只需要少量工序就可以成形出较复杂形状并高性能的工件。与传统铸造相比，该技术具有成形温度低、模具寿命显著延长、同时可以提高工件的精度及力学性能。并与传统的热锻相比，半固态成形技术具有成形力低、流动性良好、可以实现近净成形、尤其只需要一道工序可以成形出较复杂形状的工件。到目前为止，在低熔点有色金属金属领域中，该技术已经获得了广泛地应用，特别在汽车、航空航天、电器等工业。但是对高熔点黑色金属材料，半固态成形还仍然在研究阶段。

在半固态成形过程中，半固态浆料制备是一个非常关键的技术步骤，决定半固态成形的成功与否，其目的为获得了非枝晶细小等轴球状或近球状的微观组织。到目前为止，人们已经开发了许多制备金属半固态浆料的新工艺和新技术，如电磁搅拌法、机械搅拌法、振动法、应变诱发熔化激活(SIMA法)、热处理法、添加粉末变质剂法等。但是，成功地应用于工业生产上只有电磁搅拌法，而且制备的合金主要为有色金属，如铝合金、镁合金等。与有色金属相比，黑色金属材料半固态成形技术的研究较少，原因主要在于黑色金属熔点高(1300-1500℃)，与铝合金的熔点(500-700℃)高一倍，给黑色金属半固态浆料制备和半固态成形带来很大的困难。

机械搅拌法是金属半固态浆料制备应用最早的。该方法利用旋转叶片或搅拌棒将凝固中的初生固相打碎，获得球状或近球状初生固相的半固态浆料，其优点在于设备简单、有益于形成细小微观组织；但缺点在于，黑色金属熔体温度高，浆料制备时，旋转叶片或搅拌棒的使用寿命短、易造成腐蚀、金属浆料易受到污染等，因此在金属半固态浆料制备该方法应用较少。

电磁搅拌法的原理是利用旋转电磁场在金属液中产生感应电磁场，金属液在洛伦兹力的作用下产生运动，从而实现对金属液搅拌的目的。该方法的突出优点在于非接触式搅拌法，有效克服了类似于机械搅拌的叶片或搅拌棒腐蚀污染的问题，另外具有搅拌参数控制灵活方便、易调节等。目前，在有色金属半固态浆料制备中，电磁搅拌法应用最广泛，已经应用在工业生产上。但是对黑色金属材料，该方法还处于初期阶段，原因在于，黑色金属熔点高、熔体导电率低，从而给半固态浆料制备带来很大的困难，如所需的搅拌功率大、搅拌时间长、并加热、保温、冷却过程中需要良好的措施等。

机械振动半固态浆料制备法的优点在于设备简单、易实现、投资少等。近几年，华中科技大学采用低频机械振动对A390、ZL101铝合金等进行半固态浆料制备，获得了较细小等轴的非枝晶组织。但是振动时，测量温度的热电偶及其控制部件受到剧烈激振力，导致降低它们工作稳定性、寿命缩短。

控制过热度浇注半固态浆料制备法是通过控制合金浇注温度和凝固冷却速度来制备半固态金属浆料或坯料，该技术方法一般不采用任何搅拌，所以制备工艺简单。其缺点在于效率低，并且组织均匀性较差，尤其黑色金属熔点高、难以控温，因此对黑色金属该法方效率较低、难实现。

上述的几种制备金属半固态浆料是单独作用的，其效率较低、功率要求较大，对黑色金属材料半固态浆料制备难以得到良好的效果。近几年，有学者对低熔点有色金属半固态浆料将上述两者或多者结合起来获得了较好效果，微观组织细小、均匀的球状或近球状、制备时间短、需要功率小等。

另一方面，在半固态流变成形技术，定量浇注是一个十分重要的步骤。传统方法一般采用塞杆式，其优点在于结构较简单，但是浇注时，半固态浆料是靠重力或加压的方式出料，流量不稳定，因此定量误差较大，目前仍然还没有良好的解决办法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，能够制备出黑色金属以及有色金属半固态浆料或流变成形，提高了制备金属半固态浆料的效率和质量，减少制备时间。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，由熔化炉1、搅拌室II、结晶器IIIA或流变输送器IIIB三大部分组成，熔化炉I安装在搅拌室II上部，熔化炉I的熔化坩埚衬底32的下部伸入搅拌室II的搅拌坩埚10内，结晶器IIIA或流变输送器IIIB安装在搅拌室II下部；

所述的熔化炉I包括熔化坩埚7，熔化坩埚7的外部设有熔化炉保温层8，熔化炉保温层8的外部设有中频感应加热器1，熔化坩埚7、熔化炉保温层8和中频感应加热器1同轴安装在熔化炉底板9上部，熔化坩埚7及熔化炉保温层8的上部设有炉盖5，上塞杆6位于熔化坩埚7的中心线上，其一端穿过炉盖5的中心孔伸出炉盖5外，另一端和熔化坩埚衬底32的顶端相接，熔化坩蜗衬底32的上部位于熔化坩埚7底部的中心孔内，上塞杆6内设有第二热电偶3a和第三热电偶3b，第二热电偶3a和第三热电偶3b的一端伸出上塞杆6的顶部外，第二热电偶3a的另一端位于上塞杆6的中部，而第三热电偶3b的另一端位于搅拌室II的搅拌坩埚10的中部，上塞杆6伸出炉盖5的部分侧面设有第一保护气进口4，熔化坩埚衬底32下端带有第一特种高温密封圈31，熔化坩埚7内设有第一热电偶2，第一热电偶2的一端伸出炉盖5外；

所述的搅拌室II包括搅拌坩埚10，搅拌坩埚10的外部依次设有搅拌室保温层11、第一电阻加热器12、保温隔热层13、第一冷却水***14、电磁搅拌器27和外壳28，并同轴安装在搅拌室底板16上部，通过上压板30将上述零部件卡紧一起，两个相同的振动电机18和弹簧17对称地安装在搅拌室底板16下部，两个振动电机18的轴端偏心块旋转方向相反，在搅拌坩埚10底部设有下塞杆21，下塞杆21的顶部设有第二特种高温密封圈26，下塞杆21的内部设有第四热电偶22，第一冷却水***14设有第一冷却水进口25和第一冷却水出口29，在外壳28侧面底部设有第二保护气进口15；

用于触变浆料时，结晶器IIIA安装在搅拌室底板16下部，结晶器IIIA包括结晶器铜管20与第二冷却水***23，结晶器铜管20同轴安装在搅拌坩埚10下部，结晶器铜管20的外部设有第二冷却水***23，第二冷却水***23设有第二冷却水进口24及第二冷却水出口19；

用于流变浆料时，流变输送器IIIB安装在搅拌室底板16下部，流变输送器IIIB包括输送管33，输送管33侧面通过短斜板36与输送筒34相接，输送筒34的外部设有第二电阻加热器35，输送管33同轴安装在搅拌坩埚10下部。

所述的熔熔化炉I与搅拌室II之间具有10～12mm的安装间隙。

所述的第一特种高温密封圈31、第二特种高温密封圈26的材料采用软刚玉。

所述的熔化坩埚衬底32的材料为软石墨。

本发明的工作原理为：

将金属材料熔化后浇入到熔化坩埚7或者直接将金属加热到熔融状态，采用中频感应***1进行保温均热；当金属熔体温度在材料液相线即0～30℃范围时，通过控制下塞杆21在搅拌坩埚10的位置，将金属熔体实现定量浇注到已预热的搅拌坩埚10内；在金属熔体冷却过程中到半固态状态，按照工艺所需的功率和频率，对半固态浆料在搅拌坩埚10进行电磁搅拌与机械振动复合，打碎冷却过程中所产生初生枝晶组织，以获得非枝晶细小等轴球状或近球状的微观组织；用于触变浆料时，将所制备出细小近球状半固态熔体浆料浇入到结晶器IIIA的结晶器铜管20，进行冷却并凝固成坯料，用于流变浆料时，将所制备出细小近球状半固态熔体浆料浇入到流变输送器IIIB的输送筒34，迅速送到成形模具，进行流变成形。

本发明的优点为：

1、采用控制过热度浇注法，同时施加无接触式的电磁搅拌与振动复合制备金属半固态浆料，金属熔体不会受到污染，需要的搅拌或振动功率小、时间短、效率高、工艺参数灵活控制、适用范围广，包含各种黑色金属以及多种有色金属的触变浆料以及流变浆料；

2、本发明的装置的熔化炉、搅拌室和结晶器是一个整体的，其具有良好的密封性，从而减少浆料制备过程的氧化、温控方便、精确；

3、采用下塞杆式进行定量浇注，其结构简单、定量浇注精确、误差小、控制灵活，特别适用于流变成形；

4、采用两个相同的振动电机对称的安装，但是轴端偏心块旋转方向相反的，这样使两个振动电机发生的横向激振力相互抵消，而纵向的激振力叠加，其结构简单、投资少、效率高；

5、采用特种高温软刚玉密封圈，使搅拌室与熔化炉分开的，其振动时，只有搅拌室受到激振力，但是熔化炉及其部件不受激振力，对熔化炉的各热电偶及其控制部件的稳定性增加、寿命延长。

附图说明

图1为本发明使用结晶器IIIA的结构示意图。

图2为本发明使用流变输送器IIIB的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，由熔化炉I、搅拌室II、结晶器IIIA或流变输送器IIIB三大部分组成，熔化炉I安装在搅拌室II上部，但是两者独立分开的，目的为机械振动时，使只有搅拌室II受到激振力，但是熔化炉I不振，从而对熔化炉I的零部件提高工作稳定性和寿命延长，熔化炉I的熔化坩埚衬底32的下部伸入搅拌室II的搅拌坩埚10内，用于触变浆料时，结晶器IIIA安装在搅拌室II下部；用于流变浆料时，流变输送器IIIB安装在搅拌室II下部；

所述的熔化炉I包括盛放金属熔体的熔化坩埚7，熔化坩埚7的外部设有熔化炉保温层8，熔化炉保温层8的外部设有中频感应加热器1；熔化坩埚7、熔化炉保温层8和中频感应加热器1同轴安装在熔化炉底板9上部，熔化坩埚7材料为刚玉，熔化坩埚7及熔化炉保温层8的上部设有炉盖5，上塞杆6位于熔化坩埚7的中心线上，其一端穿过炉盖5的中心孔伸出炉盖5外，另一端和熔化坩埚衬底32的顶端相接，熔化坩埚衬底32的上部位于熔化坩埚7底部的中心孔内，上塞杆6内设有第二热电偶3a和第三热电偶3b，第二热电偶3a和第三热电偶3b的一端头伸出上塞杆6的顶部外，第二热电偶3a的另一端位于上塞杆6的中部，测量金属液在熔化坩埚7内的温度，而第三热电偶3b的另一端位于搅拌室II的搅拌坩埚10的中部，测量半固态浆料在搅拌坩埚10的温度，上塞杆6伸出炉盖5的部分侧面设有第一保护气进口4，采用保护气预防金属熔体在熔化炉I以及搅拌室II的氧化，上塞杆6的材料为刚玉，因为在高温条件下，刚玉较硬，因此熔化坩埚7与上塞杆6之间的密封度较差，为了提高熔化坩埚7及上塞杆6之间的密封度，熔化坩埚7或上塞杆6材料该选为石墨，在高温条件下，石墨较软，但是这样容易对金属熔体增加碳化物，导致污染、降低浆料质量，因此为了克服该缺点，熔化坩埚7下部设有熔化坩埚衬底32，熔化坩埚衬底32的材料为软石墨，熔化坩埚衬底32端部带有第一特种高温密封圈31，熔化坩埚7内设有第一热电偶2，第一热电偶2的一端伸出炉盖5外，金属熔体在熔化坩埚7内的温控方式为闭环、PID控制，其测温通过第一热电偶2与第二热电偶3a，因为第一热电偶2长期在金属熔体，容易破坏、缩短它的寿命，因此设有该第一热电偶2方便拆开、保存，中频感应加热器1的频率及功率可调，其频率为1000～2500Hz、最大功率为45kW、加热最高温度可达1650℃；

所述的搅拌室II包括盛放半固态浆料的搅拌坩埚10，搅拌坩埚10的外部设有搅拌室保温层11，搅拌室保温层11外部设有第一电阻加热器12，其加热最大功率为7000W、最高温度为1450℃，第一电阻加热线圈12的外部设有电磁搅拌器27，电磁搅拌器27的频率与功率可调，其功率为0～10.000W、频率为0～500Hz，因为电磁搅拌器27的线圈不能受高温，一般要求在100℃以下，但是搅拌坩埚7被加热最高温度可达1450℃，而电磁搅拌器27与搅拌坩埚10之间的间隙不能太大，影响电磁搅拌效率，因此电磁搅拌器27与第一电阻加热器12之间需要良好的隔热冷却措施，故而设有保温隔热层13，保温隔热层13的外部设有第一冷却水***14，第一冷却水***14设有第一冷却水进口25和第一冷却水出口29，其冷却水的流量可以控制调节，为了保护电磁搅拌器27的碰撞，在电磁搅拌器27外部设有外壳28，上述的零部件同轴安装在搅拌室底板16上部，通过上压板30将上述零件卡紧一起，两个相同振动电机18与弹簧17对称安装在搅拌室底板16下部，两个振动电机18的轴端偏心块旋转方向是相反的，这样振动时，使发生横向激振力相互抵消，而纵向力叠加，搅拌室II下部设有下塞杆21，下塞杆21的顶部设有第二特种高温密封圈26，下塞杆21的内部设有第四热电偶22，通过控制下塞杆21在搅拌坩埚10内的位置，可以实现定量浇注，测量金属半固态浆料在搅拌坩埚10内的温度通过第三热电偶3b和第四热电偶22，而第四热电偶22还能测量制备后冷却过程的温度，第一电阻加热器12线圈材料为钼丝，在高温条件下，钼丝的氧化较严重，因此为了保护该钼丝，在外壳28侧面设有第二保护气进口15；

用于触变浆料时，结晶器IIIA安装在搅拌室底板16下部，结晶器IIIA包括结晶器铜管20，结晶器铜管20外侧设有第二冷却水***23，结晶器铜管20同轴安装在搅拌坩埚10下部，其壁厚为6～10mm、内径具有30’～1°的小锥度，目的为冷却凝固后的坯料方便拆开、取料，第二冷却水***23设有第二冷却水进口24及第二冷却水出口19，第二冷却水23的流量可控制调节，通过控制第二冷却水***23的流量与下塞杆21的速度，可控制半固态浆料制备后的冷却速度，而该温度信号通过第四热电偶22测量得到的；

用于流变浆料时，流变输送器IIIB安装在搅拌室底板16下部，流变输送器IIIB包括输送管33，输送管33侧面通过短斜板36与输送筒34相接，输送筒34的外部设有第二电阻加热器35，第二电阻加热器35的加热最高温度可达800℃，输送管33同轴安装在搅拌坩埚10下部。

所述的化炉I与搅拌室II之间具有10～12mm的安装间隙，振动时，只有搅拌室II受到剧烈的激振力，而熔化炉I不振，提高熔化炉I的各热电偶以及控制部件稳定性、寿命延长。

所述的第一特种高温密封圈31、第二特种高温密封圈26的材料采用软刚玉，该材料在高温条件下具有良好的密封性。

所述的熔化坩埚衬底32的材料为软石墨，在高温条件下，熔化坩埚衬底32与上塞杆6以及熔化坩埚7之间能够实现良好的密封。

本发明的工作原理为：

将熔化金属浇入到已预加热的熔化坩埚7或直接将金属加热到熔融状态，通过可调频率和功率的中频感应加热器1进行保温均热，保温均热过程分成三个阶段：初步采用大功率(35～40kW)，其次中功率(12-15kW)，最后小功率(2-5kW)，目的为取得较均匀的金属熔体；测量金属熔体在熔化坩埚7的温度通过第一热电偶2和第二热电偶3a，温控方式为闭环、PID控制，均热要求：金属熔体温度控制在材料液相线(0～30℃)范围，最高温度可达1650℃、温控精度±2℃、均热度±5℃；为了减少金属熔体在熔化坩埚7的氧化，采用保护气通过第一保护气进口4。

当金属熔体在熔化坩埚7达到所需的温度，通过控制下塞杆21在搅拌坩埚10内的位置，实现定量浇注，具体为：下塞杆21在搅拌坩埚10内往上移到一定的位置，与上塞杆6、搅拌坩埚10形成一个所需的空间，停下；然后上塞杆6往上移，将金属熔体在熔化坩埚7浇入到该空间，实现定量浇注，然后上塞杆6往下移，密封。

定量浇注后，下塞杆21往下移到电磁搅拌器27的线圈末端位置，将金属熔体浇入到已预热的搅拌坩埚10，当金属熔体在搅拌坩埚10内冷却过程中，打开电磁搅拌器27与振动电机18，进行电磁搅拌与机械振动复合，目的为打碎金属熔体冷却过程中到半固态状态所产生初生枝晶组织，以获得非枝晶细小等轴球状或近球状的微观组织；电磁搅拌与振动时间为0～360s，其功率和频率可调，具体为：电磁搅拌功率0～10.000W、频率0～600Hz；机械振动的功率0～10000W、频率0～100Hz、振幅0～2mm；搅拌坩埚10预加热方式采用第一电阻加热器12，搅拌坩埚10的预加热温度小于材料液相线100℃左右，最高温度可达1450℃。

用于触变浆料时，结晶器IIIA安装在搅拌室1I下部；制备浆料后，下塞杆21往下移，将所制备出细小近球状的半固态浆料浇入到结晶器铜管20，进行冷却并凝固成坯料；通过控制第二冷却水***23的流量和下塞杆21的速度，可以控制金属半固态浆料在结晶器铜管20内的冷却速度，目的为获得了良好的微观组织及力学性能的半固态坯料；

用于流变浆料时，流变输送器IIIB安装在搅拌室II下部；制备浆料后，下塞杆21往下移将所制备出的半固态浆料浇入到已预热的输送筒34，然后迅速送到成形模具，进行流变成形。

本发明涉及的黑色金属半固态触变浆料和流变浆料制备，其适用范围广，包含各种高熔点黑色金属以及多种低熔点有色金属半固态浆料，突出优点在于需要电磁搅拌和振动功率小、效率高、制备时间短，能够制备出非枝晶细小等轴球状或近球状微观组织的半固态浆料或坯料，特别适用于金属半固态流变成形。

附图中：I为熔化炉；II为搅拌室；IIIA为结晶器；IIIB为流变输送器；1为中频感应加热器；2为第一热电偶；3a为第二热电偶；3b为第三热电偶；4为第一保护气进口；5为炉盖；6为上塞杆；7为熔化坩埚；8为熔化炉保温层；9为熔化炉底板；10为搅拌坩埚；11为搅拌室保温层；12为第一电阻加热器；13为保温隔热层；14为第一冷却***；15为第二保护气进口；16为搅拌室底板；17为弹簧；18为振动电机；19为第二冷却水出口；20为结晶器铜管；21为下塞杆；22为第四热电偶；23为第二冷却水***；24为第二冷却水进口；25为第一冷却水进口；26为第二特种高温密封圈；27为电磁搅拌器；28为外壳；29为第一冷却水出口；30为上压板；31为第一特种高温密封圈；32为熔化坩埚衬底；33为输送管；34为输送筒；35为第二电阻加热器；36为短斜板。

Claims (3)

1.一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，其特征在于：由熔化炉(I)、搅拌室(II)、结晶器(IIIA)或流变输送器(IIIB)三大部分组成，熔化炉(I)安装在搅拌室(II)上部，熔化炉（I）的熔化坩埚衬底(32)的下部伸入搅拌室(II)的搅拌坩埚(10)内，结晶器(IIIA)或流变输送器(IIIB)安装在搅拌室(II)下部；

所述的熔化炉(I)包括熔化坩埚(7)，熔化坩埚(7)的外部设有熔化炉保温层(8)，熔化炉保温层(8)的外部设有中频感应加热器(1)，熔化坩埚(7)、熔化炉保温层(8)和中频感应加热器(1)同轴安装在熔化炉底板(9)上部，熔化坩埚(7)及熔化炉保温层(8)的上部设有炉盖(5)，上塞杆(6)位于熔化坩埚(7)的中心线上，其一端穿过炉盖(5)的中心孔伸出炉盖(5)外，另一端和熔化坩埚衬底(32)的顶端相接，熔化坩埚衬底(32)的上部位于熔化坩埚(7)底部的中心孔内，上塞杆(6)内设有第二热电偶(3a)和第三热电偶(3b)，第二热电偶(3a)和第三热电偶(3b)的一端伸出上塞杆(6)的顶部外，第二热电偶(3a)的另一端位于上塞杆(6)的中部，而第三热电偶(3b)的另一端位于搅拌室(II)的搅拌坩埚(10)的中部，上塞杆(6)伸出炉盖(5)的部分侧面设有第一保护气进口(4)，熔化坩埚衬底(32)下端带有第一特种高温密封圈(31)，熔化坩埚(7)内设有第一热电偶(2)，第一热电偶(2)的一端伸出炉盖(5)外；

所述的搅拌室(II)包括搅拌坩埚(10)，搅拌坩埚(10)的外部依次设有搅拌室保温层(11)、第一电阻加热器(12)、保温隔热层(13)、第一冷却水***(14)、电磁搅拌器(27)和外壳(28)，并同轴安装在搅拌室底板(16)上部，通过上压板(30)将上述零部件卡紧一起，两个相同的振动电 机(18)和弹簧(17)对称地安装在搅拌室底板(16)下部，两个振动电机(18)的轴端偏心块旋转方向相反，在搅拌坩埚(10)底部设有下塞杆(21)，下塞杆(21)的顶部设有第二特种高温密封圈(26)，下塞杆(21)的内部设有第四热电偶(22)，第一冷却水***(14)设有第一冷却水进口(25)和第一冷却水出口(29)，在外壳(28)侧面底部设有第二保护气进口(15)；

用于触变浆料时，结晶器(IIIA)安装在搅拌室底板(16)下部，结晶器(IIIA)包括结晶器铜管(20)与第二冷却水***(23)，结晶器铜管(20)同轴安装在搅拌坩埚(10)下部，结晶器铜管(20)的外部设有第二冷却水***(23)，第二冷却水***(23)设有第二冷却水进口(24)及第二冷却水出口(19)；

用于流变浆料时，流变输送器(IIIB)安装在搅拌室底板(16)下部，流变输送器(IIIB)包括输送管(33)，输送管(33)侧面通过短斜板(36)与输送筒(34)相接，输送筒(34)的外部设有第二电阻加热器(35)，输送管(33)同轴安装在搅拌坩埚(10)下部；

所述的第一特种高温密封圈(31)、第二特种高温密封圈(26)的材料采用软刚玉。

2.根据权利要求1所述的一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，其特征在于：所述的熔化炉(I)与搅拌室(II)之间具有10～12mm的安装间隙。

3.根据权利要求1所述的一种黑色金属半固态浆料制备的电磁搅拌与振动复合装置，其特征在于：所述的熔化坩埚衬底(32)的材料为软石墨。 

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