呂長(zhǎng)海1，李晶1，史成斌1，閆威1，鄭從杰2
（1.北京科技大學(xué)鋼鐵冶金新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.鋼鐵研究總院工藝所，北京 100083）
摘 要：文中從濺渣用爐渣要求、濺渣加料時(shí)機(jī)及種類、濺渣工藝參數(shù)、濺渣過(guò)程中幾類現(xiàn)象開(kāi)展濺渣工藝技術(shù)研究，提出濺渣用爐渣要求在一定溫度范圍內(nèi)，具有較好的流動(dòng)性、粘性、抗高溫侵蝕性。圍繞爐渣要求，對(duì)濺渣加料時(shí)機(jī)、種類進(jìn)行研究，得出低碳低磷鋼濺渣過(guò)程應(yīng)以熟料為主，以增加渣中碳和鎂的物料為主。在提高濺渣量和濺渣效果方面，通過(guò)濺渣水模型實(shí)驗(yàn)，研究了槍位、頂?shù)状盗髁俊⒃繉?duì)濺渣的影響，得出對(duì)濺渣量和濺渣效果影響因素大小排序?yàn)闃屛?、渣量堯頂吹流量，而底吹流量變化?duì)濺渣量和濺渣效果無(wú)影響。實(shí)際濺渣作業(yè)過(guò)程中存在較多問(wèn)題，如濺渣加料不固定、濺渣槍位不規(guī)范等，各廠應(yīng)根據(jù)自身情況開(kāi)發(fā)自動(dòng)濺渣模型，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加料和自動(dòng)濺渣，參考濺渣水模型實(shí)驗(yàn)結(jié)論動(dòng)態(tài)控制渣量、槍位等參數(shù)，以保證濺渣后爐型規(guī)則、爐壁濺渣層厚度均勻。
關(guān)鍵詞：低碳低磷鋼；濺渣；水模型試驗(yàn)；槍位；頂?shù)状盗髁?；渣?/p>
0 引 言
低碳低磷鋼爐渣一般都具有較高的氧化性和堿度，與生產(chǎn)普碳鋼相比，濺渣護(hù)爐時(shí)，因爐渣稀，調(diào)渣時(shí)間長(zhǎng)、起渣慢、濺渣層薄，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)濺渣層不耐侵蝕現(xiàn)象[1，2]。因此，有必要對(duì)低碳低磷鋼種濺渣護(hù)爐開(kāi)展系統(tǒng)研究。
濺渣護(hù)爐用爐渣要求在一定溫度范圍內(nèi)，具有較好的流動(dòng)性、粘性、耐侵蝕性[3，4]。濺渣后能快速的與爐襯耐火材料相結(jié)合，爐渣在濺渣層冷卻后生成高熔點(diǎn)相，具備抗渣侵蝕的能力，流動(dòng)性與爐渣的溫度、熔點(diǎn)、固相率等有一定關(guān)系。粘性與爐渣的溫度、成分及渣中未熔顆粒物含量等相關(guān)。因此，通過(guò)調(diào)渣滿足濺渣用爐渣的要求，保證濺渣層耐侵蝕、掛渣效果好、縮短濺渣時(shí)間，實(shí)現(xiàn)又快又好濺渣，達(dá)到保護(hù)爐襯的目的。濺渣用爐渣的要求見(jiàn)圖 1。
1 濺渣加料對(duì)濺渣效果的影響
生產(chǎn)低碳低磷鋼種時(shí)，為保證濺渣作業(yè)順行進(jìn)行，同時(shí)達(dá)到較好的濺渣效果，應(yīng)在濺渣前對(duì)向爐渣中加料進(jìn)行調(diào)整，保證濺渣用的爐渣在一定溫度范圍內(nèi)，具有較好的流動(dòng)性，粘性和抗高溫侵蝕性。濺渣加料的作用主要包括 3 個(gè)方面，一是調(diào)節(jié)爐渣溫度和粘結(jié)性，二是增加顆粒物含量，三是調(diào)節(jié)爐渣成分達(dá)到改變爐渣熔點(diǎn)、固相率、高熔點(diǎn)析出相等。
低碳低磷鋼濺渣用爐渣可近似看作牛頓流體，根據(jù)牛頓粘性定律可知，牛頓流體是指在受力后極易變形，切應(yīng)力與變形速率成正比的低粘性流體。從流體力學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，凡是服從牛頓內(nèi)摩擦定律的流體稱為牛頓流體。因此，濺渣用爐渣可近似看做牛頓流體。牛頓內(nèi)摩擦定律表達(dá)式：τ=μy； 內(nèi)摩擦定律是指在溫度不變的條件下，內(nèi)摩擦力隨著流速梯度的變化而變化，μ值始終保持常數(shù)，內(nèi)摩擦力使流體流動(dòng)減慢；又稱粘性力，流體在流動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)的這種性質(zhì)稱為粘性，度量粘性大小的物理量稱為粘度。在轉(zhuǎn)爐濺渣過(guò)程中，y剪切速率基本相同，那么影響τ的大小取決于μ值。 μ為粘度、粘性系數(shù)-運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或動(dòng)力粘性系數(shù)，其主要影響因素為院溫度（T）、成分、顆粒物。液體（液相）隨溫度的升高粘度、粘性系數(shù)-運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)或動(dòng)力粘性系數(shù)降低，反之升高。
從牛頓粘性定律可以看出，調(diào)節(jié)爐渣的粘性和流動(dòng)性，與爐渣的溫度（T）、爐渣成分、爐渣中顆粒物含量有直接的關(guān)系，爐渣的耐侵蝕性與爐渣的成分直接相關(guān)。因此，在實(shí)際濺渣調(diào)渣過(guò)程中，應(yīng)特別注意爐渣溫度、成分、顆粒物的變化，尤其是濺渣加料的時(shí)機(jī)、種類對(duì)此造成的影響。
濺渣用料的種類較多，一般鋼廠使用石灰石、生白云石、石灰、鎂球、爐渣調(diào)整劑等。濺渣用料的加入時(shí)機(jī)應(yīng)遵循物料本身所需要的分解溫度和分解時(shí)間，使用生料與孰料相比較，需要更高的溫度和更長(zhǎng)的時(shí)間。在生產(chǎn)石灰和輕燒白云石時(shí)，其出灰時(shí)間分別為每 10 min 和 30 min 出灰，石灰石和生白云石高溫煅燒時(shí)間遠(yuǎn)大于濺渣時(shí)間，在生產(chǎn)過(guò)程中如使用石灰石和生白云石調(diào)渣，所起到的作用主要為調(diào)節(jié)爐渣的溫度，另外兩方面發(fā)揮作用較小。 如為降低濺渣成本必須使用生料時(shí)，該類物料加入的時(shí)間，應(yīng)在出鋼階段之前加。濺渣用料中的熟料鎂球堯石灰、輕燒白云石等，可根據(jù)鋼種溫度調(diào)節(jié)加入時(shí)機(jī)，出鋼溫度較低時(shí)可考慮在出鋼前加部分，濺渣階段再加入部分，或全部加在濺渣階段，加料時(shí)機(jī)見(jiàn)圖 2。
為保證在生產(chǎn)低碳低磷鋼種時(shí)高質(zhì)量快速濺渣，濺渣階段物料的加入種類應(yīng)以熟料和爐渣調(diào)整劑為主，爐渣調(diào)整劑建議使用含碳量高，高溫下碎裂性好的產(chǎn)品，加入量大時(shí)分批加入。盡量不加生料，如后期溫度高，需要調(diào)節(jié)溫度時(shí)，生料應(yīng)在出鋼前加入。總之，生產(chǎn)低碳低磷鋼時(shí)濺渣加料應(yīng)以增加碳和鎂的物料為主，實(shí)現(xiàn)爐渣改質(zhì)的同時(shí)保證爐渣的流動(dòng)性及粘性，以保證良好的濺渣效果。
2 濺渣工藝參數(shù)對(duì)濺渣效果的影響
為深入研究濺渣相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)濺渣效果的影響，設(shè)計(jì)濺渣水模型試驗(yàn)，開(kāi)展相關(guān)研究，按照1：7 比例模型制作試驗(yàn)用濺渣轉(zhuǎn)爐[5-9]，采用水模模擬研究實(shí)際的濺渣過(guò)程，見(jiàn)圖 3。
在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，耳軸中心線上下部位濺渣層較薄弱，因此，在模擬過(guò)程中特別對(duì)該位置進(jìn)行研究。在水模設(shè)計(jì)過(guò)程中，從轉(zhuǎn)爐上部往下共設(shè) 計(jì) 8 個(gè)水槽，水模試驗(yàn)開(kāi)始后，將每次試驗(yàn)得到的 8個(gè)水槽中的水量視為不同部位的濺渣量，以此開(kāi)展試驗(yàn)研究。模型中 1~8 部位對(duì)應(yīng)的實(shí)際高度與轉(zhuǎn)爐距爐底的高度一一對(duì)應(yīng)，轉(zhuǎn)爐耳軸位置距爐底為 3.73 m，在水模型設(shè)計(jì)圖中，第 5 部位實(shí)際高度 為 4.03 m，第 6 部位實(shí)際高度為 3.33 m，相同高度對(duì)應(yīng)的位置在第 5~6 位置之間，如圖 4 所示。
為系統(tǒng)研究濺渣工藝參數(shù)對(duì)濺渣的影響，從頂?shù)状盗髁?、留渣量、槍位等方面開(kāi)展水模擬試驗(yàn)，詳細(xì)分析工藝參數(shù)對(duì)耳軸部位及整個(gè)爐襯的濺渣效果影響，通過(guò)設(shè)計(jì)不同組參數(shù)，模擬實(shí)際濺渣過(guò)程袁 具體如下。
2.1 槍位對(duì)濺渣效果的影響
試驗(yàn)設(shè)計(jì)院在頂吹流量為 32 000 m3/h、底吹流量為 200 m3/h 的情況下，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)爐留渣量分別為 80 kg/t、100 kg/t、120 kg/t，觀察模型槍位從 1.7 m逐步提升至 2.3 m 時(shí)，槍位對(duì)濺渣效果的影響，分別見(jiàn)表 1、圖 5、圖 6、圖 7。
從圖 5 可以看出，在固定頂?shù)状盗髁康那闆r下，濺渣渣量在 80 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位大于 2.1 m 時(shí)增長(zhǎng)趨勢(shì)不明顯。
從圖 6 可以看出，在固定頂?shù)状盗髁康那闆r下，濺渣渣量在 100 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位在 1.9~2.1 m 時(shí)，首次出現(xiàn)增長(zhǎng)緩慢現(xiàn)象，大于 2.2 m 后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。
從圖 7 可以看出，在固定頂?shù)状盗髁康那闆r下，濺渣渣量在 120 kg/t 的情況下，爐襯 1~5 部位的濺渣量隨槍位變化不大，爐襯 6~8 部位隨著槍位的提高濺渣量逐漸增多，槍位在 1.9~2.1 m 時(shí)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)拐點(diǎn)。采用極限思維，隨著氧槍槍位的不斷提高，氧槍距爐底的高度越高，爐渣接觸到氧槍氣流沖擊力越小，濺起的渣量越小，槍位大于 2.1 m后出現(xiàn)降低趨勢(shì)，氧槍槍位對(duì)濺渣的影響存在極大值袁即最佳槍位，H/D=0.35~0.42。由此可判斷，在該渣量下槍位為 2.1 m 時(shí)爐襯濺渣量最大，濺渣渣量最大并不代表濺渣效果最好，應(yīng)根據(jù)爐型和爐襯需要作出相應(yīng)調(diào)整。
從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，槍位對(duì)爐襯下部的濺渣量影響較大，在相同槍位不同渣量的情況下，低槍位濺渣時(shí)袁爐襯各部位的濺渣量偏少，濺渣層薄弱，從上至下?tīng)t襯的濺渣量逐漸增加，形成中上部薄弱，下部偏厚；中槍位濺渣時(shí)，爐襯各部位的濺渣量增多，濺渣層增厚，從上至下?tīng)t襯的濺渣量逐漸增加，形成上部薄弱，中部適當(dāng)增厚，下部偏厚；高槍位濺渣時(shí)，爐襯各部位的濺渣量增多明顯，濺渣層較厚，從上至下?tīng)t襯的濺渣量逐漸增加，上部 適當(dāng)增厚，中部增厚，下部偏厚。低槍位、中槍位、高槍位濺渣分別見(jiàn)圖 8。
因此，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)爐襯厚度變化情況，設(shè)計(jì)不同的濺渣槍位，不能單一高槍位或低槍位濺渣，應(yīng)高低槍位配合，實(shí)現(xiàn)爐襯濺渣層上、中、下部的均勻分布，保證濺渣效果的同時(shí)，保持爐型規(guī)則。水模試驗(yàn)顯示，當(dāng)槍位控制在 1.8 m約H約 2.2 m 時(shí)，能增加耳軸部位的濺渣量，在實(shí)際濺渣過(guò)程中，槍位控制應(yīng)高低搭配，根據(jù)爐役不同時(shí)期爐襯的薄弱位置，靈活選擇槍位控制。
2.2 頂?shù)状盗髁繉?duì)濺渣效果的影響
1）頂吹流量試驗(yàn)設(shè)計(jì)院根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中常用槍位、實(shí)際渣量及底吹情況，設(shè)定固定槍位為 1.8 m、渣量 120 kg/t，底吹流量 200 m3/h，頂吹流量設(shè)定從 30 000~32 000 m3/h 之間變化，觀察頂吹流量變化時(shí)對(duì)濺渣效果的影響，見(jiàn)表 2、圖 9。
從圖 9 可以看出，在固定槍位、渣量、底吹流量的情況下，濺渣渣量從爐襯上部往下部逐漸增多，不同頂吹流量的趨勢(shì)一致；爐襯從上部第 1 部位距爐底 6.83 m 的位置開(kāi)始，至第 3 部位距爐底 5.43 m的位置之間，隨著頂吹流量從 30 000 m3/h 增加至 33 000 m3/h 時(shí)，濺渣量基本相同；但是，爐襯從上部第 4 部位距爐底 4.73 m 的位置開(kāi)始，至第 8 部 位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著頂吹流量從30 000 m3/h 增加至 33 000 m3/h 時(shí)，濺渣量逐漸增加；即在相同槍位、渣量、底吹流量的情況下，頂吹流量的變化對(duì)爐襯中下部濺渣渣量影響明顯，越靠近下部影響越大，對(duì)上部影響不明顯。
2）底吹流量試驗(yàn)設(shè)計(jì)院根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中常用槍位、實(shí)際渣量及底吹情況，設(shè)定固定槍位為 1.8 m、渣量 120 kg/t、頂吹流量 32 000 m3/h，底吹流量設(shè)定從 200~320 m3/h 之間變化，觀察底吹流量變化時(shí)對(duì)濺渣效果的影響，見(jiàn)表 3、圖 10。
從圖 10 可以看出，在固定槍位、渣量、頂吹流量的情況下，濺渣渣量從爐襯上部往下部逐漸增多，不同底吹流量的趨勢(shì)一致；爐襯從上部第 1 部 位距爐底 6.83 m 的位置開(kāi)始，至第 8 部位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著底吹流量從 200 m3/h 增 加至 320 m3/h 時(shí)，濺渣量基本相同，即底吹流量的變化對(duì)爐襯上中下部濺渣渣量影響不明顯。即在相同槍位、渣量、頂吹流量的情況下，底吹流量對(duì)濺渣效果幾乎沒(méi)有影響。
2.3 渣量對(duì)濺渣效果的影響
試驗(yàn)設(shè)計(jì)院根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)中常用槍位、頂?shù)状登闆r，設(shè)定固定槍位為 1.8 m、頂吹流量 32 000 m3/h、底吹流量 200 m3/h，渣量從 80~120 kg/t 之間變化，觀察渣量變化時(shí)對(duì)濺渣效果的影響，見(jiàn)表 4、 圖11。
從圖 11 可以看出，在固定槍位、頂?shù)状盗髁康那闆r下，隨著渣量增大，從爐襯上部往下部的濺渣量逐漸增多，不同渣量的趨勢(shì)一致；爐襯從上部 第 1 部位距爐底 6.83 m 的位置開(kāi)始，至第 3 部位距爐底 5.43 m 的位置之間，隨著渣量從 80 kg/t 增加至 120 kg/t 時(shí)，濺渣量基本相同；但是，爐襯從上部第 4 部位距爐底 4.73 m 的位置開(kāi)始，至第 8 部位距爐底 1.93 m 的位置之間，隨著渣量從 80 kg/t增加至 120 kg/t 時(shí)，濺渣量逐漸增加，而且越靠近下部增加量越大；即在相同槍位、頂?shù)状盗髁康那闆r下，渣量的變化對(duì)爐襯中下部濺渣量影響明顯，渣量越大濺渣量越大，越靠近爐底濺渣量越大，對(duì)上部影響不明顯。
通過(guò)濺渣水模實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同槍位、頂吹流量、渣量對(duì)濺渣量的多少有直接關(guān)系，對(duì)爐襯中下部位濺渣層有一定影響，特別是靠近爐底的部分尤為明顯，按照影響大小排序?yàn)闃屛卉S渣量躍頂吹流量。因此，在日常生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)于爐底部位的控制，應(yīng)重視槍位、頂吹流量、渣量的影響，特別是對(duì)實(shí)際操作影響較大的爐底高度，更應(yīng)注意防范，爐底保持不變或略微上漲，控制在 100 mm 以內(nèi)浮動(dòng)。
3 實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中幾種典型濺渣操作分析
在低碳低磷鋼生產(chǎn)時(shí)，一般都向爐渣中加入濺渣料調(diào)渣，其加入時(shí)機(jī)及濺渣槍位的控制對(duì)濺渣效果影響較大，爐渣改質(zhì)及濺渣槍位的控制對(duì)爐襯濺渣層的分布有影響，具體見(jiàn)以下幾種典型的濺渣作業(yè)。18105863 爐次濺渣開(kāi)始時(shí)間為 13：25：02，濺渣加料時(shí)間為 13：26：54，濺渣加料在開(kāi)始濺渣后 2 min 左右加入，時(shí)間偏靠后，加入生料石灰石 310 kg，通過(guò)前面分析可知，不建議在濺渣階段使用生料，加入時(shí)機(jī)偏后且使用生料，都難以保證良好的濺渣效果，同時(shí)中高槍位時(shí)間偏短，不利于耳軸部位濺渣，見(jiàn)圖 12。
18205648 爐次的濺渣調(diào)渣時(shí)間接近總濺渣時(shí)間的 50%，雖濺渣加料在前期完成，但是調(diào)渣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、有效濺渣時(shí)間偏短，低槍位時(shí)間長(zhǎng)、中高槍位濺渣時(shí)間短，耳軸部位濺渣量小、濺渣層薄，難以保證良好的爐型，見(jiàn)圖 13。
18105656 爐次的濺渣調(diào)渣時(shí)間為總濺渣時(shí)間的 30%，濺渣加料在前期完成，中后期逐步降槍濺渣，保證有效濺渣時(shí)間，濺渣中以低槍位為主，中高槍位時(shí)間短，薄弱的耳軸部位濺渣量小、濺渣層偏薄，見(jiàn)圖 14。
18105866 爐次的濺渣總時(shí)長(zhǎng) 140 s，因冶煉節(jié)奏緊張，影響總濺渣時(shí)間短，造成濺渣量減少、渣層偏薄，濺渣槍位以中槍位為主，能增加薄弱的耳軸部位濺渣量，見(jiàn)圖 15。
18105887 爐次濺渣低槍位時(shí)間偏長(zhǎng)，低槍位時(shí)間占總時(shí)間的近 50%. 濺渣中槍位時(shí)間較短，以高槍位與低槍位濺渣，容易造成爐襯內(nèi)部濺渣層不均、爐型不規(guī)則。中高槍位時(shí)間短，薄弱的耳軸部位濺渣量小、濺渣層偏薄，見(jiàn)圖 16。
4 結(jié) 論
1）低碳低磷鋼濺渣加料應(yīng)遵循物料分解所需要的溫度和時(shí)間原則，在濺渣階段加料應(yīng)以熟料為主，為降低生產(chǎn)成本使用生料時(shí)，應(yīng)在出鋼前加入。濺渣加料種類應(yīng)以增加含碳和鎂的物料為主，調(diào)節(jié)爐渣改質(zhì)的同時(shí)保證爐渣的流動(dòng)性及粘性，取得良好濺渣效果。
2）從濺渣水模試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，槍位對(duì)爐襯下部的濺渣量影響較大，槍位為 2.1 m 時(shí)爐襯總濺渣量最大。在相同槍位不同渣量的情況下，隨著渣量的增加濺渣總量增加；低槍位濺渣時(shí)，爐襯各部位的濺渣總量少，隨著槍位的提高，爐襯總濺渣量逐漸增加；爐襯從上往下，濺渣層分布為中上部薄弱、下部偏厚；中槍位濺渣時(shí)，爐襯各部位的濺渣量增多，濺渣層增厚，從上至下?tīng)t襯的濺渣量逐漸增加，形成上部薄弱，中部適當(dāng)增厚，下部偏厚；高槍位濺渣時(shí)，爐襯各部位的濺渣量增多明顯，濺渣層較厚，從上至下?tīng)t襯的濺渣量逐漸增加，上部適當(dāng)增厚，中部增厚，下部偏厚。根據(jù)不同的槍位特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)爐型，靈活搭配槍位控制。
3）在相同槍位、渣量、底吹流量的情況下，頂吹流量從 30 000 m3/h 增加至 32 000 m3/h 時(shí)，對(duì)爐襯中下部濺渣渣量影響明顯，越靠近下部影響越大，對(duì)上部影響不明顯。在相同槍位、渣量、頂吹流量的情況下，底吹流量從 200 m3/h 增加至 320 m3/h時(shí)，對(duì)濺渣效果幾乎沒(méi)有影響。
4）在固定槍位、頂?shù)状盗髁康那闆r下，渣量從80 kg/t 增加至 120 kg/t 時(shí)，濺渣量逐漸增加，而且越靠近下部增加量越大；在相同槍位、頂?shù)状盗髁康那闆r下，渣量的變化對(duì)爐襯中下部濺渣量影響明顯，渣量越大濺渣量越大，越靠近爐底濺渣量越大，對(duì)上部影響不明顯。
5）通過(guò)濺渣水模實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同槍位、頂吹流量、渣量對(duì)濺渣量的多少有直接關(guān)系，對(duì)爐襯中下部位濺渣層有一定影響，特別是靠近爐底的部分尤為明顯，按照影響大小排序?yàn)闃屛?、渣量、頂吹流量?nbsp;
6）在實(shí)際濺渣操作過(guò)程中，各班組的濺渣槍位及加料控制較為隨意，沒(méi)有形成統(tǒng)一的控制標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，建議各廠根據(jù)自身鋼種及終點(diǎn)控制情況，開(kāi)發(fā)自動(dòng)濺渣模型，實(shí)現(xiàn)同一操作。根據(jù)模擬試驗(yàn)動(dòng)態(tài)控制留渣量和濺渣槍位，以保證濺渣后爐型規(guī)則，爐壁濺渣層厚度均勻?yàn)樵瓌t。
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