KR101312776B1 - 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양식기, 칼 및 가위 등에 사용되는 중량%로 0.10~0.50% 탄소, 11~16% 크롬을 함유한 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로, 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하는 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법과 그 제조방법에 의하여 제조된 마르텐사이트계 스테인리스강을 특징으로 한다. 본 발명은 탄화물 중심편석을 저감시킴으로써, 라미네이션 결함을 억제시키고, 탄화물 편석부와 미편석부 사이의 경도차가 적어 전체적으로 경도가 균일한 마르텐사이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.

스테인리스, 마르텐사이트, 스트립캐스팅, 도물용

Description

마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법 {Martensitic stainless steel and method of the manufacture the same containing 0.1~0.5% carbon}

본 발명은 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 0.10~0.50% 탄소, 11~16% 크롬을 함유한 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 스트립캐스팅법을 활용하여 제조하여 라미네이션이 저감되고, 경도가 균일한 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 마르텐사이트계 스테인리스강은 다음과 같은 제조공정을 통해 제조된다. 즉, 용강을 주조하여 연주 슬라브를 제조한 다음 재가열하고 열간압연하는데, 열간압연된 상태에서 강의 조직은 마르텐사이트상, 템퍼드 마르텐사이트상, 잔류오스테나이트 상 등이 혼재하여 존재한다. 이러한 열연코일은 열연판 소둔 목적으로 상소둔(batch annealing) 공정을 거쳐 페라이트와 탄화물로 변태되어 연질화되는데, 열연소둔에 의한 연질재는 형성된 스케일 제거를 위하여 산세공정을 거친다. 산세 후의 연질의 소재는 냉간압연 또는 제품가공 후 최종수요가 열처리 공정을 거쳐 마르텐사이트강으로 변태되는 것이다.

대표적인 마르텐사이트계 스테인리스강으로는 420 계열강이 있는데, 이 강들은 강의 높은 탄소함량으로 인하여 연주슬라브 제조공정에서 조대한 탄화물 중심편석을 형성한다. 탄화물 중심편석은 수지상(dendrite) 사이에 존재하는 미세편석 용강이 응고가 진행되면서 벌크(bulk) 용강내로의 흡입과 집적의 결과로 발생하는 현상이다. 슬라브내에 형성된 중심편석은 재가열 또는 소둔열처리 공정에서 잘 제거되지 않아서, 열연 또는 냉연판에 잔류하게 되고, 이로 인해 스트립(strip)의 전단절단(shearing) 과정에서 라미네이션(lamination, 이중판) 결함을 수반한다.

종래의 200~250mm의 슬라브를 생산하는 경우에 있어서, 중심편석을 최소화하기 위하여 연주공정에서 주조속도를 통상재 대비 70~80%로 저감하여 조업하는데, 연주생산성이 현저히 저하되는 문제점이 있다. 또한 주조시 형성된 중심부의 조대한 탄화물을 고용하기 위해, 열간압연 후의 상소둔(batch annealing)의 소둔온도 및 유지시간을 과다하게 해야 하므로, 생산성이 급격히 감소한다. 연속주조시 발생하는 중심편석은 응고가 진행되면서 탄소의 축적에 의한 농화용강에 의해 발생되므로 이를 저감시키는 방법이 보고되고 있다. 즉, 중심편석을 저감하는 방법은 전자교반법(Electromagnetic Stirring), 기계적 경압화법(Mechanical Soft Reduction) 그리고 열적 경압하(Thermal Soft Reduction) 등이 있다.

이에, 본 발명자들은 상기와 같은 요망에 의하여 안출된 것으로서, 기존의 연속주조법이 아닌 박물을 직접 쌍롤에 의하여 생산하는 스트립캐스팅법을 활용하여 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하여 탄화물 중심편석을 저감시킴으로써, 기존의 연속주조의 가장 큰 단점이었던 라미네이션 결함이 억제되고, 경도가 균일한 고탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여 먼저, 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하는 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물을 포함한다.

또한, 본 발명에서 상기 열연소둔스트립을 환원성 가스분위기하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판을 제조하는 방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 열연소둔스트립은 하중 100g의 비커스 경도로 측정시 두께 단면부에서 탄화물 편석부와 미편석부의 경도차가 90Hv이하를 갖는 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면은 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서, 중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 스테인리스 박판을 주조하고, 상기 주조된 스테인리스 박판을 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 압하를 실시하는 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명에서 상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 포함한다.

또한, 본 발명에서 상기 스테인리스강은 환원성 가스분위기하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 통과한 중탄소 마르텐사이트계 스테인리스강을 얻는다.

또한, 본 발명에서 상기 스테인리스강은 하중 100g의 비커스 경도로 측정시 두께 단면부에서 탄화물 편석부와 미편석부의 경도차가 90Hv이하를 갖는 마르텐사 이트계 스테인리스강을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서 상기의 방법에 의하여 제조된 스테인리스강은 그 두께가 1~5mm의 박판인 것을 포함한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 스트립캐스팅법을 활용하여 마르텐사이트계 스테인리스강을 제조하여, 중심편석을 저감하고, 또한, 라미네이션 결함을 억제할 수 있는 효과가 있다. 이와 같은 얻어진 마르텐사이트계 스테인리스강은 경도가 조직 전체적으로 균일한 효과를 가진다.

이하 첨부한 도면을 참고 하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 기재한다. 다만, 본 발명은 청구범위에 기재된 범위 안에서 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 하기에 설명하는 실시예는 표현 여부에 불구하고 예시적인 것에 불과하다.

본 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다. 그리고 도면에서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 참조번호 및 부호로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 아울러, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장될 수 있으며 실제의 층 두께나 크기와 다를 수 있다.

도 1은 종래 알려진 스트립캐스팅 설비의 개략도이다. 이 스트립캐스팅 공정은 용강으로부터 직접 박물의 열연소둔스트립을 생산하는 공정으로서 열간 압연공정을 생략하여 제조원가, 설비투자비용, 에너지 사용량, 공해가스 배출량 등을 획기적으로 저감할 수 있는 새로운 철강공정 프로세스이다. 일반적인 스트립 캐스팅 공정에 사용되는 쌍롤형 박판주조기는 도 1에 도시된 바와 같이 용강을 래들(1)에 수용시키고, 노즐을 따라 턴디쉬(2)로 유입되며, 턴디쉬(2)로 유입된 용강은 주조롤(6) 양 끝단부에 설치된 에지댐(5)의 사이, 즉, 주조롤(6)의 사이로 용강 주입노즐(3)을 통해 공급되어 응고가 개시된다. 이때 롤 사이의 용탕부에는 산화를 방지하기 위해 메니스커스 쉴드(4)로 용탕면을 보호하고 적절한 가스를 주입하여 분위기를 적절히 조절하게 된다. 양 롤이 만나는 롤 닙(7)을 빠져나오면서 박판(8)이 제조되어 인발되면서 압연기(9)를 거쳐 압연이 된 후 냉각공정을 거쳐 권취 설비(10) 에서 권취된다.

이때, 용강으로부터 두께 10mm 이하의 박판을 직접 제조하는 쌍롤식 박판주조공정에 있어서 중요한 기술은, 빠른 속도로 반대방향으로 회전하는 내부 수냉식 쌍롤 사이에 주입 노즐을 통해 용강을 공급하여 원하는 두께의 박판을 균열이 없고 실수율이 향상되도록 제조하는 것이다.

본 발명의 발명자들은 기존 연주방법으로는 제거가 어려운 중심편석 문제를 스트립캐스팅법을 활용하여 제조하면 혁신적으로 저감시킬 수 있음을 알아내었다. 그 결과로, 스트립(strip)의 전단절단(shearing) 과정에서 라미네이션(lamination, 이중판) 결함을 완화시키며, 판재 두께방향으로의 경도를 균일하게 만드는 잇점이 있음을 확인하였다.

(실시예)

이하 실시예로 본 발명을 설명한다.

본 발명에서 사용되는 모재는 마르텐사이트 스테인리스강으로서 중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%의 범위를 사용한다. 본 발명에서 C의 범위를 0.1% 이하로 할 경우 중심편석이 심하게 발생하지 않을 것이나 그 경도에 있어서 바람직하지 않으며, 0.5% 이상인 경우에는 소입(Quenching) 열처리 시에 잔류 오스테나이트가 과다하게 미세조직 내에 잔존할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 최적의 범위로서 C:0.1~0.5%, Cr:11~16%를 제안한다.

또한, 본 발명의 실시예에 의한 상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 성분계에 관한 합금을 대상으로 하고 있다

실시예에서는 기존의 연속주조법을 경유하여 제조된 열연소둔판과 스트립캐스팅법을 경유하여 제조된 강의 미세조직학적 특성을 비교하였다.

표 1은 연속주조법과 스트립캐스팅법으로 제조된 강의 성분을 도시한 것이다. 기존의 연속주조법을 활용하여 420J2 성분으로 200m두께의 연주 슬라브를 100톤 제조하였다. 이는 표 1의 #1로서 비교예로서 나타난다. 그 후 열간압연을 위하여 슬라브를 가열로에서 재가열하였으며, 최종 3mm의 두께로 열간압연하였다. 연속주조로 제조된 성분강인 표 1의 #1과 유사한 성분을 표 1의 발명강으로서 쌍롤형 스트립캐스터를 이용하여 열연코일의 형태로 제조하였다. 쌍롤형 스트립캐스터는 서로 반대방향으로 회전하는 양롤(twin-drum rolls)과 측면 댐(side dams)사이로 용강을 공급하고, 수냉되는 롤 표면을 통해 많은 열량을 방출시키면서 주조하는 것을 특징으로 한다. 이 때. 롤 표면에서 빠른 냉각속도로 응고셀을 형성되며, 주조 후 고온에서 연속적으로 행하여지는 인라인롤링(in-line rolling)에 의하여, 최종적으로 1~5mm 정도의 얇은 열연 박판이 제조된다. 본 실시예서는 420J2 성분으로 3.0mmt로 주조하고, 이를 주조직후 인라인롤링(in-line rolling)을 실시하여 2mm두께의 열연코일을 제조하였다. 연속주조법을 활용하여 제조된 3mm 두께의 열연판과 스트립캐스팅을 활용하여 제조된 2mm 두께의 열연코일에 대하여 동일한 조건의 상소둔(batch annealing)을 실시하였다.

연속주조법과 스트립캐스팅법으로 제조된 강의 성분

ID	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	ΔHv	비고
#1	0.29	0.43	0.45	0.021	0.004	13.2	0.1	0.03	98	연속주조(비교예)
#2	0.13	0.43	0.50	0.023	0.001	12.3	0.25	0.02	4	스트립캐스팅(발명예)
#3	0.30	0.45	0.49	0.021	0.001	13.3	0.1	0.03	6	스트립캐스팅(발명예)
#4	0.32	0.46	0.50	0.019	0.001	13.4	0.4	0.03	9	스트립캐스팅(발명예)
#5	0.45	0.35	0.40	0.018	0.002	14.0	0.15	0.02	8	스트립캐스팅(발명예)
#6	0.48	0.52	0.45	0.018	0.002	14.8	0.3	0.02	10	스트립캐스팅(발명예)

도 2는 기존 연주법으로 제조된 성분강으로서 비교예인 #1의 200mm 두께의 슬라브 단면 조직 사진이다. 슬라브 중앙부에 검게 에칭된 탄화물 중심편석부가 존재함을 나타내고 있다. 이에 반하여, 스트립캐스팅법으로 주조된 2mm 두께의 열연판으로서 표 1의 발명강인 #3은 두께 중앙부에서 등축정(equiaxed crystals)의 존재만이 확인될 뿐, 광학현미경 상에서 중심부에 편석의 흔적이 확인되지 않았다. 이는 도 3을 통하여 더욱 자세히 알 수 있다.

도 4와 도 5는 기존연주법으로 제조되고 상소둔을 통하여 연화처리된 3mm 두께 소재의 비교예인#1의 중앙부 단면조직을 각각 x50배와 x1000배의 배율에서 촬영한 미세조직이다. 두께 단면 중앙부에 약 20㎛ 두께의 밴드 형태로 탄화물이 조밀하게 형성된 중심편석부가 형성되어 있음을 알 수 있다. 그러나, 스트립캐스팅법으로 제조되고 상소둔을 통하여 연화처리된 2mm 두께 소재인 표 1의 발명강인 #3의 중앙부 단면조직에는 이러한 탄화물 중심편석이 관찰되지 않는다. 이는 도 6과 도 7의 조직사진을 통하여 확인할 수 있다.

도 8은 도 5에서 확인되는 탄화물 중심편석부와 미편석부의 경도를 측정한 결과이다. 비커스 경도값(Hv)을 측정하였으며, 100의 하중으로 각각 10회씩 측정하였다. 그 결과를 도 8의 박스형태로 나타내었다. 탄화물 중심편석부의 평균경도는 288Hv이었으며, 미편석부는 193으로 경도값의 차가 약 95Hv 발생함을 확인하였다. 표 1에 스트립캐스팅으로 제조된 다양한 성분의 마르텐사이트계 스테인리스강 열연소둔판재의 단면경도측정 결과를 나타내었다. 표 1에 표시한 비커스 경도값 차이(ΔHv)는 전술한 바와 같이 탄화물 중심편석부와 미편석부의 경도의 차이를 측정한 결과이며, 연속주조로 제조된 강인 표 1의 비교예인 #1만을 제외하고, 모든 발명예의 경우에서 단면경도의 편차가 10Hv 이하로 계측되었다. 이와 같은 결과는, 스트립캐스팅법으로 제조되어서 탄화물 중심편석이 제거되면 경도의 균일성이 향상된다는 것을 의미한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 발명에 대한 권리범위는 이하의 특허청구범위에서 정해지는 것으로써, 명세서 본문의 기재에 구속되지 않으며, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형과 변경은 모두 본 발명의 범위에 속할 것이다.

도 1은 일반적인 스트립캐스팅 공정의 개략도,

도 2는 연속주조법으로 주조된 200mm 두께의 슬라브 단면 미세조직으로 두께 중심부에 탄화물 편석이 존재하여 검게 에칭되어 있음을 도시하는 조직사진도,

도 3은 스트립캐스팅으로 주조되고, 주조직후 고온에서 연속적으로 in-line rolling된 열연판재의 저배율 단면 미세조직으로, 두께 중심부에 형성된 등축정(equiaxed crystals) 조직과 표층부에 형성된 주상정(columnar crystals) 조직을 도시하는 조직사진도,

도 4는 연속주조법으로 주조되고 상소둔(batch annealing)된 열연소둔판의 저배율 미세조직으로 탄화물물 중심편석부가 검은 띠의 형태로 형성되어 있음을 도시하는 조직사진도,

도 5는 도 4에 나타낸 검은 띠 부분을 확대한 미세조직으로 약 20㎛ 두께로 탄화물 편석의 밴드가 형성되어 있음을 도시하는 조직사진도,

도 6은 스트립캐스팅으로 주조되고 상소둔(batch annealing)된 열연소둔판의 저배율 미세조직으로 도 4에 나타낸 띠 형상의 중심편석부의 형성이 억제되었음을 도시하는 조직사진도,

도 7은 도 6을 확대한 미세조직으로 중심편석부의 형성이 억제되었음을 도시하는 조직사진도,

도 8은 탄화물 중심편석부와 미편석 부에서 측정한 비커스 경도값을 비교한 그래프도이다.

(주요 도면부호의 설명)

1 : 래들 2 : 턴디쉬

3 : 주입노즐 4 : 메니스커스쉴드

5 : 에지댐 6 : 주조롤

7 : 롤닙 8 : 주편

9 : IRM (압연기) 10 : 코일권취설비

Claims (11)

1. 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서,

   중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스 용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 상기 스테인리스 용강은 상기 한쌍의 롤 사이를 빠져나오면서 직접 스테인리스 박판으로 주조되고, 주조된 스테인리스 박판을 주조 후 고온에서 연속적으로 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 열연소둔스트립을 제조하며,

   상기 열연소둔스트립을 환원성 가스분위기 하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 실시하여 열연소둔판을 제조하는 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,

   상기 열연소둔스트립은 하중 100g의 비커스 경도로 측정 시 두께 단면부에서 탄화물 편석부와 미편석부의 경도차가 90Hv이하를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 열연소둔스트립의 두께 단면부에서 탄화물 편석층의 두께가 20㎛ 이하를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강의 제조방법.
6. 서로 반대방향으로 회전하는 한쌍의 롤과 그 양측면에 용강풀을 형성하도록 설치되는 에지댐과 상기 용강풀 상부면으로 불활성 질소가스를 공급하는 매니스커스 쉴드를 포함하는 스트립캐스팅 장치에서,

   중량%로 C: 0.10~0.50%, Cr:11~16%를 함유하는 스테인리스용강을 턴디쉬로부터 노즐을 통하여 상기 용강풀로 공급하여 상기 스테인리스 용강은 상기 한쌍의 롤 사이를 빠져나오면서 직접 스테인리스 박판으로 주조되고, 주조된 스테인리스 박판을 주조 후 고온에서 연속적으로 인라인롤러를 이용하여 5~40%의 압하율로 압하를 실시하여 스테인리스강을 제조하며,

   상기 스테인리스강은 환원성 가스분위기 하에서 700~950℃의 온도범위에서 상소둔(batch annealing)을 통과하고,

   상기 스테인리스강은 하중 100g의 비커스 경도로 측정시 두께 단면부에서 탄화물 편석부와 미편석부의 경도차가 90Hv이하를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강.
7. 제6항에 있어서,

   상기 마르텐사이트계 스테인리스강은 중량%로 Si: 0.1~1.0, Mn:0.1~1.0, Ni:0초과 1.0이하, N:0초과 0.1이하, S: 0초과 0.04이하, P:0초과 0.05이하 및 잔부는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 이루어지는 마르텐사이트계 스테인리스강.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제6항에 있어서,

    상기 스테인리스강의 두께 단면부에서 탄화물 편석층의 두께가 20㎛ 이하를 갖는 마르텐사이트계 스테인리스강.
11. 제6항, 제7항 및 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 스테인리스강은 그 두께가 1~5mm의 박판인 마르텐사이트계 스테인리스강.

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