楊為國(guó)，王旭午，夏克東，吳 松，徐元甲，徐福昌

（煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司，山東 煙臺(tái) 264002）

為滿足大直徑、高合金高壓鍋爐管的熱處理要求，煙臺(tái)寶鋼鋼管有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱(chēng)煙臺(tái)寶鋼）建設(shè)了一組輥底式光亮爐，包括1 座正火爐和1 座回火爐。按照煙臺(tái)寶鋼的產(chǎn)品大綱特點(diǎn)及熱處理工藝要求，在當(dāng)時(shí)還沒(méi)有成熟的類(lèi)似機(jī)組能參考的情況下，煙臺(tái)寶鋼公司與德國(guó)LOI 公司進(jìn)行反復(fù)討論研究，確定了該輥底式光亮爐的設(shè)計(jì)方案，特別是對(duì)鋼管在正火爐中的運(yùn)行模式進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)［1-3］。本文主要分析煙臺(tái)寶鋼新建輥底式光亮爐的結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)及先進(jìn)性。

1 產(chǎn)品大綱特點(diǎn)及熱處理工藝要求

輥底式光亮爐設(shè)計(jì)年產(chǎn)能為4.5 萬(wàn)t，主要鋼種有15CrMo、12Cr1MoV、12Cr2Mo、P5、P91、P92、P122、P23 及13Cr 等，產(chǎn)品規(guī)格為Φ180 ～457 mm×10～50 mm，單支鋼管質(zhì)量≤6 t，每米鋼管質(zhì)量≤0.5 t。熱處理工藝要求：正火溫度為650～1 080℃，最高達(dá)1 100 ℃；回火溫度為550～850 ℃，極差為±5 ℃。天然氣作燃料，其熱值為35 321 kJ/m3（標(biāo)準(zhǔn)條件下：即1 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，溫度0 ℃，相對(duì)濕度0）。鋼管出爐溫度≤200 ℃，熱處理后鋼管直度不降低且無(wú)再生氧化鐵皮產(chǎn)生。

2 輥底式正火光亮爐設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

2.1.1 存在的問(wèn)題

一般高壓鍋爐管的熱處理制度要求：鋼管在爐內(nèi)被加熱到AC1，保溫一定時(shí)間，完成完全奧氏體化轉(zhuǎn)變［4-6］。一般鋼材需加熱至960 ℃以上，高鉻鐵素體鋼T91 要求在1 050 ℃左右。高鉻鋼在完成奧氏體轉(zhuǎn)變后，要求以一定的冷卻速度進(jìn)行冷卻，使之轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；再經(jīng)750～780 ℃回火處理，使組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體［7-12］。由于煙臺(tái)寶鋼生產(chǎn)的主要產(chǎn)品為大直徑厚壁鋼管，因此設(shè)計(jì)輥底式光亮爐時(shí)必須解決好以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1） 厚壁鋼管的加熱。與薄壁鋼管相比，厚壁鋼管必須用更長(zhǎng)的時(shí)間加熱，使壁厚中部與外表面溫度一致，確保加熱的均勻性。由于厚壁鋼管加熱時(shí)間較長(zhǎng)，鋼管表面容易氧化，設(shè)計(jì)時(shí)采取純N2（99.99%）保護(hù)的微氧化加熱，并且在爐內(nèi)氣氛中加入少量H2（3%～5%），從而化合掉鋼管表面熱軋氧化皮層內(nèi)的分子量級(jí)氧，達(dá)到鋼管在高溫下無(wú)氧化反應(yīng)的效果。

（2） 厚壁鋼管的冷卻。如果冷卻速度過(guò)慢，將會(huì)導(dǎo)致鋼管金相組織中出現(xiàn)先共析鐵素體，從而影響其機(jī)械性能；因此，要設(shè)計(jì)具有足夠冷卻強(qiáng)度的裝置，保證鋼管以設(shè)定的冷卻速度冷卻。

（3） 鋼管熱處理后的彎曲。保證鋼管長(zhǎng)度方向上均勻加熱及均勻冷卻是保證鋼管出爐后不產(chǎn)生彎曲的主要因素，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要控制這些因素。

2.1.2 解決的措施

為解決好以上問(wèn)題，采取了如下措施：

（1） 采用鋼管加熱計(jì)算數(shù)學(xué)模型，跟蹤鋼管在加熱爐內(nèi)運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)，包括其性能；將正火爐最高溫度設(shè)計(jì)到1 100 ℃，以滿足所有鋼種的熱處理要求。

（2） 采用鋼管冷卻控制計(jì)算模型，根據(jù)鋼管材料及規(guī)格進(jìn)行模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)，并與設(shè)定的冷卻曲線自動(dòng)比較，根據(jù)偏差數(shù)值來(lái)自動(dòng)修正和調(diào)節(jié)噴淋冷卻運(yùn)行參數(shù)，確保鋼管的冷卻速度，進(jìn)而保證其組織的轉(zhuǎn)變，保證產(chǎn)品的性能。這是正火爐設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一。

（3） 采用鋼管在爐內(nèi)連續(xù)運(yùn)行和全長(zhǎng)節(jié)拍式運(yùn)行兩種方式處理不同壁厚的鋼管。對(duì)薄壁鋼管采用連續(xù)運(yùn)行方式，對(duì)大直徑厚壁（≥30 mm）鋼管采取爐內(nèi)節(jié)拍式運(yùn)行方式，既滿足不同規(guī)格、材質(zhì)鋼管的工藝要求，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.2 正火爐總體結(jié)構(gòu)

正火爐由入口輥臺(tái)、入口真空室、入口通道、正火爐、速冷段、緩冷段、出口真空室、出口輥臺(tái)等組成，如圖1 所示。

圖1 正火爐總體結(jié)構(gòu)布置示意

在正火爐的入口端設(shè)有1 個(gè)入口真空室（真空鎖氣室），以防外界空氣進(jìn)入爐內(nèi)。整條生產(chǎn)線中，正火爐部分溫度最高，而入口真空室緊靠正火爐進(jìn)料端，如果此處氣氛控制不好極易造成鋼管的氧化。為避免外界空氣進(jìn)入爐膛，保證爐內(nèi)氣氛，入口真空室配備有真空鎖氣門(mén)及隔熱附件。鋼管快速進(jìn)入真空室后，其前后兩道真空鎖氣門(mén)關(guān)閉；真空泵將真空室抽至設(shè)定的真空狀態(tài)，通入保護(hù)氣體；抽出的廢氣進(jìn)入煙囪，從煙囪排出。上述過(guò)程完成后，加熱爐側(cè)的真空鎖氣門(mén)打開(kāi)，鋼管快速進(jìn)入爐前入口通道。真空室門(mén)通過(guò)齒輪電機(jī)打開(kāi)、關(guān)閉及壓緊。爐門(mén)的壓緊通過(guò)1 個(gè)特殊的壓緊框?qū)崿F(xiàn)。當(dāng)爐門(mén)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，室門(mén)的導(dǎo)向輪帶動(dòng)卡爪并使之進(jìn)入壓緊框?qū)Р郏瑥亩箟壕o框?qū)⑹议T(mén)推壓到門(mén)框的斜面上。壓緊框包括1 個(gè)精密的框架及密封，因而可使?fàn)t門(mén)與門(mén)框緊密壓緊。使用該結(jié)構(gòu)，室門(mén)的升降、壓緊僅需1 個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)。入口真空室室門(mén)的設(shè)計(jì)屬于德國(guó)LOI 公司專(zhuān)利技術(shù)。

入口通道的作用是保證鋼管快速離開(kāi)真空鎖氣室，并對(duì)鋼管進(jìn)行預(yù)熱處理。入口通道有1 個(gè)單獨(dú)的傳動(dòng)站，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是快進(jìn)、慢出。鋼管進(jìn)入入口通道后，以工藝要求的速度進(jìn)入加熱爐。

加熱爐的主要作用是按照分區(qū)控制的方式，將鋼管加熱到熱處理制度規(guī)定的溫度，并實(shí)現(xiàn)其保溫、均溫。加熱爐爐膛結(jié)構(gòu)如圖2 所示，采用先進(jìn)的套管式自身預(yù)熱輻射管燒嘴，外管由高鎳鉻合金管制成，輻射管上下橫置安裝在爐輥和被加熱鋼管的上、下部，易于更換和維修；內(nèi)管為柔性組合式高溫陶瓷管。每套燒嘴都裝有自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并配有截止閥和開(kāi)/關(guān)電磁閥組，加熱系統(tǒng)每個(gè)區(qū)由雙支熱電偶、PLC 的溫控軟件及燒嘴控制器構(gòu)成爐溫的連續(xù)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以連續(xù)穩(wěn)定地調(diào)節(jié)加熱爐供熱量，保證爐料溫度的精確控制及能源的經(jīng)濟(jì)利用。加熱爐加熱采用脈沖式燃燒控制，空氣與天然氣的比例始終保持在最佳狀態(tài)，可以連續(xù)穩(wěn)定地調(diào)節(jié)加熱爐供熱量。

圖2 加熱爐爐膛結(jié)構(gòu)示意

速冷段由5 組密封式噴流冷卻單元JECO 組成，冷卻介質(zhì)為N2。該噴流冷卻單元包括氣/水冷式熱交換器、變頻調(diào)速低轉(zhuǎn)數(shù)大流量的循環(huán)風(fēng)機(jī)、上下噴流系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、出水溫度遠(yuǎn)程測(cè)量報(bào)警、流量調(diào)節(jié)閥組等。安裝在堅(jiān)固的鋼結(jié)構(gòu)上，鋼結(jié)構(gòu)為氣密焊接。保護(hù)氣流通過(guò)熱交換器和循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)入輥道上下的噴流系統(tǒng)。高速氣流穿過(guò)爐料，帶走鋼管熱量，達(dá)到快速冷卻的效果。根據(jù)生產(chǎn)工藝以及鋼管材質(zhì)的不同，可對(duì)氣流量和氣流噴出速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

密封式噴流冷卻單元JECO 采用了目前德國(guó)最新的數(shù)模優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)鋼管智能化冷卻控制。

緩冷段的作用是保證鋼管快速離開(kāi)噴冷段。該段有1 個(gè)單獨(dú)的傳動(dòng)站，由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)是快進(jìn)、快出。

出口真空室的作用是防止外界空氣進(jìn)入爐內(nèi)，其室門(mén)材質(zhì)為碳鋼。鋼管快速進(jìn)入出口真空室后，其前道隔離門(mén)關(guān)閉；接著后道隔離門(mén)處氣幕打開(kāi)，后道隔離門(mén)打開(kāi)，鋼管快速駛出出口真空室；后道隔離門(mén)關(guān)閉，后道隔離門(mén)處氣幕關(guān)閉。根據(jù)室內(nèi)的氧含量分析結(jié)果來(lái)控制啟動(dòng)隔離室內(nèi)N2置換。隔離門(mén)通過(guò)齒輪電機(jī)實(shí)現(xiàn)打開(kāi)、關(guān)閉。

2.3 工藝流程

連續(xù)運(yùn)行模式主要適用于Φ250 mm×30 mm 以下壁厚的鋼管熱處理。鋼管經(jīng)入口輥臺(tái)快速進(jìn)入入口真空室后，入口真空室進(jìn)行抽真空、充N(xiāo)2；接著鋼管快速進(jìn)入入口通道，在入口通道內(nèi)保持一定的距離進(jìn)入加熱爐；鋼管在加熱爐內(nèi)以相同的速度前進(jìn)，完成加熱、均溫、調(diào)溫出爐的熱處理過(guò)程。熱處理完成后，鋼管進(jìn)入冷卻段內(nèi)根據(jù)不同冷卻模式，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)控制完成冷卻過(guò)程，鋼管離開(kāi)冷卻段的溫度低于200 ℃，接著進(jìn)入出口真空室。鋼管在出口真空室過(guò)渡之后，出口真空室出口門(mén)處的氣幕打開(kāi)，出口真空室出口門(mén)打開(kāi)，鋼管快速離開(kāi)出口真空室進(jìn)入下料出口輥臺(tái)；出口真空室出口門(mén)關(guān)閉，出口真空室出口門(mén)處的氣幕停止，出口真空室氮?dú)庵脫Q閥門(mén)開(kāi)啟。根據(jù)檢測(cè)到出口真空室內(nèi)的氧含量來(lái)調(diào)節(jié)和控制N2的流量和開(kāi)閉，出口真空室N2置換完成后，等待下一批鋼管進(jìn)入。

節(jié)拍式運(yùn)行模式主要針對(duì)Φ250 mm×30 mm 以上壁厚的鋼管熱處理。鋼管在上料入口輥臺(tái)上快速進(jìn)入入口真空室。鋼管在入口真空室內(nèi)進(jìn)行抽真空、充N(xiāo)2過(guò)程，然后快速進(jìn)入入口通道內(nèi)。入口通道內(nèi)的鋼管快速運(yùn)行至加熱爐內(nèi)，爐子設(shè)計(jì)為3個(gè)驅(qū)動(dòng)組，鋼管在爐內(nèi)按節(jié)拍時(shí)間擺動(dòng)加熱，擺動(dòng)加熱距離為1 個(gè)爐輥的周長(zhǎng)。當(dāng)鋼管在爐內(nèi)完成加熱、保溫所要求的節(jié)拍時(shí)間后，爐內(nèi)端部閘門(mén)打開(kāi)，鋼管快速進(jìn)入噴流冷卻段，爐內(nèi)端部閘門(mén)關(guān)閉，鋼管在噴冷段內(nèi)擺動(dòng)運(yùn)行。鋼管在噴冷段內(nèi)根據(jù)不同的、可供選擇的冷卻模式，通過(guò)數(shù)學(xué)模型的計(jì)算數(shù)據(jù)控制完成鋼管快速冷卻過(guò)程。鋼管出冷卻段的溫度低于200 ℃。鋼管在冷卻段完成一個(gè)節(jié)拍的冷卻時(shí)間之后，出口真空室入口門(mén)打開(kāi)，鋼管快速進(jìn)入出口真空室。隨后的工藝流程與連續(xù)運(yùn)行模式的相同。

2.4 主要參數(shù)

輥底式正火光亮爐的主要參數(shù)如下。爐膛高度 520 mm爐膛寬度 2 000 mm爐輥有效寬度 1 750 mm入口輥臺(tái)長(zhǎng)度 約13 990 mm入口真空室（含真空室門(mén)）長(zhǎng)度約14 900 mm入口通道長(zhǎng)度 約14 520 mm加熱爐外形長(zhǎng)度 約45 240 mm速冷段長(zhǎng)度 約14 400 mm緩冷段長(zhǎng)度 約13 000 mm出口真空室（含出口隔離室門(mén)）長(zhǎng)度約14 400 mm出口輥臺(tái)長(zhǎng)度 約13 990 mm

設(shè)備總長(zhǎng)度 約145 000 mm包括管道的設(shè)備寬度 約4 500 mm

設(shè)備總高度 約6 000 mm

3 輥底式回火光亮爐設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

回火爐的總體結(jié)構(gòu)與正火爐的相似，由入口輥臺(tái)、入口真空室、入口通道、回火爐、緩冷段、出口密封箱、出口輥臺(tái)等組成，其布置如圖3 所示。

圖3 回火爐總體結(jié)構(gòu)布置

3.2 工藝流程

鋼管經(jīng)上料入口輥臺(tái)快速進(jìn)入入口真空室，在入口真空室內(nèi)進(jìn)行抽真空、充N(xiāo)2；然后鋼管快速進(jìn)入入口通道，在入口通道內(nèi)保持一定的距離連續(xù)進(jìn)入回火爐。鋼管在回火爐內(nèi)以相同的速度前進(jìn)，完成加熱、均溫、調(diào)溫出爐的熱處理過(guò)程。接著在緩冷段內(nèi)根據(jù)不同的可供選擇的冷卻模式完成工藝要求的冷卻過(guò)程。冷卻后的鋼管通過(guò)出口密封箱快速進(jìn)入下料出口輥臺(tái)。

3.3 主要參數(shù)

輥底式回火光亮爐的主要參數(shù)如下。

爐膛高度 520 mm

爐膛寬度 1 770 mm

爐輥有效寬度 1 520 mm

入口輥臺(tái)長(zhǎng)度 約12 130 mm

入口真空室（含真空室門(mén)）長(zhǎng)度 約14 900 mm

入口通道長(zhǎng)度 約14 520 mm

回火爐外形長(zhǎng)度 約39 000 mm

緩冷段長(zhǎng)度 約51 000 mm

出口密封箱長(zhǎng)度 約2 500 mm

出口輥臺(tái)長(zhǎng)度 約11 510 mm

設(shè)備總長(zhǎng)度 約145 000 mm

包括管道的設(shè)備寬度 約4 000 mm

設(shè)備總高度 約4 000 mm

4 生產(chǎn)實(shí)踐

10Cr9Mo1VNbN/SA 335 P91 是應(yīng)用在超臨界、超超臨界電站鍋爐上的關(guān)鍵材料，其幾何尺寸及性能要求較高［7-9，13-14］。現(xiàn)以Φ273 mm×28.6 mm規(guī)格P91 鋼管為例，以說(shuō)明該輥底式光亮爐的生產(chǎn)實(shí)踐情況。

4.1 熱處理工藝

正火工藝：溫度1 060 ℃，保溫25 min，空冷；回火工藝：溫度760 ℃，保溫90 min，空冷。

4.2 淬火硬度檢驗(yàn)

對(duì)淬火后的P91 鋼管進(jìn)行四象限硬度試驗(yàn)分析，每象限內(nèi)、中、外各測(cè)3 點(diǎn)，取平均值，其硬度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。試驗(yàn)結(jié)果表明：P91 鋼管淬火后的硬度極差最大不超過(guò)1 HRC，說(shuō)明淬火均勻。

表1 P91 鋼管淬火后的硬度檢測(cè)平均值 HRC

4.3 淬火組織分析

P91 鋼管淬火后的金相組織如圖4 所示。從圖4 可以看出：P91 鋼管的淬火組織比較均勻，均為淬火低碳板條馬氏體，晶粒度為7.0～8.5 級(jí)。

4.4 回火組織分析

P91 鋼管回火后的金相組織如圖5 所示。鋼管回火后組織均勻，均為回火索氏體，脫碳層 ∧0.1 mm，晶粒度為7.5～8.5 級(jí)（標(biāo)準(zhǔn)要求≥4 級(jí)，極差≤3 級(jí)［13］）。

4.5 室溫拉伸試驗(yàn)

對(duì)P91 鋼管進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，試樣規(guī)格為Φ10 mm，標(biāo)距為50 mm，結(jié)果見(jiàn)表2。從表2 可以看出：P91 鋼管經(jīng)光亮爐處理后的性能比較均勻。

圖4 P91 鋼管淬火后的金相組織

表2 P91 鋼管的室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果

4.6 室溫沖擊試驗(yàn)

對(duì)P91 鋼管進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為20 ℃，結(jié)果顯示P91 鋼管的橫向沖擊值為189~221 J，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GB 5310—2008 標(biāo)準(zhǔn)［13］要求的橫向沖擊功≥27 J，且非常穩(wěn)定。

4.7 硬度試驗(yàn)

對(duì)完成熱處理后的P91 鋼管進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。從表3 可以看出：熱處理后的P91 鋼管，其布氏、洛氏、維氏3 種硬度值都在合格范圍內(nèi)，且各象限硬度值都比較均勻。

表3 P91 鋼管的硬度試驗(yàn)結(jié)果

4.8 高溫性能

經(jīng)寶山鋼鐵股份有限公司研究院檢驗(yàn)P91 鋼管的高溫性能，其瞬時(shí)高溫強(qiáng)度及高溫持久蠕變強(qiáng)度均滿足GB 5310—2008 標(biāo)準(zhǔn)［13］要求。

4.9 氧化及彎曲

觀察熱處理后P91 鋼管表面狀態(tài)，基本上保持了進(jìn)爐前的狀態(tài)。進(jìn)爐前，鋼管的內(nèi)、外壁沒(méi)有脫碳現(xiàn)象，如圖6（a）～（b）所示；熱處理后，鋼管的內(nèi)、外壁同樣沒(méi)有脫碳現(xiàn)象，也沒(méi)有再生氧化鐵皮生成，如圖6（c）～（d）所示。對(duì)鋼管熱處理前后的彎曲度進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果顯示彎曲度沒(méi)有變化。

但需要特別注意的是：鋼管進(jìn)爐前的氧化鐵皮必須清理干凈，否則氧化鐵皮脫落后堆積在爐底很難清理。另外，鋼管出爐后由200 ℃冷卻到室溫仍需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在繼續(xù)冷卻過(guò)程中有時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲現(xiàn)象。如果在冷卻臺(tái)架上設(shè)計(jì)幾個(gè)旋轉(zhuǎn)冷卻工位，對(duì)消除鋼管出爐后的彎曲現(xiàn)象是非常有利的。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前，煙臺(tái)寶鋼的輥底式光亮爐是國(guó)內(nèi)生產(chǎn)能力較大的輥底式光亮爐之一，其緊緊圍繞著生產(chǎn)大直徑、厚壁、高合金高壓鍋爐管產(chǎn)品，采取了一系列技術(shù)進(jìn)步措施，主要有：①正火爐前后帶有真空室，加熱爐采用輻射管加熱，并增加了保護(hù)氣氛，防止了鋼管的氧化；②加熱爐采用鋼管加熱計(jì)算數(shù)學(xué)模型，跟蹤鋼管在加熱爐內(nèi)運(yùn)行的所有數(shù)據(jù)，包括其性能；③采用鋼管冷卻控制計(jì)算模型，在線對(duì)需要處理的鋼管材料及規(guī)格進(jìn)行離線模擬計(jì)算和設(shè)計(jì)，并與設(shè)定的冷卻曲線自動(dòng)比較，根據(jù)偏差數(shù)值自動(dòng)修正和調(diào)節(jié)噴冷運(yùn)行參數(shù)，確保鋼管的冷卻速度，進(jìn)而保證鋼管組織的轉(zhuǎn)變，保證產(chǎn)品的性能；④采用鋼管在爐內(nèi)連續(xù)運(yùn)行和全長(zhǎng)節(jié)拍式運(yùn)行兩種方式處理不同壁厚的鋼管，既滿足了不同規(guī)格、材質(zhì)鋼管的不同工藝?yán)鋮s（快冷、緩冷）要求，又實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的。

圖6 P91 鋼管熱處理前后組織狀態(tài)

生產(chǎn)實(shí)踐證明：煙臺(tái)寶鋼所生產(chǎn)的高壓鍋爐管組織均勻，性能合格且穩(wěn)定，幾乎沒(méi)有氧化和彎曲現(xiàn)象，說(shuō)明新建的輥底式光亮爐所采取的技術(shù)進(jìn)步措施是成功有效的，可為同類(lèi)熱處理機(jī)組的建設(shè)提供借鑒。

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