CN102314985B - 一种铁基非晶合金宽带及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于非晶合金快速凝固技术领域,具体涉及一种铁基非晶合金宽带,其宽度为220~1000mm,厚度为0.02~0.03mm,横向厚度偏差小于±0.002mm,叠片系数大于0.84,饱和磁通密度大于1.5T,且在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下铁损小于0.20W/kg、激磁功率小于0.50VA/kg。本发明还涉及所述宽带的制造方法,其采用单辊急冷法,其中喷嘴缝宽度为0.4~0.7mm,喷嘴缝横向宽度偏差小于±0.05mm,冷却辊(4)的横向平整度偏差小于0.02mm,表面粗糙度Ra小于0.0005mm。
Description
技术领域
本发明属于非晶合金快速凝固技术领域,具体涉及一种铁基非晶合金宽带及其制造方法,尤其是宽度为220~1000mm的铁基非晶宽带及其制造方法。
背景技术
铁基非晶合金作为一种软磁材料,具有优良的电磁特性,用于配电变压器中的铁芯,可以大幅度降低变压器的运行能耗,因而在配电变压器领域得到了广泛应用。例如,日立金属公司的铁基非晶合金带材产品(Metglas2605SA1)共有142mm、170mm、213mm三种宽度规格,以供用户制造不同尺寸的变压器铁芯。
现有技术的生产宽度不大于213mm的铁基非晶合金带材可以制造容量在2000kVA以下的配电变压器,而不适于制造容量更大的配电变压器。这是由于:非晶配电变压器的铁芯结构是根据变压器容量、非晶合金带材宽度而优化设计的,如果用现有规格的非晶合金带材设计制造容量大于2000kVA的配电变压器,只能大幅度增加非晶铁芯的叠厚,导致非晶铁芯的截面尺寸明显偏离合理范围,在技术上和经济上不可行。换言之,对于容量在2000kVA以上的配电变压器,由于铁芯体积大,需要使用更宽的非晶合金带材制造产能发挥非晶合金的优势。由于非晶合金配电变压器的节能效益,迫切希望能够在大型变压器中使用非晶合金作为铁芯材料。因此,对宽度在220mm以上的铁基非晶合金宽带提出了很大需求。
非晶合金作为近年来迅速发展起来的新材料,一般采用快速凝固技术,也称为单辊急冷法制造,典型的制造工艺为:将特定成分的金属原材料熔化,再使钢液通过一条宽度在1mm以下的喷嘴狭缝流到一只高速旋转的、具有良好导热性的金属冷却辊上,钢液在冷却辊外圆周表面铺展并以106℃/sec的速率迅速冷却形成厚度约为0.03mm左右的连续金属薄带,其原理如图1所示。
非晶合金带材制造时,喷嘴缝的尺寸决定了母合金钢液的流量,因此,喷嘴缝的横向尺寸均匀性是非晶宽带横向厚度均匀性的关键之一。例如,美国发明专利US19970864892(名称“Method of manufacturinga wide metal thin strip”)提供了一种用于非晶合金宽带制造的喷嘴结构,通过专门的喷嘴外形设计,可以获得最大宽度为200mm的、横向厚度均匀的非晶合金宽带。中国发明专利ZL99808439.5(名称“高叠层系数非晶态金属带及变压器铁心”)公开了一种制造170mm宽非晶带材的方法,其通过将冷却辊表面粗糙度控制在0.005mm以下、并将喷嘴缝表面粗糙度控制在0.005mm以下,可以制造宽度170mm、叠片系数90%左右的铁基非晶宽带。然而,如果制造更宽的非晶合金宽带,由于喷嘴处的温度梯度很大,过长的喷嘴很容易发生变形,从而影响非晶合金宽带的横向厚度一致性,严重降低非晶宽带的叠片系数,严重时热应力甚至会使喷嘴开裂,而不能满足制造宽度在220mm以上高质量铁基非晶合金宽带的要求。
为了连续生产非晶合金带材,需要在带材连铸的同时将带材同步卷取。由于卷取后的带材仍然具有一定温度,而带材卷又难以较快冷却,导致带材卷可能发生结构弛豫而丧失优良的性能。为了使得非晶合金带材在卷取后不发生明显的结构弛豫,要求非晶合金带材从冷却辊表面的卷取温度低于一定值。非晶合金带材越宽,卷取后降温就越缓慢,带材卷就越容易发生结构弛豫,因而相应地要求卷取温度越低。对于宽度在213mm以下的非晶合金带材,卷取温度在150℃以下即可。而另一方面,在冷却辊***的冷却能力一定时,所制造的非晶合金带材越宽,冷却辊表面所承受的热负荷就越大,非晶合金带材的卷取温度就越高。因此,带材温度随宽度的增加而提高的现象与宽带要求卷取温度降低之间存在矛盾,成为宽度在213mm以上带材制造的一个难点。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足,本发明的目的在于提供一种铁基非晶合金宽带及其制造方法,能够制造优良性能且宽度为220~1000mm的铁基非晶合金宽带。
为了达到上述目的,本发明提供了如下技术方案:
一种铁基非晶合金宽带,采用单辊急冷法制造,其中,所述铁基非晶合金中,按质量百分比计,Fe含量为88~95%,Si含量为0~6%,B含量为1~5%;并且其宽度为220~1000mm,厚度为0.02~0.03mm,横向厚度偏差小于±0.002mm,叠片系数大于0.84,饱和磁通密度大于1.5T,且在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下铁损小于0.20W/kg、激磁功率小于0.50VA/kg;其中制造过程所用的冷却辊(4)的横向平整度偏差小于0.02mm,表面粗糙度Ra小于0.0005mm。
铁基非晶合金宽带的化学成分,按质量百分比计,可表示为Fe100-x-y-zSixByMz,其中M为Ni、Co、Cr、Mn、Cu、V、Nb、Mo、W、Ta、Zr、Hf、C、P中的一种或几种,其中x=0~6,y=1~5,z=0~5,且5<x+y+z<12,其余为不可避免的杂质。
x=1.5~6,z=0.05~3。
为了达到上述目的,本发明进一步提供了如下技术方案:
上述铁基非晶合金宽带的制造方法,采用单辊急冷法,包括如下步骤:
①在冶炼炉(1)中将原材料熔化并形成成分均匀的钢液;
②将钢液浇入中间包(2)中镇静;
③将中间包(2)中的钢液浇入喷嘴包(3)中,钢液从喷嘴包(3)底部的喷嘴缝流出;
④从所述喷嘴缝中流出的钢液直接流到位于其下方的高速旋转的冷却辊(4)表面,并迅速冷却成为铁基非晶合金宽带;
⑤所述铁基非晶合金宽带随即被卷取机(5)同步卷取成宽带卷(6);
其中在步骤④中,所述喷嘴缝的宽度为0.4~0.7mm,横向宽度偏差小于±0.05mm,所述冷却辊(4)的横向平整度偏差小于0.02mm,冷却辊(4)的表面粗糙度Ra小于0.0005mm。
在步骤④中,所述铁基非晶合金宽带离开冷却辊(4)后,经一个或多个二次冷却装置进一步冷却后,再进入步骤⑤。
二次冷却装置为辅助冷却辊(7)、冷却介质喷嘴(8)或其组合。
非晶合金宽带在辅助冷却辊(7)上形成圆心角10°以上的包角。
冷却水通过所述辅助冷却辊(7)的内部,所述冷却介质喷嘴(8)向所述铁基非晶合金宽带表面喷吹气体或易挥发液体介质。
喷嘴包(3)的喷嘴底面有预先加工的弧形,该弧形与工作状态下冷却辊的鼓形表面构成横向一致的辊嘴间距。
在铁基非晶合金宽带制造过程中,对冷却辊表面进行连续修复和清洁,使辊面粗糙度Ra始终小于0.0005mm。
所述铁基非晶合金宽带的卷取温度低于120℃。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:
通过将喷嘴缝的横向宽度偏差控制在±0.05mm以内、将冷却辊表面粗糙度控制在0.0005mm以内、将冷却辊表面平整度偏差控制在0.02mm以内、对带材实施二次冷却等措施,实现了横向厚度偏差小于±0.002mm、叠片系数大于0.84、宽度为220~1000mm的铁基非晶合金宽带的制造;该铁基非晶合金宽带的饱和磁通密度大于1.5T;在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下的铁损小于0.20W/kg;在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下的激磁功率小于0.50VA/kg。
附图说明
图1为本发明的铁基非晶合金宽带制造方法的工艺原理示意图;
图2为本发明所述制造方法中喷嘴缝宽度、辊嘴间距与非晶合金宽带厚度的关系;
图3为本发明所述制造方法中铁基非晶合金宽带的卷取温度与其厚度的关系;
图4为采用辅助冷却辊对本发明的非晶合金宽带进行二次冷却的示意图;
图5为采用喷嘴对本发明的非晶合金宽带进行二次冷却示意图。
附图标记
1感应熔炼炉 2中间包
3喷嘴包 4冷却辊
5卷取机 6带材卷
7辅助冷却辊 8冷却介质喷嘴
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
在本发明的铁基非晶合金中,Fe是合金中的最主要元素,是材料铁磁性的来源,其含量应在88%~95%(质量百分比)之间。Fe含量过低会导致合金的饱和磁通密度低于1.5T而失去实用价值,Fe含量过高则会使合金成分过多地偏离共晶点,降低合金的非晶形成能力,导致制造出的带材脆化甚至不能形成非晶结构。
在本发明的铁基非晶合金中,Si和B是不可缺少的,它们被称为玻璃化元素,其作用是与Fe配合形成接近共晶点的合金成分,降低合金熔点和形成非晶结构的临界冷却速率,使得合金在冷却过程中容易产生过冷而有利于形成非晶结构。根据本发明,Si含量在0~6%(质量百分比)之间、B含量在1%~5%(质量百分比)是合适的。
此外,本发明的铁基非晶合金中还可以添加5%(质量百分比)以下的其它元素,以改善合金的特定性能。例如,合金中适当添加Ni或Co可以提供合金的饱和磁通密度;适当添加Cr、Mn、Cu、V、Nb、Mo、W、Ta、Zr、Hf等可以提高合金的晶化温度,改善热稳定性,但这些元素添加过多会明显降低合金的居里温度和饱和磁通密度,因此总添加量最好不大于5%(质量百分比);适当添加C、P等可以改善合金的非晶形成能力或工艺性能。
总之,根据本发明的铁基非晶合金中的Si、B和其它添加元素含量之和在5%~12%(质量百分比)之间,Fe含量在88%~95%(质量百分比)之间,此外还有极少量不可避免的杂质。
本发明的铁基非晶合金宽带采用单辊急冷法制造,基本工艺流程包括配料、母合金熔炼、非晶合金宽带高速连铸、非晶合金宽带在线卷取,工艺流程如图1所示。
对于本发明的铁基非晶合金宽带,可以采用纯铁、硼铁、硅铁作为母合金熔炼的原材料,在感应炉或其它方式的冶炼炉1中将原材料熔化并形成成分均匀的钢液。然后,将钢液浇入中间包2中。中间包既起到对生产节奏的缓冲作用,又使得钢液得到一定时间的镇静,配合现有技术的其它冶金手段可以使得钢液中的夹杂物充分上浮,改善母合金钢液质量。
在母合金钢液准备就绪后,将钢液浇入喷嘴包3中。喷嘴包的底部开有一条狭长的喷嘴缝,以使钢液流出。在喷嘴缝的下方有一只高速旋转的铜合金冷却辊4,钢液流到冷却辊表面后立即铺展成为均匀的薄膜并迅速冷却成为非晶合金带材,带材随即被卷取机5同步卷取成带材卷6。
铁基非晶合金宽带在配电变压器等领域应用时,为了缩小体积,一般都希望非晶合金宽带具有尽量高的叠片系数。所谓叠片系数指多层非晶合金宽带堆叠在一起时非晶合金材料的真实截面积与其外形截面积之比。显然,总希望非晶合金宽带尽可能平整,横向厚度偏差和微观表面缺陷尽可能少。
在上述工艺流程中,喷嘴缝的宽度、辊嘴间距(喷嘴缝到冷却辊表面的距离)、冷却辊转速、喷嘴包中钢液面高度(静压力)是决定非晶合金宽带厚度的最重要因素,而喷嘴缝宽度一致性、辊嘴间距一致性则是决定非晶合金宽带横向厚度一致性、进而影响非晶合金宽带叠片系数的关键因素。图2为本发明通过大量非晶合金带材制造工艺试验获得的上述工艺参数与非晶合金带材厚度之间的关系。
根据本发明,喷嘴缝的长度与所述非晶合金宽带宽度相同,而喷嘴缝的宽度为0.4~0.7mm。如果喷嘴缝窄于0.4mm,则在非晶合金宽带连铸过程中喷嘴缝容易被钢液中不可避免的夹杂物颗粒堵塞,使得非晶合金宽带产生分条。如果喷嘴缝宽于0.7mm,则通过喷嘴缝的钢液流量太大,容易使得非晶合金宽带厚度超标。
为了达到所要求的非晶合金宽带叠片系数,本发明要求喷嘴缝的横向宽度偏差小于±0.05mm。通过实验发现,如果喷嘴缝的横向宽度偏差大于±0.05mm,会使钢液流量不均匀,导致宽带厚度不均匀,所生产宽带的叠片系数低于84%。喷嘴缝所使用的材料可以是各种精密陶瓷材料,例如氧化铝、氮化硼、碳化硅、石墨等。为了防止喷嘴缝在受热过程中产生变形而引起喷嘴缝宽度变化,可以采用高强度的耐火材料与喷嘴缝材料结合在一起,提高喷嘴缝的抗变形能力,也可以适当增大喷嘴缝材料的厚度,提高强度,保证喷嘴缝的横向宽度偏差小于±0.05mm。
辊嘴间距是影响非晶合金宽带厚度及其一致性的关键因素。本发明采用0.1~0.5mm的辊嘴间距控制范围以获得厚度在0.02~0.03mm范围内的非晶合金宽带。在非晶合金宽带的生产过程中,冷却辊的热膨胀可能使得辊面中部***,冷却辊表面成为鼓形,如果这时喷嘴底面仍然为平面,将导致辊嘴间距沿横向不一致,从而使带厚不均匀。为了防止这种现象,可以将喷嘴底面(喷嘴缝的出端)预先加工出一个与辊面相适应的弧度,即事先测量出在非晶合金宽带制造过程中冷却辊表面横向不同位置的热膨胀量,再利用高精度加工设备将喷嘴底面加工成与膨胀后辊面相同弧度的形状。这样,在非晶合金宽带制造过程中辊嘴间距可保持横向一致。
影响辊嘴间距一致性的另一个因素是冷却辊表面的平整度及粗糙度。如果冷却辊表面存在横向或纵向起伏,相当于辊嘴间距发生了变化,将显著影响非晶合金宽带的厚度在横向或纵向的一致性,进而降低非晶合金宽带的叠片系数。本发明通过实验发现,要使非晶合金宽带的叠片系数达到84%以上,必须保证冷却辊表面的横向平整度偏差小于0.02mm。冷却辊表面一般通过车削的方法获得较为平整的外圆周表面。但普通的车削装置不能保证冷却辊表面的横向平整度。为了使冷却辊表面的横向平整度偏差小于0.02mm,必须使用高精度的车削装置才能使表面横向平整度达到要求。
为了保证非晶合金宽带的叠片系数大于84%,还必须在非晶合金宽带连铸过程中使得冷却辊表面粗糙度Ra始终小于0.0005mm。而在非晶合金带材的连铸过程中,由于冷却辊表面不断承受钢液的侵蚀和热冲击,辊面质量会逐渐恶化,出现坑状缺陷。为了及时消除辊面缺陷,需要对辊面进行持续清洁和修复;即用砂轮、砂纸或其它打磨抛光材料制造的高速旋转盘状或轮状打磨装置不间断地接触打磨辊面,打磨材料上打磨颗粒的粒度宜小于280目。打磨装置还可以沿冷却辊横向移动,使整个带材宽度范围内的辊面不断地被清洁和修复。
由于非晶合金带材的连铸速度高达约20m/sec,所制造的非晶合金带材必须与带材的连铸过程同步卷取,否则带材将迅速堆积,不但使后期卷取的效率低下,而且使带材形成大量皱褶,从而容易断裂和降低叠片系数。非晶合金带材的卷取有多种方法,例如采用具有两个或两个以上卷筒的公转盘式倒卷机,不但实现非晶合金带材的同步卷取,而且可以在线换卷,实现非晶合金带材的大批量连续化生产。
在非晶合金带材被卷取后,带材卷仍然有一定的温度,而且带材内部的热量无法迅速散失,降温速率非常缓慢。因此,非晶合金带材的卷取温度不能过高。已经证实,如果非晶合金带材的卷取温度高于120℃,则带材被卷取后将产生不可逆结构弛豫,使非晶合金带材失去优良的电磁特性。因此,非晶合金带材的卷取温度应低于120℃。
本发明实现非晶合金宽带卷取温度低于120℃的措施之一是将宽带厚度控制在0.03mm以下。本发明得到,在冷却辊***的冷却能力基本稳定的条件下,带材越厚则卷取温度越高,如图3所示。因而,本发明通过控制非晶合金宽带的厚度不大于0.03mm来保证卷取温度低于120℃。而控制非晶合金宽带厚度的措施如前面所述包括控制喷嘴缝宽度、辊嘴间距、喷嘴包液面高度等手段。虽然用本发明的方法可以将非晶合金宽带厚度控制在0.02mm以下,但是带材过薄将使单位时间内的产量降低,从而降低了生产效率。
本发明降低非晶合金宽带卷取温度的措施之二是在非晶合金宽带在冷却辊表面的剥离点与卷取机之间增加二次冷却装置,其中的一种方法是安装一个或几个金属材质的辅助冷却辊7,如图4所示。辅助冷却辊与冷却辊及卷取机之间的相对高度位置的布置要能够使非晶合金宽带在其上形成圆心角10°以上的包角,即辅助冷却辊外圆周表面10°圆心角以上的弧面与非晶合金宽带接触,从而将非晶合金宽带进一步冷却,为了强化二次冷却效果,辅助冷却辊内部还可以通冷却水。另一种方法是用喷嘴8向熔潭至卷取机之间的非晶合金宽带表面喷吹气体或易挥发液体介质,以进一步冷却非晶合金宽带;可以喷吹的介质包括:空气、氩气、氮气、水、乙醇,既可以喷吹上述介质中的某一种,也可以是或者它们的混合物,还可以在相同位置或不同位置同时喷吹几种介质,所喷吹介质既可以是室温的,也可以是高于或低于室温的,如图5所示。通过对宽带实施二次冷却,宽带温度得以明显降低,如图3所示。
通过实施本发明的技术方案,所制造的铁基非晶合金宽带具有优良的特性。本发明所述的铁基非晶合金宽带的宽度为220~1000mm、厚度为0.02~0.03mm,横向厚度偏差小于±0.002mm,叠片系数大于0.84,饱和磁通密度大于1.5T,在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下的铁损小于0.20W/kg、激磁功率小于0.50VA/kg。
下面,在本发明所述的铁基非晶合金的化学成分范围内,分别选取不同的铁基非晶合金成分,用单辊急冷工艺制造非晶合金宽带。主要工艺参数如下:母合金钢液温度1300~1450℃,喷嘴缝宽度0.4~0.7mm,喷嘴缝宽度偏差小于±0.05mm,喷嘴包中钢液面高度300~550mm,冷却辊外表面线速度15~25m/sec,冷却辊外表面的横向平整度偏差小于0.02mm,辊嘴间距0.1~0.4mm。在铁基非晶合金宽带制造过程中,通过对冷却辊表面进行连续修复和清洁,使辊面粗糙度Ra始终小于0.0005mm。
具体工艺参数和非晶合金宽带的性能分别如表1和表2所示,通过上述实验数据可知,利用上述工艺所制造的铁基非晶合金宽带厚度在0.02~0.03mm之间,宽带厚度的横向偏差不大于±0.002mm,叠片系数大于0.84,饱和磁通密度大于1.5T,在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下的铁损小于0.20W/kg、激磁功率小于0.50VA/kg。并且,工艺参数落在本发明范围之外时,所制造的铁基非晶合金宽带容易出现脆化、卷取温度过高、叠片系数低、磁性能恶化等不良情况。
以上实施方式仅用于说明本发明,而并非对本发明的限制,有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型,因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴,本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
表1本发明实施例中制造铁基非晶合金宽带所采用的主要工艺参数
表2本发明实施例所制造铁基非晶合金宽带的性能
Claims (11)
1.一种铁基非晶合金宽带,采用单辊急冷法制造,其特征在于:所述铁基非晶合金中,按质量百分比计,Fe含量为88~95%,Si含量为0~6%,B含量为1~5%;并且其宽度为220~1000mm,厚度为0.02~0.03mm,横向厚度偏差小于±0.002mm,叠片系数大于0.84,饱和磁通密度大于1.5T,且在频率为50Hz、最大磁通密度为1.3T条件下铁损小于0.20W/kg、激磁功率小于0.50VA/kg;其中制造过程所用的冷却辊(4)的横向平整度偏差小于0.02mm,表面粗糙度Ra小于0.0005mm。
2.如权利要求1所述的铁基非晶合金宽带,其特征在于:所述铁基非晶合金宽带的化学成分,按质量百分比计,可表示为Fe100-x-y-zSixByMz,其中M为Ni、Co、Cr、Mn、Cu、V、Nb、Mo、W、Ta、Zr、Hf、C、P中的一种或几种,其中x=0~6,y=1~5,z=0~5,且5<x+y+z<12,其余为不可避免的杂质。
3.如权利要求2所述的铁基非晶合金宽带,其特征在于:x=1.5~6,z=0.05~3。
4.如权利要求1或2所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,采用单辊急冷法,包括如下步骤:
①在冶炼炉(1)中将原材料熔化并形成成分均匀的钢液;
②将钢液浇入中间包(2)中镇静;
③将中间包(2)中的钢液浇入喷嘴包(3)中,钢液从喷嘴包(3)底部的喷嘴缝流出;
④从所述喷嘴缝中流出的钢液直接流到位于其下方的高速旋转的冷却辊(4)表面,并迅速冷却成为铁基非晶合金宽带;
⑤所述铁基非晶合金宽带随即被卷取机(5)同步卷取成宽带卷(6);
其特征在于:在步骤④中,所述喷嘴缝的宽度为0.4~0.7mm,横向宽度偏差小于±0.05mm,所述冷却辊(4)的横向平整度偏差小于0.02mm,冷却辊(4)的表面粗糙度Ra小于0.0005mm。
5.如权利要求4所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:在所述步骤④中,所述铁基非晶合金宽带离开冷却辊(4)后,经一个或多个二次冷却装置进一步冷却后,再进入步骤⑤。
6.如权利要求5所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:所述二次冷却装置为辅助冷却辊(7)、冷却介质喷嘴(8)或其组合。
7.如权利要求6所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:非晶合金宽带在辅助冷却辊(7)上形成圆心角10°以上的包角。
8.如权利要求6所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:冷却水通过所述辅助冷却辊(7)的内部,所述冷却介质喷嘴(8)向所述铁基非晶合金宽带表面喷吹气体或易挥发液体介质。
9.如权利要求4所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:所述喷嘴包(3)的喷嘴底面有预先加工的弧形,该弧形与工作状态下冷却辊的鼓形表面构成横向一致的辊嘴间距。
10.如权利要求4所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:在铁基非晶合金宽带制造过程中,对冷却辊表面进行连续修复和清洁,使辊面粗糙度Ra始终小于0.0005mm。
11.如权利要求4所述的铁基非晶合金宽带的制造方法,其特征在于:所述铁基非晶合金宽带的卷取温度低于120℃。
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