DE29818752U1 - Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke - Google Patents
Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier WerkstückeInfo
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Description
Elektro - Thermit GmbH, Essen Tiegel für die Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke
Die Erfindung bezieht sich auf einen Tiegel entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verfahren zur Zwischengußverschweißung zweier Werkstücke sind in der Form des aluminothermischen Schweißverfahrens bekannt,
wobei die Verbindung von Schienenenden im verlegten Gleis aus praktischen Gründen der häufigste Anwendungsfall ist, nachdem
für das Aufschmelzen des Schweißgutes keine externe Energiequelle benötigt wird.
Zur Herstellung einer Verbindung werden die um die Schweißlücke voneinander beabstandeten Schienenenden von einer regelmäßig
aus zwei Formhälften bestehenden Gießform umgeben, die durch Formhaltebleche zusammengehalten wird. Die Formhälften bestehen
aus einem feuerfesten Werkstoff und sind lediglich für einen einmaligen Gebrauch bestimmt. Die aluminothermische Reaktion,
welche ausgehend von einem feinkörnigen, im wesentlichen aus Eisenoxid (Fe2O3) und Aluminium (Al) sowie Dämpfungsmitteln bestehenden
Gemisch zu einem schmelzflüssigen Schweißgut führt, findet in einem Tiegel statt, der ebenfalls aus einem feuerfesten
Werkstoff ausgebildet ist und der in einer Haltevorrichtung aufgenommen ist, mittels welcher er in eine solche Position
oberhalb der Gießform überführbar ist, welche ein Einbringen des aluminothermisch erschmolzenen Stahles in die Schweißlücke
ermöglicht. Der Tiegel ist mit einer zentralen Ausflußöffnung versehen, in die ein unter Wärmeeinfluß nach Ablauf einer
definierten Zeitspanne infolge Durchschmelzens selbsttätig öffnender Tiegelstöpsel eingesetzt ist. Ein solcher Tiegel ist
regelmäßig für einen mehrfachen Gebrauch bestimmt.
Für die Benutzung dieses Tiegels ist eine relativ teure, schwere und kompliziert ausgebildete Haltevorrichtung erforder-
lieh, die an den Schienen zu befestigen ist und deren Zweck
u. a. darin besteht, den vergleichsweise massereichen Tiegel in der korrekten Position oberhalb der Gießform zu fixieren. Diese
Haltevorrichtung muß somit mitgeführt werden, ein Umstand, der sich bei Arbeiten im verlegten Gleis erschwerend auswirkt. Ein
weiterer Nachteil dieses Tiegels besteht darin, daß dieser aus werkstofflichen Gründen ständig der Gefahr von Beschädigungen
ausgesetzt ist.
Aus der EP-O 407 240 ist ein zur Verwendung bei der aluminothermischen
Verschweißung von Schienenenden bestimmter Tiegel bekannt, der an eine Gießform angepaßt ist und bei dem sich der
Einsatz einer besonderen Haltevorrichtung erübrigt. Der aus einem feuerfesten Werkstoff bestehende, relativ massereiche Tiegel
ist für einen einmaligen Gebrauch bestimmt. Seine praktische Handhabung beim Transport und bei der Aufstellung gestalten
sich jedoch vergleichsweise beschwerlich, da der Tiegel über keine Tragevorrichtung verfügt. Da der Tiegelwerkstoff als
spröde anzusehen ist und eine Schutzhülle nicht vorgesehen ist, 0 besteht ferner ständig die Gefahr von Beschädigungen.
Zur Behebung der Nachteile dieser bekannten Tiegel sind sogenannte
Einweg-Tiegel entwickelt worden, die außen aus einem metallischen Mantel und innenseitig aus einer feuerfesten Auskleidung
bestehen, wobei der Boden mit einer Ausflußöffnung versehen ist. Diese Ausflußöffnung ist zur Aufnahme einer unter
Wärmeeinfluß selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtet. Die Abstichvorrichtung wird vorzugsweise derart ausgestaltet,
daß die eine Auslauföffnung verschließenden, aus keramischen Filzmaterialien oder Graphit bestehenden Verschlußplättchen
direkt in diese Auslauföffnung eingesetzt werden. Es ist jedoch auch möglich, anstelle einer solchen Abstichvorrichtung
einen separaten Tiegelstöpsel zu verwenden. Dieser Tiegel ist nur für einen einmaligen Gebrauch konzipiert und im Vergleich
zu den eingangs genannten Tiegeln masseärmer ausgebildet. Er dient gleichzeitig als Transportgefäß für Schweißpor-
tionen und Reststoffe wie Gießsandformen, Schlacke sowie Thermitstahl und zeichnet sich durch eine wesentlich erleichterte
Handhabbarkeit aus. Insbesondere ist im verlegten Gleis die Verwendung einer besonderen Haltevorrichtung nicht erforderlich,
so daß bereits aus diesem Grund Schweißungen in kürzerer Zeit durchführbar sind.
Die bei diesen Einweg-Tiegeln eingesetzten Abstichvorrichtungen sollen bestimmungsgemäß nach dem Beginn der aluminothermisehen
Reaktion nach Ablauf einer Zeitspanne von üblicherweise 20 see bis 25 see öffnen. Es ist dies die Zeit, die für den Ablauf der
aluminothermisehen Reaktion, insbesondere das Aufschmelzen des Schweißgutes und den Ablauf des sich anschließenden Trennvorganges
erforderlich ist, welcher zur Ausbildung einer auf dem schmelzflüssigen Stahl aufschwimmenden Schlackenschicht, bestehend
u. a. aus Aluminiumoxid (AI2O3) führt. Diese Zeitspanne
sollte möglichst genau eingehalten werden, da sich ansonsten die Qualität der Schweißverbindung mindert. So besteht bei zu
frühem Öffnen die Gefahr, daß der Trennvorgang unvollständig 0 abgelaufen ist, so daß zusammen mit dem ausströmenden Stahl
auch Schlackepartikel mitgeführt und in den erstarrenden Stahl eingebunden werden, welches mit Festigkeitsverlusten verbunden
ist. Umgekehrt besteht bei einem zu spaten Öffnen die Gefahr eines frühzeitigen Erstarrens, einer ungenügenden Erwärmung der
Schienenenden und eines Steckgusses. Eine definierte Öffnungszeit des Tiegelausflusses ist somit von Bedeutung für die Erzielung
reproduzierbarer Qualitäten der Schweißverbindung.
Einweg-Tiegel sind in ihren Festigkeitseigenschaften, insbeson-0 dere auch hinsichtlich ihrer thermischen Belastbarkeit dahingehend
bemessen, daß die Beanspruchungen, die sich aus der aluminothermischen
Reaktion unter Zugrundelegung der genannten Zeitspanne bis zum Öffnen des Ausflusses ergeben, zumindest einmalig
aufgenommen werden können, ohne daß die äußere Integrität des Tiegels beeinträchtigt wird. Diese Eigenschaft des Einweg-Tiegels
ermöglicht eine vergleichsweise leichte Bauart, auf der
alle praktischen Vorteile beruhen. Allerdings werden im Verlauf der aluminothermischen Reaktion Temperaturen von mehr als
2000 0C entwickelt, so daß sich ein beträchtliches Sicherheitsrisiko
ergeben kann, wenn - aus welchen Gründen auch immer die zum selbsttätigen Öffnen eingerichtete Abstichvorrichtung
nicht innerhalb der angegebenen Zeitspanne öffnet.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Tiegel der eingangs bezeichneten
Art dahingehend auszugestalten, daß während der aluminothe
maischen Reaktion eine erhöhte Betriebssicherheit für Personen und Sachen in unmittelbarer Umgebung des Tiegels gegeben
ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einem solchen Tiegel durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungswesentlich ist hiernach, daß der Boden des Tiegels zur Aufnahme einer weiteren Abstichvorrichtung eingerichtet
ist, die jedoch bestimmungsgemäß bei regulärem Betrieb der ersten Abstichvorrichtung, daß heißt dann, wenn diese tatsächlich
nach Ablauf des dieser zugeordneten Zeitintervall von 20 see
bis 25 see öffnet, funktionslos ist. Erst dann, wenn die erste
Abstichvorrichtung nach Ablauf des genannten Zeitintervalls nicht öffnen sollte, tritt nach Ablauf einer Zeitspanne von
30 see bis 40 see die zweite Abstichvorrichtung in Funktion,
wobei diese Zeitspanne vom Beginn der aluminothermischen Reaktion an gerechnet wird. Zwischen den, den beiden Abstichvorrichtungen
jeweils zugeordneten Zeitspannen sollte ein Intervall liegen, so daß ein gleichzeitiges Öffnen beider Abstichvorrichtungen
zumindest im Regelfall unterbleibt. Infolge des Abgießens der zweiten Abstichvorrichtung findet nunmehr ein
Ausfluß schmelzflüssigen Stahls aus dem Tiegel statt, wobei die letztgenannte Zeitspanne auch derart festgelegt ist, daß selbst
bei deren maximaler Ausnutzung keine festigkeitsmäßige bzw. thermische, für die Umgebung ein Sicherheitsrisiko mit sich
bringende Überlastung der Wandungen und des Bodens des Tiegels gegeben ist. Nachdem das gleichzeitige Versagen zweier voneinander
unabhängiger Abstichvorrichtungen jedenfalls als unwahr-
scheinlicher als das Versagen einer Abstichvorrichtung anzusehen ist, ist auf diese Weise ein bedeutender Beitrag zur Betriebssicherheit
derartiger Tiegel geleistet.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 2 sind die Öffnungen im Boden des Tiegels mit Abstand nebeneinander angeordnet. Es ist dies
die einfachste Ausführungsform, bei welcher Abstichvorrichtungen
aus handelsüblichen Verschlußmaterialien einsetzbar sind, deren Öffnungszeiten im erfindungsgemäßen Sinn gewählt sind.
Gemäß den Merkmalen des Anspruchs 3 sind die Öffnungen aneinandergrenzend
plaziert und können insbesondere auch mit der Maßgabe angeordnet sein, daß die zweite Öffnung die erste Öffnung
umgibt oder umgekehrt. Auch in diesem Fall können Abstichvorrichtungen eingesetzt werden, die auf dem gleichen Funktionsprinzip
basieren, die jedoch eine andere geometrische Ausgestaltung erfahren haben. Insbesondere die zueinander konzentrische
Anordnung zweier Öffnungen bringt den Vorteil mit sich, daß der Ausfluß aus dem Tiegel in einen Mittenbereich des Bo-0
dens plaziert werden kann, und zwar unabhängig davon, aus welcher der beiden Öffnungen der Ausfluß stattfindet.
Eine zylindrische Ausgestaltung des Tiegelgefäßes entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 4 dürfte aus praktischen Gründen
die zweckmäßigste sein.
Die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 sind auf unterschiedliche Ausgestaltungsformen der Abstichvorrichtungen gerichtet. Diese
können hiernach wahlweise als Tiegelstöpsel oder als Schmelzeinsatz ausgebildet sein. Letzterer Form einer Abstichvorrichtung
wird in Anbetracht der gleichzeitigen Transportbehälterfunktion des Tiegels sowie dessen bestimmungsgemäßem, lediglich
einmaligem Gebrauch als Tiegel der Vorzug gegeben.
Die bündig insbesondere zu der Innenfläche des Tiegels verlaufende
Anordnung der Schmelzeinsätze hat sich als praktisch vor-
teilhaft erwiesen. Indem somit keinerlei Strukturelemente des Schmelzeinsatzes aus der Öffnung des Bodens des Tiegels herausragen,
ist der genannte Einsatz nahezu beschädigungsfrei angeordnet, wodurch die Eignung des Tiegels als Transportbehälter
weiter verbessert wird.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnungsfiguren schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden. Es zeigen:
10
10
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Tiegels im
Axialschnitt ohne Abstichvorrichtung;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer in einen Tiegelstöpsel integrierten Abstichvorrichtung im Axialschnitt;
Fig.3 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer in einen Tiegelstöpsel integrierten Abstichvorrichtung im Axialschnitt;
Fig.3 eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Tiegels im Axialschnitt mit
eingesetzten Abstichvorrichtungen.
Mit 1 ist in Fig. 1 der erfindungsgemäße, zur einmaligen Verwendung
bestimmte Tiegel in seiner Gesamtheit bezeichnet. Er besteht aus einem zylindrischen, oberseitig durch einen aufgesetzten
Deckel 2 schließbaren Gefäß, das mittels eines Handgriffes 3 transportiert werden kann.
Die Seitenwandungen 4 und der Boden 5 weisen einen strukturell gleichen Aufbau auf und bestehen jeweils aus einem außenseitigen
metallischen Mantel 6, der innenseitig eine Auskleidung 7 aus einem feuerfesten Werkstoff tragt. Der Deckel 2 kann mit
dem Gefäß werkstoff gleich ausgebildet sein - es kann sich jedoch
auch um einen ausschließlich metallischen Deckel handeln.
In den Boden 5 sind zwei Öffnungen 8,9 eingeformt, die mit Abstand
zueinander angeordnet sind und in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine gleiche Größe aufweisen. Diese Öffnungen 8,9
dienen der Aufnahme von unter Wärmeeinwirkung nach Maßgabe vorgegebener Zeitspannen selbsttätig öffnender Abstichvorrichtun-
gen, von denen eine in Fig. 2 beispielhaft in einen Tiegelstöpsel integriert gezeigt ist.
Beide in den Boden 5 eingeformten Öffnungen 8,9 weisen einen sich zur Unterseite hin konisch verjüngenden Verlauf auf, so
daß ein von der Oberseite 11 her eingesetzter Tiegelstöpsel eine Stützwirkung erfährt. Mit 10 ist in Fig. 2 ein beispielsweise
aus gebundenem Sand oder auch Graphit bestehender hülsenartiger Stöpselkörper bezeichnet, in den von der Oberseite 11
her ein beispielsweise aus Graphit bestehender Hülsenkörper 12 eingesetzt ist, dessen Bodenbereich durch Verschlußplättchen 13
gebildet wird, die zum Durchschmelzen bestimmt sind und bei denen
es sich um keramische Filzplättchen, um Scheiben aus Graphit oder auch aus Metallen handeln kann, wobei das Durchschmelzverhalten
des Tiegelstöpsels im wesentlichen von der Beschaffenheit dieser Verschlußplättchen, somit deren Werkstoff
in Verbindung mit deren Dicke bestimmt wird. Diese, die Abstichvorrichtung bildenden Verschlußplättchen können im einfachsten
Fall unmittelbar, daß heißt ohne den Verbund mit den 0 genannten übrigen Komponenten des Tiegelstöpsels in die Öffnungen
8,9 eingesetzt sein.
Mit 14 ist die in dem Stöpselkörper vorgesehene Durchflußausnehmung
bezeichnet, die nach erfolgtem Durchschmelzen der Verschlußplättchen 13 für den Ausfluß von schmelzflüssigem Stahl
zur Verfügung steht.
Erfindungswesentlich ist nunmehr, daß in beide Öffnungen 8,9
Abstichvorrichtungen eingesetzt sind, deren Öffnungsverhalten mit der Maßgabe unterschiedlich bemessen ist, daß - nach Beginn
der aluminothermischen Reaktion - die Abstichvorrichtung der
ersten Öffnung 8 nach Ablauf einer Zeitspanne von 15 see bis 25 see und die Abstichvorrichtung der zweiten Öffnung 9 hingegen
erst nach Ablauf von einer Zeitspanne von 30 see bis 40 see
öffnet.
Mit 15 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen,
für einen einmaligen Gebrauch bestimmten Tiegels bezeichnet, welcher aus einem zylindrischen, oberseitig mit einem
aufsetzbaren Deckel 16 schließbaren Gefäß besteht. Wesensmerkmal des Gefäßes ist wiederum ein metallischer Mantel 17 nebst
Boden 18, welche innenseitig eine feuerfeste Auskleidung 19 tragen. Der ebenfalls aus einem Feuerfestwerkstoff ausgebildete
Deckel 16 ist zur Außenseite hin ausgewölbt und trägt eine zentrale Entlüftungsöffnung 20.
Die Auskleidung 19 bildet an ihrem oberen Ende eine ringartige Auflagefläche 21 für den Deckel 16, der im übrigen dadurch, daß
der Mantel 17 diese Auflagefläche überragt, in seiner Auflageposition seitlich gesichert ist.
Mit 22 sind außenseitig aus dem oberen Endbereich des Tiegels 15 herausragende, einander diametral gegenüberliegende
Zapfen bezeichnet, die der Anbringung eines zeichnerisch nicht dargestellten Traggriffs dienen.
Mit 23,24 sind bodenseitige Öffnungen des Tiegels bezeichnet,
die jeweils zur Aufnahme einer Abstichvorrichtung eingerichtet sind. Diese werden bei diesem Ausführungsbeispiel jeweils durch
Schmelzeinsätze gebildet, die derart bemessen sind, daß die Öffnung 24 als erste bzw. reguläre und die Öffnung 23 als
zweite Abstichvorrichtung bzw. als Notauslauf fungiert.
So ist die Öffnung 24 durch insgesamt drei Verschlußplättchen 25 gekennzeichnet, die auf einer Ringschulter 26 der Innenwandung
der Öffnung aufliegen. Die Öffnung 23 hingegen ist durch vier Verschlußplättchen 25 gekennzeichnet, die in die
sich zur Unterseite 27 hin verjüngende Öffnung eingepreßt sind. Der Sitz der letztgenannten Verschlußplättchen kann gleichermaßen
auch demjenigen der Öffnung 24 entsprechen und umgekehrt.
Grundsätzlich kommen auch andere Befestigungsarten der Ver-
• ·
schlußplättchen in den Öffnungen 23,24 in Betracht, z. B. ein
Einkleben.
Die Verschlußplättchen 25 bestehen aus den üblichen, bereits genannten Materialien, z. B. Keramik, insbesondere keramischen
Filzmaterialien, Graphit oder Metall. Sie sind von ihrer werkstofflichen Beschaffenheit sowie ihrer Bemessung her in jedem
Fall dahingehend ausgebildet, daß sich die eingangs dargelegten Abstichzeiten ergeben.
Vorzugsweise sind die durch die Verschlußplättchen 25 gebildeten Schmelzeinsätze ferner derart ausgebildet, daß sie sich
bündig zumindest an der Innenfläche 28 der Auskleidung 19 erstrecken.
Sollte somit die Funktion der ersten regulären Abstichvorrichtung gestört sein, kommt es nach Ablauf der der zweiten Abstichvorrichtung
zugeordneten Zeitspanne zur selbsttätigen Öffnung der zweiten Abstichvorrichtung und in der Folge zu einem
0 Ausfluß schmelzflüssigen Stahls. Risiken für die unmittelbare Umgebung des Tiegels infolge einer thermischen und festigkeitsmäßigen
Überlastung, die durch eine zu lange Verweilzeit des schmelzflüssigen Stahls innerhalb des Tiegels bestehen können,
werden auf diese Weise wirksam unterbunden.
Die nachstehende Tabelle 1 verdeutlicht lediglich beispielhaft die den jeweils zweiten Abstichvorrichtungen zugeordneten Abstichzeiten,
welche anhand einer Reihe von Versuchen ermittelt worden sind, bei welchen von einem Versagen der ersten Abstichvorrichtung
ausgegangen wird.
Lfd. Nr.
1 | 9 |
2 | 11 |
3 | 9 |
4 | 9 |
5 | 10 |
6 | 10 |
7 | 8 |
8 | 9 |
9 | 10 |
10 | 10 |
Mittelwert | 9 |
35 29 30 31 31 32 34 33 31
31,8
Als Reaktionszeit wird eine Zeitspanne betrachtet, die mit dem Beginn einer visuell feststellbaren Reaktion des aluminothermisehen
Gemisches beginnt und die mit dem Abschluß dieser Reaktion endet, welche durch das Vorliegen eines aluminothermisch
erschmolzenen Stahles und einer auf der Schmelze aufschwimmenden Schlacke gekennzeichnet ist.
Man erkennt, daß die Notauslauffunktion der zweiten Abstichvorrichtung
innerhalb der erfindungsgemäß zur Verfugung stehenden Zeitspanne von 30 see bis 40 see nach Beginn der aluminothermischen
Reaktion gegeben ist. Trotz der im Vergleich zu einem mehrfach benutzbaren Tiegel erheblich masseärmeren Ausbildung
eines Einwegtiegels besteht somit selbst im Fall des Versagens der ersten Abstichvorrichtung praktisch kein Sicherheitsrisiko.
Nahezu jeder Einweg-Tiegel ist in einfachster Weise durch Vorsehung
einer zweiten Ausflußöffnung im erfindungsgemäßen Sinn ausrüstbar, nachdem Abstichvorrichtungen mit definierten, über
die Beschaffenheit der diese bildenden Verschlußplättchen variierbaren Öffnungszeiten im Handel verfügbar sind.
Claims (7)
1. Tiegel (1,15) zur Verwendung im Rahmen eines aluminothermischen
Schweißverfahrens zur Verbindung zweier Werkstücke, insbesondere zweier Schienenenden, bestehend aus einem Gefäß,
dessen Seitenwandungen (4) und dessen Boden (5,18) aus einem äußeren metallischen Mantel (6,17) bestehen, der innenseitig
mit einer aus einem feuerfesten Werkstoff bestehenden Auskleidung (7,19) überzogen ist, wobei in dem Boden
(5,18) eine erste, zur Aufnahme einer unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeitspanne von 15 see bis
25 see nach dem Beginn der aluminothermischen Reaktion selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtete Öffnung
(8,24) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet,
- daß in dem Boden (5,18) eine zweite, zur Aufnahme einer unter Wärmeeinwirkung nach Ablauf einer vorgebbaren Zeit-0
spanne selbsttätig öffnenden Abstichvorrichtung eingerichtete Öffnung (9,23) angeordnet ist, und
- daß die der Abstichvorrichtung der zweiten Öffnung (9,23) zugeordnete Zeitspanne 30 see bis 40 see nach erfolgtem
Beginn der aluminothermischen Reaktion beträgt.
2. Tiegel (1,15) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
30
30
- daß die Öffnungen (8,9;23,24) mit Abstand nebeneinander in dem Boden (5) angeordnet sind.
3. Tiegel (1,15) nach Anspruch 1,
35
35
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Öffnungen (8,9;23,24) aneinandergrenzend, insbesondere mit der Maßgabe in dem Boden (5,18) angeordnet
sind, daß die zweite Öffnung (9,23) die erste Öffnung (8,24) umgibt.
4. Tiegel (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Gefäß zylindrisch ausgestaltet ist.
- daß das Gefäß zylindrisch ausgestaltet ist.
5. Tiegel (1,15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
15
15
- daß beide Abstichvorrichtungen jeweils durch Tiegelstöpsel gebildet sind.
6. Tiegel (1,15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 20
dadurch gekennzeichnet,
- daß beide Abstichvorichtungen jeweils durch Schmelzeinsätze gebildet sind.
7. Tiegel (1,15) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
- daß die Schmelzeinsätze jeweils bündig zumindest bezüglich der Innenfläche (28) des Tiegels angeordnet sind.
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-
1998
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