ES2834614T3 - Banda de metal revestida con acero y su procedimiento de fabricación - Google Patents
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Abstract
Una banda de acero revestida con una aleación de Al-Zn-Si-Mg que comprende un revestimiento de una aleación de Al-Zn-Si-Mg en una banda de acero, siendo el espesor del revestimiento mayor que 7 micrones y menor que 30 micrones y siendo las variaciones de espesor de revestimiento no superiores al 40% en cualquier sección de 5 mm de diámetro del revestimiento, comprendiendo la aleación en % en peso de 40 a 60% de Al, 40 a 60% de Zn, 0,3 a 3% de Si, y 0,3 a 10% Mg y opcionalmente Sr en un intervalo mayor que 500 ppm y menor que 3000 ppm como una adición deliberada de aleación, opcionalmente uno o más de Fe, V y Cr y otros elementos que están presentes como impurezas inevitables, comprendiendo la microestructura del revestimiento partículas de Mg2Si, siendo la distribución de las partículas de Mg2Si tal que (a) no haya más del 10% en peso de partículas de Mg2Si en una región de superficie del revestimiento que tenga un espesor que sea al menos del 5% y menor que el 30% del espesor total del revestimiento, (b) al menos 80 % en peso de las partículas de Mg2Si estén confinadas a una región central del revestimiento, y c) una región que es adyacente a la banda de acero esté al menos sustancialmente libre de partículas de Mg2Si.
Description
DESCRIPCIÓN
Banda de metal revestida con acero y su procedimiento de fabricación
La presente invención se refiere a una banda, típicamente una banda de acero, que tiene un revestimiento de aleación metálica resistente a la corrosión.
El documento de la técnica anterior JP 2000 328214 desvela una lámina de acero enchapada por aleación de Zn-Al por inmersión en caliente de alta resistencia a la corrosión, con buen aspecto en la superficie, y producible en una línea de producción industrial en serie, que comprende una capa de enchapado que contiene, en masa, 25 a 70% de Al, 1,5 a 6,0% de Mg y 0,01 a 1,0%, preferentemente 0,07 a 1,0% de Sr, que contiene Si en el intervalo de la desigualdad, Al(masa%)x0,005<=Si(masa%)<=10, y el resto de Zn con las impurezas inevitables es formado en la superficie de una lámina de acero.
Otras divulgaciones de la técnica anterior son realizadas en los documentos EP 1225246, JP 2002322527, JP 2007 284718 y JP 2002 129300.
La presente divulgación se refiere en particular a una banda de acero revestida con un revestimiento de aleación metálica resistente a la corrosión que contiene aluminio-zinc-silicio-magnesio como elementos principales de la aleación, y que en adelante en la presente memoria será denominada "aleación de Al-Zn-Si-Mg" sobre esta base. El revestimiento de aleación puede contener otros elementos que están presentes como adiciones deliberadas de aleación o como impurezas inevitables. Por lo tanto, se entiende que la frase "aleación de Al-Zn-Si-Mg" abarca las aleaciones que contienen esos otros elementos y los otros elementos pueden ser adiciones deliberadas de aleación o impurezas inevitables. La banda de acero puede ser formada en frío (por ejemplo, mediante laminación) para obtener un producto de uso final, tal como los productos de techado.
La aleación Al-Zn-Si-Mg comprende los siguientes intervalos en % en peso de los elementos aluminio, zinc, silicio y magnesio:
Aluminio: 40 a 60 %
Zinc: 40 a 60 %
Silicio: 0,3 a 3%
Magnesio 0,3 a 10 %
El revestimiento de aleación metálica resistente a la corrosión es formado en la banda de acero por un procedimiento de revestimiento por inmersión en caliente.
En el procedimiento convencional de revestimiento de metal por inmersión en caliente, la banda de acero generalmente pasa por uno o más hornos de tratamiento térmico y luego por un baño de aleación de metal fundido que se mantiene en una olla de revestimiento. El horno de tratamiento térmico adyacente a la olla de revestimiento tiene un orificio de salida que se extiende hacia abajo hasta un lugar situado debajo de la superficie superior del baño.
La aleación metálica se mantiene normalmente fundida en la olla de revestimiento mediante el uso de inductores de calentamiento. La banda suele salir de los hornos de tratamiento térmico a través de una sección final de salida en forma de un canal de salida del horno alargado o de un orificio que se sumerge en el baño. Dentro del baño, la banda pasa alrededor de uno o más rodillos de sumergimiento y es extraída del baño por arriba y revestida con la aleación metálica a medida que pasa por el baño.
Después de salir del baño de revestimiento, la banda revestida de aleación metálica pasa a través de una estación de control del espesor del revestimiento, tal como una cuchilla de gas o una estación de limpieza de gas, en la cual sus superficies revestidas son sometidas a chorros de gas de limpieza para controlar el espesor del revestimiento.
Después, la banda revestida de aleación metálica pasa por una sección de enfriamiento y es sometida a un enfriamiento forzado.
En adelante, la banda revestida con aleación metálica enfriada puede ser acondicionada opcionalmente haciendo pasar la banda revestida sucesivamente a través de una sección de laminación de acabado de superficie (también conocida como sección de laminación de temple) y una sección de nivelación de tensión. La banda acondicionada es bobinada en una estación de bobinado.
Un revestimiento de aleación de 55% de Al-Zn es un revestimiento de aleación metálica conocido para la banda de acero. Después de la solidificación, un revestimiento de aleación de 55%Al-Zn normalmente consiste en a-Al dendritas y una fase p-Zn en las regiones interdendríticas del revestimiento.
Es conocida la adición de silicio a la composición de la aleación del revestimiento para evitar la excesiva aleación entre el sustrato de acero y el revestimiento fundido en el procedimiento de revestimiento por inmersión en caliente. Una porción del silicio participa en la formación de una capa de aleación cuaternaria, pero la mayoría del silicio precipita como partículas de silicio puro similares a una aguja durante la solidificación. Estas partículas de silicio similares a una aguja también están presentes en las regiones interdendríticas del revestimiento.
El solicitante ha descubierto que cuando es incluido Mg en una composición de revestimiento de aleación de 55% de Al-Zn-Si, el Mg produce ciertos efectos beneficiosos en el rendimiento del producto, tal como una mejor protección en los cortes de los bordes, al cambiar la naturaleza de los productos de corrosión formados.
Sin embargo, el solicitante también ha descubierto que el Mg reacciona con Si para formar una fase de Mg2Si y que la formación de la fase de Mg2Si compromete de varias maneras los efectos beneficiosos del Mg mencionados con anterioridad.
A modo de ejemplo, la fase de Mg2Si se forma como partículas grandes con relación a los espesores típicos de los revestimientos y puede proporcionar una vía para la corrosión rápida en la que las partículas se extienden desde una superficie de revestimiento hasta una capa de aleación adyacente a la banda de acero.
A modo de ejemplo adicional, las partículas de Mg2Si tienden a ser partículas quebradizas y afiladas y proporcionan tanto una vía de inicio como de propagación para las grietas que se forman al doblar los productos revestidos formados a partir de la banda revestida. El aumento de las grietas en comparación con los revestimientos sin Mg puede dar lugar a una corrosión más rápida de los revestimientos.
La presente invención es una banda revestida de una aleación de Al-Zn-Si-Mg que tiene partículas de Mg2Si en la microestructura del revestimiento, siendo la distribución de las partículas de Mg2Si lo definido en las reivindicaciones adjuntas.
En la presente memoria, por el término "región de superficie" se entiende una región que se extiende hacia el interior de la superficie expuesta de un revestimiento.
El solicitante ha descubierto que la distribución de partículas de Mg2Si descrita anteriormente en la microestructura del revestimiento proporciona ventajas significativas y puede ser alcanzada por una o más de:
1. (a) adiciones de estroncio en la aleación del revestimiento;
2. (b) selección de la tasa de enfriamiento durante la solidificación de la banda revestida para una masa de revestimiento determinada (es decir, el espesor del revestimiento) que sale de un baño de revestimiento; y 3. (c) reducción al mínimo de las variaciones del espesor del revestimiento.
De acuerdo con la presente invención es proporcionada una banda de acero revestida de aleación de Al-Zn-Si-Mg de acuerdo con la reivindicación 1.
Preferentemente la región de superficie tiene un espesor que es menor al 20% del espesor total del revestimiento. La microestructura del revestimiento incluye una región adyacente a la banda de acero que está al menos sustancialmente libre de cualquier partícula de Mg2Si, por lo que las partículas de Mg2Si en la microestructura del revestimiento están al menos sustancialmente confinadas a una región central o núcleo del revestimiento.
Preferentemente el revestimiento contiene más de 1000 ppm de Sr.
Preferentemente hay mínimas variaciones de espesor de revestimiento.
De acuerdo con la presente invención también es proporcionado un procedimiento de revestimiento por inmersión en caliente de acuerdo con la reivindicación 2.
Preferentemente el revestimiento contiene más de 1000 ppm de Sr.
En cualquier situación, la selección de la tasa de enfriamiento requerida está relacionada con el espesor del revestimiento (o la masa del revestimiento).
Más preferentemente la variación del espesor del revestimiento no debe ser superior al 30% en cualquier sección de 5 mm de diámetro del revestimiento.
En cualquier situación, la selección de una variación de espesor adecuada está relacionada con el espesor del revestimiento (o la masa del revestimiento).
A modo de ejemplo, para un espesor de revestimiento de 22 pm, preferentemente el máximo espesor en cualquier sección de 5 mm de diámetro del revestimiento debe ser de 27 pm.
Las ventajas de la invención incluyen las siguientes.
• Mayor resistencia a la corrosión. La distribución de Mg2Si de la presente invención elimina los canales de corrosión directa de la superficie del revestimiento a la banda de acero producida con una distribución de Mg2Si convencional. Como resultado, la resistencia a la corrosión del revestimiento es notablemente mejorada.
• Mejora de la ductilidad del revestimiento. Las partículas de Mg2Si en la superficie del revestimiento y adyacentes a la banda de acero son sitios efectivos de inicio de grietas cuando el revestimiento es sometido a una fabricación de alta tensión. La distribución de Mg2Si de la presente invención elimina tales sitios de inicio de grietas en su totalidad o reduce sustancialmente el número total de sitios de inicio de grietas, lo que resulta en una ductilidad del revestimiento significativamente mejorada.
• La adición de Sr permite el uso de mayores tasas de enfriamiento, reduciendo la longitud del equipo de enfriamiento requerido después de la olla.
Ejemplo
El solicitante ha realizado experimentos de laboratorio en una serie de composiciones de aleación de 55% de Al-Zn-1,5% de Si-2,0% de Mg que tienen hasta 3000 ppm de Sr revestidos en sustratos de acero.
El propósito de estos experimentos fue investigar el impacto de Sr en la distribución de las partículas de Mg2Si en los revestimientos.
La Figura 1 sintetiza los resultados de un conjunto de experimentos realizados por el solicitante que ilustran la presente invención.
El lado izquierdo de la Figura comprende una vista en planta superior de un sustrato de acero revestido y una sección transversal a través del revestimiento con una aleación de 55% de Al-Zn-1,5% de Si-2,0% de Mg sin Sr. El revestimiento no fue formando en consideración de la selección de la tasa de enfriamiento durante la solidificación discutida anteriormente.
Es evidente por la sección transversal que las partículas de Mg2Si están distribuidas por todo el espesor del revestimiento. Esto es un problema por las razones expuestas anteriormente.
El lado derecho de la Figura comprende una vista en planta superior de un sustrato de acero revestido y una sección transversal a través del revestimiento, con el revestimiento compuesto por una aleación de 55% de Al-Zn-1,5% de Si-2,0% de Mg y 500 ppm de Sr. La sección transversal ilustra las regiones superiores e inferiores en la superficie del revestimiento y en la interfaz con el sustrato de acero que están completamente libres de partículas de Mg2Si, estando las partículas de Mg2Si confinadas a una banda central del revestimiento. Esto es ventajoso por las razones expuestas anteriormente.
Las fotomicrografías de la Figura ilustran claramente los beneficios de la adición de Sr a una aleación de revestimiento de Al-Zn-Si-Mg.
Ha sido descubierto por los experimentos de laboratorio que las microestructuras mostrada en la parte derecha de la Figura fueron formadas con adiciones de Sr en el intervalo de 250-3000 ppm.
El solicitante también ha llevado a cabo ensayos de línea en una composición de aleación de 55% de Al-Zn-1,5% de Si-2,0% de Mg (que no contiene Sr) revestida en una banda de acero.
El propósito de estos ensayos era investigar el impacto de las tasas de enfriamiento y las masas de los revestimientos en la distribución de las partículas de Mg2Si en los revestimientos.
Los experimentos cubrieron un intervalo de masas de revestimiento de 60 a 100 gramos por metro cuadrado de superficie por lado de la banda, con tasas de enfriamiento de hasta 90°C/seg.
El solicitante ha descubierto dos factores que afectaban a la microestructura del revestimiento, en particular la distribución de las partículas de Mg2Si en los revestimientos.
El primer factor es el efecto de la tasa de enfriamiento de la banda que sale del baño de revestimiento antes de completar la solidificación del revestimiento. El solicitante ha descubierto que el control de la tasa de enfriamiento es importante.
A modo de ejemplo, el solicitante ha descubierto que para un revestimiento de clase AZ150 (o 75 gramos de revestimiento por metro cuadrado de superficie por lado de banda - véase Australia Standard AS1397-2001), si la tasa de enfriamiento es superior a 80°C/seg., se formaban partículas de Mg2Si en la región de superficie del revestimiento.
El solicitante también ha descubierto que para el mismo revestimiento no es deseable que la tasa de enfriamiento sea demasiado baja, en particular por debajo de 11°C/seg., ya que en este caso el revestimiento desarrolla una estructura defectuosa de "bambú", en la que las fases ricas en zinc forman una trayectoria de corrosión vertical recta desde la superficie del revestimiento hasta la interfaz de acero, lo que compromete el rendimiento de corrosión del revestimiento.
Por lo tanto, para un revestimiento de clase AZ150, bajo las condiciones experimentales probadas, la tasa de enfriamiento debe ser controlada para que sea inferior a 80°C/seg. y típicamente en un intervalo de 11-80°C/seg.
Por otro lado, el solicitante también ha descubierto que para un revestimiento de clase AZ200, si la tasa de enfriamiento era superior a 50°C/seg., se formaban partículas de Mg2Si en la superficie del revestimiento.
Por lo tanto, para un revestimiento de clase AZ200, bajo las condiciones experimentales probadas, es deseable una tasa de enfriamiento menor que 50°C/seg. y típicamente en un intervalo de 11-50°C/seg.
La labor de investigación llevada a cabo por el solicitante sobre la solidificación de los revestimientos de Al-Zn-Si-Mg, que es amplia y descrita en parte con anterioridad, ha ayudado al solicitante a comprender mejor la formación de la fase de Mg2Si en un revestimiento y los factores que afectan a su distribución en el mismo. Aunque el solicitante no desea suscribir al siguiente análisis, esta comprensión es la expuesta a continuación.
Cuando un revestimiento de aleación de Al-Zn-Si-Mg es enfriado a una temperatura de aproximadamente 560°C, la fase a-Al es la primera fase para nuclear. Después, la fase a-Al crece en una forma dendrítica. A medida que la fase a-Al crece, Mg y Si, junto con otros elementos solubles, son rechazados en la fase líquida fundida y así el líquido fundido restante en las regiones interdendríticas es enriquecido en Mg y Si.
Cuando el enriquecimiento de Mg y Si en las regiones interdendríticas alcanza un cierto nivel, comienza a formarse la fase de Mg2Si, lo que también corresponde a una temperatura de aproximadamente 465°C. Para simplificar, se supondrá que una región interdendrítica cerca de la superficie exterior del revestimiento es la región A y otra región interdendrítica cerca de la capa de aleación intermetálica cuaternaria en la superficie de la banda de acero es la región B. También se supondrá que el nivel de enriquecimiento en Mg y Si es el mismo en la región A que en la región B.
A 465°C o menos, la fase de Mg2Si tiene la misma tendencia a nuclearse en la región A que en la región B. Sin embargo, los principios de la metalurgia física enseñan que una nueva fase se nucleará preferentemente en un sitio en el que la energía libre del sistema resultante sea la mínima. La fase de Mg2Si normalmente se nuclea preferentemente en la capa de aleación intermetálica cuaternaria de la región B, a condición de que el baño de revestimiento no contenga Sr (la función de Sr con los revestimientos que contienen Sr es discutida más adelante). El solicitante cree que esto está de acuerdo con los principios enunciados anteriormente, en el sentido de que hay cierta similitud en la estructura de la red cristalina entre la fase de aleación intermetálica cuaternaria y la fase de Mg2Si, lo que favorece la nucleación de la fase de Mg2Si al minimizar cualquier aumento de la energía libre del sistema. En comparación, para que la fase de Mg2Si se nuclee en el óxido superficial del revestimiento en la región A, el aumento de la energía libre del sistema habría sido mayor.
Al nuclearse en la región B, la fase de Mg2Si crece hacia arriba, a lo largo de los canales de líquido fundido en las regiones interdendríticas, hacia la región A. En el frente de crecimiento de la fase de Mg2Si (región C), la fase líquida fundida se agota en Mg y Si (dependiendo de los coeficientes de partición del Mg y el Si entre la fase líquida y la fase de Mg2Si), en comparación con la de la región A. De este modo, se forma una pareja de difusión entre la región A y la región C. En otras palabras, Mg y Si de la fase líquida fundida se difundirán de la región A a la región C. Cabe destacar que el crecimiento de la fase a-Al en la región A significa que la región A siempre está enriquecida en Mg y Si y la tendencia de la fase de Mg2Si a nuclearse en la región A siempre existe porque la fase líquida está "subenfriada" con respecto a la fase de Mg2Si.
El hecho de que la fase de Mg2Si se nuclee en la región A, o que Mg y Si sigan difundiéndose de la región A a la región C, dependerá del nivel de enriquecimiento de Mg y Si en la región A, relevante para la temperatura local, que a su vez depende del equilibrio entre la cantidad de Mg y Si rechazada en esa región por el crecimiento de a-Al y la cantidad de Mg y Si que se aleja de esa región por la difusión. El tiempo disponible para la difusión también es limitado, dado que el proceso de nucleación/crecimiento del Mg2Si tiene que completarse a una temperatura de aproximadamente 380°C, antes de que tenga lugar la reacción eutéctica L^Al-Zn, en la que L representa la fase líquida fundida.
El solicitante ha descubierto que el control de este resto puede controlar la subsiguiente nucleación o crecimiento de la fase de Mg2Si o la distribución final de la fase de Mg2Si en la dirección del espesor de la capa.
En particular, el solicitante ha descubierto que para un espesor de revestimiento determinado, la tasa de enfriamiento debe regularse en un intervalo determinado, y más en particular no exceder una temperatura umbral, para evitar el riesgo de que la fase de Mg2Si se nuclee en la región A. Esto se debe a que para un espesor de revestimiento establecido (o una distancia de difusión relativamente constante entre las regiones A y C), una mayor tasa de enfriamiento hará que la fase a-Al crezca más rápidamente, lo que dará lugar a que se rechace más Mg y Si en la fase
líquida de la región A y a un mayor enriquecimiento de Mg y Si, o a un mayor riesgo de que la fase de Mg2Si se nuclee, en la región A (lo que no es deseable).
Por otra parte, para una tasa de enfriamiento establecida, un revestimiento más grueso (o una región de revestimiento local más grueso) aumentará la distancia de difusión entre la región A y la región C, lo que dará lugar a que una menor cantidad de Mg y Si pueda pasar de la región A a la región C por la difusión dentro de un tiempo establecido y, a su vez, un mayor enriquecimiento de Mg y Si, o un mayor riesgo de que la fase de Mg2Si se nuclee, en la región A (lo que es indeseable).
Prácticamente, el solicitante ha descubierto que, para lograr la distribución de las partículas de Mg2Si de la presente invención, es decir, para evitar la nucleación de la fase de Mg2Si en la región A, la tasa de enfriamiento de la banda revestida que sale del baño de revestimiento tiene que estar en un intervalo de 11-80°C/seg. para masas de revestimiento de hasta 75 gramos por metro cuadrado de superficie de la banda por lado y en un intervalo de 11-50°C/seg. para masas de revestimiento de 75-100 gramos por metro cuadrado de superficie de banda por lado. El corto intervalo de variación del espesor del revestimiento también tiene que ser controlado para que no sea mayor que el 40% por encima del espesor nominal del revestimiento dentro de una distancia de 5 mm a través de la superficie de la banda para lograr la distribución de las partículas de Mg2Si de la presente invención.
El solicitante también ha descubierto que, cuando Sr está presente en un baño de revestimiento, la cinética descrita anteriormente de la nucleación de Mg2Si puede ser influenciada significativamente. A ciertos niveles de concentración de Sr, este se segrega fuertemente en la capa de aleación cuaternaria (es decir, cambia la química de la fase de aleación cuaternaria). Sr también cambia las características de la oxidación superficial de la capa fundida, lo que da lugar a un óxido superficial más fino en la superficie del revestimiento. Esos cambios alteran significativamente los sitios preferenciales de nucleación de la fase de Mg2Si y, como resultado, el patrón de distribución de la fase de Mg2Si en la dirección del espesor del revestimiento. En particular, el solicitante ha descubierto que Sr en concentraciones de 250-3000ppm en el baño de revestimiento hace virtualmente imposible que la fase de Mg2Si se nuclee en la capa de aleación cuaternaria o en el óxido superficial, presumiblemente debido al muy alto nivel de aumento de la energía libre del sistema que de otro modo se generaría. En cambio, la fase de Mg2Si sólo puede nuclearse en la región central del revestimiento en la dirección del espesor, lo que da lugar a una estructura de revestimiento que está sustancialmente libre de Mg2Si tanto en la región de superficie exterior del revestimiento como en la región cercana a la superficie de acero. Por lo tanto, las adiciones de Sr en el intervalo de 250-3000 ppm se proponen como uno de los medios efectivos para lograr una distribución deseada de las partículas de Mg2Si en un revestimiento.
Claims (2)
1. Una banda de acero revestida con una aleación de Al-Zn-Si-Mg que comprende un revestimiento de una aleación de Al-Zn-Si-Mg en una banda de acero, siendo el espesor del revestimiento mayor que 7 micrones y menor que 30 micrones y siendo las variaciones de espesor de revestimiento no superiores al 40% en cualquier sección de 5 mm de diámetro del revestimiento, comprendiendo la aleación en % en peso de 40 a 60% de Al, 40 a 60% de Zn, 0,3 a 3% de Si, y 0,3 a 10% Mg y opcionalmente Sr en un intervalo mayor que 500 ppm y menor que 3000 ppm como una adición deliberada de aleación, opcionalmente uno o más de Fe, V y Cr y otros elementos que están presentes como impurezas inevitables, comprendiendo la microestructura del revestimiento partículas de Mg2Si, siendo la distribución de las partículas de Mg2Si tal que (a) no haya más del 10% en peso de partículas de Mg2Si en una región de superficie del revestimiento que tenga un espesor que sea al menos del 5% y menor que el 30% del espesor total del revestimiento, (b) al menos 80 % en peso de las partículas de Mg2Si estén confinadas a una región central del revestimiento, y c) una región que es adyacente a la banda de acero esté al menos sustancialmente libre de partículas de Mg2Si.
2. Un procedimiento de revestimiento por inmersión en caliente para la formación de un revestimiento de una aleación de Al-Zn-Si-Mg resistente a la corrosión en una banda de acero para formar una banda de acero revestida con Al-Zn-Si-Mg definida en la reivindicación 1, estando el procedimiento caracterizado por hacer pasar la banda de acero a través de un baño de revestimiento por inmersión en caliente que contiene Al, Zn, Si y Mg y opcionalmente Sr en un intervalo mayor que 500 ppm y menor que 3000 ppm, opcionalmente uno o más de Fe, V y Cr y otros elementos que están presentes como impurezas inevitables y formar un revestimiento de aleación sobre la banda, siendo el espesor del revestimiento mayor que 7 micrones y menor que 30 micrones y siendo las variaciones de espesor del revestimiento no superiores al 40% en cualquier sección de 5 mm de diámetro del revestimiento, y enfriar la banda revestida que sale del baño de revestimiento durante la solidificación del revestimiento a una tasa controlada para formar el revestimiento, estando la tasa de enfriamiento controlada para que sea menor que 80°C/seg. para masas de revestimiento de hasta 75 gramos por metro cuadrado de superficie de banda por lado, estando la tasa de enfriamiento controlada para que sea menor que 50°C/seg. para masas de revestimiento de 75-100 gramos por metro cuadrado de superficie de banda por lado, y estando la tasa de enfriamiento controlada para que sea de al menos 11°C/seg.
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