CN117051325B - 一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋 - Google Patents

一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种低成本Nb‑V微合金化630MPa级高强抗震钢筋,属于金属材料加工与成型领域。通过冶炼、加热、轧制、冷却制备钢筋,成分包括C0.20‑0.28wt.%、Si0.40‑0.60wt.%、Mn1.50‑1.60wt.%、P≤0.045wt.%、S≤0.045wt.%、N0.012‑0.014wt.%、Nb0.015‑0.025wt.%、V0.060‑0.075wt.%、余量Fe和杂质。通过优化合金成分及含量,利用Nb、V间协调作用调控两元素固溶和析出,控制(Nb,V)(C,N)析出相;优化控轧控冷析出大量Nb、V降低成本,使钢筋屈服强度630MPa以上,抗拉强度780MPa以上。

Description

一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋
技术领域
本发明属于金属材料加工与成型技术领域,具体涉及一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
背景技术
600MPa级以上高强钢筋具有强度高、安全性能储备量大、抗震性能好、节省钢材用量、施工方便等优越性,适用于高层、大跨度和抗震建筑结构,是更节约、更高效的建筑材料。
V微合金化技术是生产高强抗震钢筋的方法之一。2018年VN合金资源紧张和价格攀升极为明显,给钢筋生产厂家带来合金成本的大幅增加,另外采用V微合金化技术生产的600MPa级高强钢筋,存在延伸率低、强屈比余量不足、时效倾向大、性能不稳定、规格不全等问题。为解决以上问题,普遍采用在HRB600抗震钢筋中添加更多V以达到标准,因此已有生产600MPa级高强钢筋中V的加入量是偏高的,基本超过0.1%,并且V的利用率较低,造成了大量的浪费。
中国专利CN113897533A公开了一种600MPa级钒铌钛氮复合强化钢筋及其冶炼方法,其中的成分选择繁多,虽有TiN细化初始奥氏体晶粒并有效阻止加热时晶粒的长大,但所制备的钢筋组织结构为复相,甚至心部出现马氏体组织,并且V的加入量高达:0.135-0.155%,同时还加入了0.015-0.025%Nb和0.015-0.025%Ti,大量微合金化元素的加入并没有有效提升钢筋的性能,同时钢筋生产成本显著增加。
中国专利CN114293093A公开了一种600MPa级钒钛微合金化热轧钢筋及其生产方法,通过限定合金元素的合理匹配关系,充分发挥合金元素的强化作用,其中V和Ti的加入量分别为0.05~0.15wt.%、0.05~0.20wt.%,且V、Ti的含量满足0.15wt.%<[V]+[Ti]<0.3wt.%。虽然减少了微合金化元素种类的加入,但是微合金化元素的总加入量依旧偏高,并不符合低成本制造600MPa级高强抗震钢筋。
中国专利CN111455262A公开了一种超细晶高强韧600MPa级抗震钢筋及其制备方法,虽然也采用了Nb-V复合微合金化,但Nb+V的总用量高达0.12%,并且精轧后有较长时间的穿水冷却,钢筋截面的内外组织不均匀,可能出现封闭的回火组织,不能满足抗震钢筋的组织要求。
中国专利CN113462966A公开了一种经济型630MPa高强抗震钢筋用钢及其生产方法,虽然也采用了较低的Nb+V复合,并添加0.010~0.020wt.%的W元素,利用其在钢中形成稳定的W2(C、N)、W(C、N)的高硬度碳氮化物,提高钢的强度,但轧后冷却工艺则采用快冷,势必会在钢筋表面形成闭环的回火组织,且不利于微合金碳氮化物的析出,造成微合金化元素的浪费。
综上,现有技术中600MPa级高强抗震钢筋的微合金化元素用量均过高,并没有综合发挥出微合金化元素的作用,同时轧后冷却工艺几乎采用快冷处理,造成钢筋表面有淬硬层,不能满足国标对抗震性能的要求。
发明内容
针对上述现有技术的缺点,本发明提供一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
为实现上述目的,本发明采取的技术方案为:
一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋,通过调整合金成分和制备方法,实现低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋性能的提升;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋包括如下的质量百分含量的成分:C:0.20-0.28wt.%、Si:0.40-0.60wt.%、Mn:1.50-1.60wt.%、P≤0.045wt.%、S≤0.045wt.%、N:0.012-0.014wt.%、Nb:0.015-0.025wt.%、V:0.060-0.075wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分含量进行原料称重、配料、冶炼,冶炼完后浇筑成铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温;
(3)轧制:将步骤(2)加热保温后的铸锭进行粗轧、中轧、精轧各2-6个道次轧制,共12-18道次,得到Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:将轧制后的试样冷却,然后送入冷床,并冷却至室温。
Nb元素具有较强延迟钢的再结晶和组织强化作用,V元素具有较强的析出强化作用,利用Nb-V复合微合金化的协调作用,合理控制Nb、V的固溶和析出,二者复合添加使用则能使高强抗震钢筋的综合性能得到提升。
作为本发明的优选实施方案,所述高强抗震钢筋的组织由铁素体、珠光体和贝氏体组成,铁素体体积百分含量为40-60%,珠光体体积百分含量为40-55%,贝氏体组织体积百分含量≤5%,铁素体的平均晶粒尺寸为5~8μm。
作为本发明的优选实施方案,所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋中Nb、V的析出量占Nb、V添加量的80%以上。
作为本发明的优选实施方案,所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的屈服强度为630MPa以上,抗拉强度为780MPa以上,强屈比为1.25以上,断后伸长率大于19%,最大力下伸长率11%以上。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(1)中,采用转炉熔炼并用LF炉精炼。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(2)中,加热保温后的铸锭的组织结构为奥氏体组织,且合理控制Nb、V的固溶和析出量可提高钢筋的性能。再加热阶段,未溶的Nb和V可以细化原始奥氏体晶粒尺寸,延迟奥氏体的再结晶过程,细化铁素体晶粒,提高钢的屈服强度;固溶Nb可促进珠光体组织形成,提高钢的抗拉强度;而后续析出的Nb和V,可产生较强的析出强化作用。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(2)中,加热保温的温度为1150-1180℃,保温时间为1-2h。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(3)中,粗轧的温度保持在1150-1100℃,组织为奥氏体。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(3)中,中轧的开始温度保持在1080-1000℃,组织为奥氏体。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(3)中,精轧的开始温度在950-880℃,组织为奥氏体。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(4)中,轧制后的试样冷却的速度为0.5-3℃/s,控冷终止温度为800-850℃。
本发明的冷却速度为0.5-3℃/s,若冷速太快,导致钢筋表层出现闭环的回火马氏体组织是抗震钢筋中不被允许的,且Nb和V的析出较少分别不足添加量的45%和40%。
作为本发明的优选实施方案,所述步骤(4)中,冷床上冷却的速率为1℃/s以下。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
本发明采用Nb-V复合添加,优化Nb、V、C、N等合金成分及含量,利用Nb-V元素之间的协调作用,合理调控Nb、V的固溶和析出,控制(Nb,V)(C,N)析出相的析出;同时对控轧控冷工艺进行优化,使微合金化元素Nb、V大量析出,简化后续工艺,降低高强抗震钢筋的制造成本,增强低成本630MPa级高强抗震钢筋的力学性能,使屈服强度不小于630MPa,抗拉强度不小于780MPa,强屈比不低于1.25,断后伸长率大于19%,最大力下伸长率为11%以上。
附图说明
图1为实施例1所制备的低低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的金相组织形貌图。
图2为实施例2所制备的低低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的金相组织形貌图。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点,下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.23wt.%、Si:0.44wt.%、Mn:1.53wt.%、P:0.024wt.%、S:0.026wt.%、N:0.0126wt.%、Nb:0.022wt.%、V:0.070wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分比进行原料称重、配料、采用转炉熔炼,并用LF炉精炼,精炼完后浇筑成150×150mm铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1180℃,保温时间为2h,获得的组织结构为奥氏体组织;
(3)轧制:将步骤(2)的加热后的铸锭依次进行粗轧、中轧、精轧,4道次粗轧的温度保持在1130℃,组织为奥氏体;4道次中轧的开始温度在1050℃,组织为奥氏体;6道次精轧的开始温度在900℃,组织为奥氏体,得到φ25mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后冷却速度为2℃/s,冷却至820℃,然后送入冷床,冷却速率控制在1℃/s,并冷却至室温,得到φ25mm的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
本实施例制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的显微组织如图1所示,组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体,铁素体体积百分含量在50%,珠光体体积百分含量在47%,贝氏体体积百分数在3%,铁素体平均晶粒尺寸为6.4μm。Nb、V的析出量占添加量的80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
实施例2
本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.25wt.%、Si:0.45wt.%、Mn:1.53wt.%、P:0.024wt.%、S:0.026wt.%、N:0.0142wt.%、Nb:0.024wt.%、V:0.075wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分比进行原料称重、配料、采用转炉熔炼,并用LF炉精炼,精炼完后浇筑成200×100mm的铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1180℃,保温时间为2h,获得的组织结构为奥氏体组织;
(3)轧制:将步骤(2)加热后的铸锭依次进行粗轧、中轧、精轧,4道次粗轧的温度保持在1130℃,组织为奥氏体;4道次中轧的开始温度在1080℃,组织为奥氏体;4道次精轧的开始温度在900℃,组织为奥氏体,得到φ30mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后冷却速度为3℃/s,冷却至800℃,然后送入冷床,冷却速率控制在0.5℃/s,并冷却至室温,得到φ32mm的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
本实施例制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的显微组织如图2所示,组织为铁素体、珠光体和少量贝氏体,贝氏体占比5%,铁素体体积百分含量在50%,珠光体体积百分含量在45%,铁素体平均晶粒尺寸为7.1μm,Nb、V析出量达80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
实施例3
本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.28wt.%、Si:0.40wt.%、Mn:1.60wt.%、P:0.045wt.%、S:0.045wt.%、N:0.014wt.%、Nb:0.020wt.%、V:0.068wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分比进行原料称重、配料、采用转炉熔炼,并用LF炉精炼,精炼完后浇筑成150×150mm铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1160℃,保温时间为1.5h,获得的组织结构为奥氏体组织;
(3)轧制:将步骤(2)加热后的铸锭依次进行粗轧、中轧、精轧,6道次粗轧的温度保持在1100℃,组织为奥氏体;6道次中轧的开始温度在1080℃,组织为奥氏体;6道次精轧的开始温度在950℃,组织为奥氏体,得到φ20mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后冷却速度为3℃/s,冷却至800℃,然后送入冷床,并冷却至室温,将冷却速率控制在0.5℃/s,得到φ20mm的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
本实施例制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的组织为铁素体、珠光体和和少量贝氏体,贝氏体占比4%,铁素体体积百分含量在54%,珠光体体积百分含量在42%,铁素体平均晶粒尺寸为5.8μm。Nb、V的析出量占添加量的80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
实施例4
本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.20wt.%、Si:0.60wt.%、Mn:1.50wt.%、P:0.020wt.%、S:0.021wt.%、N:0.012wt.%、Nb:0.015wt.%、V:0.070wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照本实施例所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分比进行原料称重、配料、采用转炉熔炼,并用LF炉精炼,精炼完后浇筑成150×150mm铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1150℃,保温时间为1h,获得的组织结构为奥氏体组织;
(3)轧制:将步骤(2)加热后的铸锭依次进行粗轧、中轧、精轧,6道次粗轧的温度保持在1100℃,组织为奥氏体;6道次中轧的开始温度在1000℃,组织为奥氏体;6道次精轧的开始温度在880℃,组织为奥氏体,得到φ14mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后冷却速度为3℃/s,冷却至800℃,然后送入冷床,并冷却至室温,冷却速率控制在0.5℃/s,得到φ14mm的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
本实施例制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的组织为铁素体、珠光体和和少量贝氏体,贝氏体占比3%,铁素体体积百分含量在55%,珠光体体积百分含量在42%,铁素体平均晶粒尺寸为5.2μm。Nb、V的析出量占添加量的80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
对比例1
本对比例所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.23wt.%、Si:0.44wt.%、Mn:1.53wt.%、P:0.024wt.%、S:0.026wt.%、N:0.030wt.%、Nb:0.022wt.%、V:0.070wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的制备方法与实施例1所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋相同。
本对比例制备的Nb-V微合金化高强抗震钢筋的组织为铁素体、珠光体和和少量贝氏体,贝氏体占比2%,铁素体体积百分含量在55%,珠光体体积百分含量在43%,铁素体平均晶粒尺寸为6.3μm。Nb、V的析出量占添加量的80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
对比例2
本对比例所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.23wt.%、Si:0.44wt.%、Mn:1.53wt.%、P:0.024wt.%、S:0.026wt.%、N:0.008wt.%、Nb:0.022wt.%、V:0.070wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的制备方法与实施例1所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋相同。
本对比例制备的Nb-V微合金化高强抗震钢筋的组织为铁素体、珠光体和和少量贝氏体,贝氏体占比3%,铁素体体积百分含量在49%,珠光体体积百分含量在48%,铁素体平均晶粒尺寸为6.6μm。Nb、V的析出量占添加量的80%以上。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
对比例3
本实施例所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的成分按质量百分比包括:C:0.23wt.%、Si:0.44wt.%、Mn:1.53wt.%、P:0.024wt.%、S:0.026wt.%、N:0.0126wt.%、Nb:0.022wt.%、V:0.070wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;其中Nb+V≤0.1wt.%;
所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照本对比例所述Nb-V微合金化高强抗震钢筋的化学成分质量百分比进行原料称重、配料、采用转炉熔炼,并用LF炉精炼,精炼完后浇筑成150×150mm铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1100℃,保温时间为2h,获得的组织结构为奥氏体组织;
(3)轧制:将步骤(2)加热后的铸锭进行轧制,开轧温度为1050℃,终轧温度为1000℃,得到φ25mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后空冷至900℃,然后送入冷床上冷却至室温,得到φ25mm的Nb-V微合金化高强抗震钢筋。
本对比例制备的Nb-V微合金化高强抗震钢筋的组织为铁素体、珠光体和和贝氏体,贝氏体占比10%,铁素体体积百分含量在50%,珠光体体积百分含量在40%,铁素体平均晶粒尺寸为7.5μm。Nb、V的析出量不足添加量的50%。其力学性能如表1所示,析出相的ICP分析结果见表2。
表1
ReL/MPa Rm/MPa A/% Agt/% Rm实/ReL实
实施例1 635 826 21.1 12.0 1.30
实施例2 630 790 19.5 11.0 1.25
实施例3 648 815 20.2 12.3 1.26
实施例4 665 838 22.0 13.8 1.26
对比例1 645 795 23.2 10.2 1.23
对比例2 620 778 19.0 12.0 1.25
对比例3 550 705 22.0 13.0 1.28
注:ReL为屈服强度,Rm为抗拉强度,A为断后伸长率,Agt为最大力下总伸长率,Rm实/ReL实为强屈比。
表2
根据表2和表1可知,实施例1-4所制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的力学性能优于对比例1-4。
实施例1和对比例1-2可知,随着氮含量的显著升高,屈服强度升高,但是抗拉强度增加不明显,且使得强屈比低于1.25。由于氮含量增加,Nb和V的析出增加,铁素体晶粒细化,析出强化增量对屈服强度贡献增强,屈服强度提高,但使得固溶在钢中的Nb降低,由于Nb能促进珠光体组织的增加,所以钢中的珠光体组织减少,使得抗拉强度降低。虽然实施例1和对比例2在氮含量不同的情况下,Nb和V的析出量达到相同的水平,但是氮含量较高的实施例1钢的析出相尺寸稍小一些,使得实施例1钢的铁素体晶粒比例2钢的细小,所以对比例2钢的屈服强度未能达到630MPa。
实施例1和对比例3可知,轧制工艺对低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的力学性能影响较大。较低的再加热温度使得钢中固溶的Nb和V减少,未溶的Nb和V容易形成粗大的(Nb,V)(C,N)颗粒使得析出强化增量降低,并且较高的终轧温度也不利于Nb和V的析出以及形变奥氏体晶粒的细化,因此对比例3所制备的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的Nb、V析出量少,铁素体晶粒粗大,屈服强度仅能达到550MPa。
最后所应当说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (2)

1.一种低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋,其特征在于,通过调整合金成分和制备方法,实现低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋性能的提升;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋包括如下的质量百分含量的成分:C:0.20 wt.%、Si:0.60 wt.%、Mn:1.50 wt.%、P:0.020 wt.%、S:0.021 wt.%、N:0.012 wt.%、Nb:0.015 wt.%、V:0.070 wt.%、余量为Fe和不可避免的杂质;
所述高强抗震钢筋的组织由铁素体、珠光体和贝氏体组成,铁素体体积百分含量为55%,珠光体体积百分含量为42%,贝氏体组织体积百分含量为3%,铁素体的平均晶粒尺寸为5.2μm;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋中Nb、V的析出量占Nb、V添加量的80%以上;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的屈服强度为665 MPa,抗拉强度为838 MPa,强屈比为1.26,断后伸长率为22%,最大力下伸长率为13.8%;
所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的制备方法包括如下步骤:
(1)冶炼:按照所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋的化学成分质量百分含量进行原料称重、配料、冶炼,冶炼完后浇筑成150×150mm铸坯;
(2)加热:将步骤(1)得到的铸坯进行加热保温的温度为1150℃,保温时间为1h;
(3)轧制:将步骤(2)加热保温后的铸锭进行粗轧、中轧、精轧,6道次粗轧的温度保持在1100℃,组织为奥氏体;6道次中轧的开始温度在1000℃,组织为奥氏体;6道次精轧的开始温度在880℃,组织为奥氏体,得到φ14mm的Nb-V微合金化钢筋试样;
(4)冷却:轧制后冷却速度为3℃/s,冷却至800℃,然后送入冷床,并冷却至室温,冷却速率控制在0.5℃/s,得到φ14mm的低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋。
2.如权利要求1所述低成本Nb-V微合金化630MPa级高强抗震钢筋,其特征在于,所述步骤(1)中,采用转炉熔炼并用LF炉精炼。
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