CN101248218A - 用于大功率铝电解池的模块母线布置 - Google Patents

Abstract

一种用于电解池的母线布置，所述电解池被用于通过对熔融冰晶石盐类的电解法制铝，其中的电解池配置为并排成列，在独立的母线模块中，组合了上游电解池的上游阴极收集器和下游阴极收集器、电连接布置、以及与下游电解池相连的阳极立母线。在每个模块中，至少一个阳极立母线位于下游电解池的上游侧，而至少一个阳极立母线位于下游电解池的下游侧。在下游电解池的上游侧处的阳极立母线与上游电解池的下游侧的阴极棒和阴极收集器连接。上游和下游的阳极立母线相对于电解池的平面短轴基本上是对称的。

Description

用于大功率铝电解池的模块母线布置

技术领域

本发明涉及铝的生产，更具体说，涉及在并排成列的电解池中通过熔融冰晶石盐类的电解而生产铝。

背景技术

在电解车间中对于并排成列的铝电解池的母线布置是本技术领域内所公知的。这样的母线通常包含与相关阴极柔性导体组合在一起的收集母线，所述导体沿着电解池的上游和下游的纵向排布。位于电解池上游侧的阳极立母线(riser)用于传输相似的电流。下游电解池的阳极母线通过立母线与相邻的上游电解池连接。以这样的方式，外立母线通过沿电解池横向定位的柔性导体与上游电解池的上游侧的外阴极收集器连接。外立母线也与上游电解池的下游侧的收集阴极母线或阴极收集器连接。

中间立母线通过柔性阴极导体与电解池的上游侧的中间阴极收集器或收集母线连接，所述导体对称地定位在电解池末端邻接的阴极块的下方。中间立母线也与上游电解池的下游侧的阴极收集器或收集阴极母线连接。位于电解池底部的下方并在邻近一列电解池附近的母线传输电解池上游侧15％的电流。另一方面，另一个母线传输上游侧10％的电流。中间母线也位于电解池底部的下方，并延伸到在该列电解池的纵轴和相对于邻近一列电解池侧上的电解池端部之间的中点。该母线传输上游侧5％的电流。以上所讨论的母线布置在法国专利No.2,552,382中详述。

以上所讨论的在先技术的母线布置的主要缺点之一是限制了使用高功率/电流量的电解池，即，使用超过350kA的电流量进行操作的电解池。这样的母线和立母线的设计会受到各种限制。其中的一个限制是：应将母线和立母线布置成使电解池中感应的普通磁场最小化。具体地说，这种磁场的垂直分量应最小化。所感应的磁场垂直分量与熔融金属液层内电流的水平分量相互作用，从而产生能以不同方式影响金属液层的不同区域的水平力。这些力可导致不希望有的金属移动、金属表面隆起、以及波的形式。这些干扰必然会使电解池中阳极到阴极所需的距离更大，也必然会增加电解池的内阻。在母线操作中，重要的是：通过包络端部的母线布置，补偿在该电解池的端部的磁场的垂直分量。在电解池的运作区的端部所包络的场磁的垂直分量通常由阳极立母线的横向部分、阳极母线之间的母线连接器、以及阴极母线形成，所述阴极母线延伸在电解槽底部的下方。为了使电解池端部处的磁场的垂直分量的数值最佳化(不超过15-20G)，通常必须使电解池的上游侧的几乎全部电流流过包络各个电解池端部的母线。结果，在制铝装置中，从上游电解池的阴极收集棒延伸到相邻的下游电解池的阳极母线的母线，要比在下游侧的收集棒的母线部分长得多。为了在电解池的上游和下游侧的阴极收集棒内提供电流的均匀分布，并且减少熔融体内横向电流，必须在母线的分支中提供等量的电阻，该母线的分支系从上游电解池的上游和下游侧的阴极收集棒到下游电解池的阳极母线。这样的等量电阻反映在表达式[1]中。

R_上游＝R_下游    [1]

[2]

因为L_上游＞L_下游，因此S_上游＞S_下游。

在上游处收集棒的母线截面积受其传输的电流密度限制。这样的截面积与通过其间的电流密度的比值不应该超过0.75A/mm²。在上游侧收集棒的截面积由表达式[2]求得。

从以上表达式可知：电解池所需的电流量越高，在上游和下游侧处母线分支的长度差越大，在上游和下游侧处母线的截面积越大，结果，则母线就越重。于是，为了适应如此大而重的母线，在母线装配中的电解池之间需要相当大的距离。因此，使用由基于以上讨论的在先技术的原理制备和安装的母线的制铝电解池，在电流量超过350kA时成为无竞争力的。在这样高的电流量时，母线的重量和电解池间的距离过分大，这是不许可的。

专利文献SU 1595345揭示了一种用于配置成并排二列的电解池的母线装置。该母线包含通过阳极棒连接到阳极上的阳极母线。它还包括连同关联的阴极棒和柔性电连接器的阴极母线收集器，所述电连接器在阴极外壳的上游和下游侧向外延伸。该在先技术的母线还包括连接阴极母线和阳极母线的连接母线和磁场校正电路的母线。这些元件在阴极外壳的端部处被设置成平行于制铝用的电解池的横轴。在上游电解池的阴极母线和下游电解池的阳极母线之间的连接按照由二个半立母线组成的母线模块来进行。一个半立母线固定连接到在电解池上游侧的阴极收集器上。该侧与四个柔性电连接器连接。另一个半立母线通过位于阴极外壳底部的下面的平线连接，并且还与电解池上游侧处的柔性阴极连接器连接。应注意：位于阴极外壳底部的下面的连接平线被设置成平行于制铝用的电解池的横轴，并且相互平行。电流以与电解槽电流方向相同的方向供给校正电路。磁场的校正电流优选为电解槽电流的20-80％。

在SU1,595,245中讨论的在先技术的母线的缺点之一是使用独立的磁场校正布置。该布置由二个导体组成，该导体在电路中沿着电解池的两端按电解槽系列中电流的方向延伸。校正电流为电解槽系列中电流的20-80％。例如，当电解槽系列中的电流为500kA时，则校正电流可为400kA。由于以上讨论的校正母线的存在，因此使母线的布置又重又大。每个电解池的附加重量约14吨。使用了以上讨论的较重的校正电路，由于在校正电路中的电压降，引起电力消耗的增加。以上种种最终致与校正电路关联的生产区域的建造和维修的成本增加。例如，当电流量为400kA时，校正母线布置可由16根母线组成，而每根母线的横截面积为650×700mm。这样重而大的母线布置的总宽度约二米。

电流在电源导体中和在电解池的电部分通过时产生磁场，该磁场引起电解液内不希望有的金属运动，从而致金属-电解液界面的变形。所述金属的运动搅动了位于阳极下方的电解液，并且在液态金属和阳极发生接触时，会致电解槽内元件的短路。在这种情况下，电解的产率显著下降，并且电力消耗增加。

已知金属电解液界面和液态金属的运动主要取决于磁场的垂直分量的数值和水平分量的对称性。使在磁场中垂直分量的数值最小化，这会引起金属层的最高点和最低点之间的距离明显下降，以及磁力的下降，所述磁力在金属层中上起干扰。因此，非常希望使在液态金属中磁场的垂直分量最小化，以及减少电解池内液态金属和电解液的循环。

本发明的目的之一是：通过增加电流量和减少母线重量来增加电解池的单位容量，从而降低操作成本。

本发明的另一目的是：减少在熔融体中不利的磁致流体动力学的影响、消除校正电路、使磁场最佳化、以及减少电力的实际消耗。本发明还有一个目的是：提供一种能使电解池被设置成尽可能相互接近的布置。这样就能减少了电解车间的实际操作成本，并为人员的走动和维修留在充分畅通的通道，因此是非常希望的。

附图说明

图1是本发明电解池模块的平面示意图；

图2是显示两个相邻电解池的截面图，说明本发明模块中电流从上游电解池到下游电解池的传输；

图3是说明在具有图2和图3的母线结构的电解池的金属液层处磁场的垂直分量(Bz)的透视图；

图4是图示说明根据本发明的在金属液层处磁场的垂直分量(Bz)的分布，其中在下游电解池的下游阳极立母线中无电流通过；

图5是图示说明根据本发明的金属液层处磁场的垂直分量(Bz)的分布，其中在下游电解池的上游阳极立母线中无电流通过；

图6是图示说明根据本发明的在金属液层处磁场的垂直分量(Bz)的分布，其中在下游电解池的上游阳极立母线和下游阳极立母线中有电流通过；以及

图7是显示本发明模块中上游电解池和下游电解池的示意图。

具体实施方式

图1、图2和图7显示了横向成列设置的电解池，其长度方向与电流总方向垂直。本发明的单元，相对于作为参照的电流方向，根据其从各个电解池的上游或下游侧的取向或者在成列电解池内的取向，被称为上游或下游。

图1说明在电解车间中许多成列设置的电解池的布置，所述电解池用连接导体呈串联状电连接，以使工厂楼层排布最佳化。图1还说明：电解池被配置成至少平行的二列，该二列电解池通过导体相互连接。因此，电解电流以级联方式从一个电解池流向下一个电解池。导体的长度和质量应尽可能小，以减少投资和操作成本。导体也被构成能减少或抵消由电解电流产生的磁场的影响。

按图7所示，“电解池的右手顶端”系指位于观察者右手侧的电解池侧，所述观察者的位置在电解池列的轴上，并按电流方向进行观察，而所述电流方向与电解池列方向交叉。术语“电解池的左手顶端”系提电解池的另一侧。

图1、图2和图7中最理想地说明了所构建成的具有长轴或纵轴Y-Y和短轴或横轴X-X的铝电解池。每个电解池包含金属外壳或阴极外壳8，所形成的外壳具有从其向外延伸的底部21和侧部22、23。外壳8的内侧衬有绝缘材料，用于支撑由多个碳质块24形成的阴极组件。阴极金属收集棒4被嵌在碳质块中，收集棒4在电解池内横向延伸到纵轴Y-Y。阴极金属棒4的一端电连接到负导体或阴极连管6，而另一端电连接到阴极连接管7。在阴极收集棒4和阴极收集器6和7之间的连接是通过柔性导体5来实施的。固定在外壳8上的是包含阳极组件的超结构，所述阳极组件包括沿着电解池的纵轴Y-Y延伸的阳极母线1。碳阳极2用金属阳极棒3从阳极母线上悬挂下来。

本发明的布置再细分成多个母线模块。在图1中说明了细分成四个模块的母线：A、B、C和D。每个模块包含了具有金属阳极棒3的阳极母线组件，所述金属阳极棒3用于向碳质阳极2供电。在每个模块中，所形成的上游电解池具有上游阴极收集器6和下游阴极收集器7，所述上游阴极收集器6设置在上游电解池的上游侧，而所述下游阴极收集器7设置在上游电解池的下游侧。阴极棒4通过柔性导体5与各个阴极收集器6和7连接。

图1和图2中最理想地说明了所形成的每个电解池具有两列由棒3支撑的平行的阳极2。阳极母线1分别由上游的和下游的棒单元1A和1B形成，并由等电位棒连接。下游电解池的阳极母线1接收由阴极棒4通过上游电解池的上游6和下游7的阴极收集器而收集到的电流。该电流通过连接母线9被输送到下游电解池的上游立母线10。通常形成的立母线或升高连接件10和11具有水平和垂直部分，从而使其在电解池的端部的上方或各侧的上方升高，形成升高的结构，所述升高结构最终连接下游电解池的阳极母线1和阴极收集器母线6和7，其中阴极收集器母线6和7被设置在上游电解池周围的下方。所形成的每个上游立母线10具有双分支结构。更具体地说，每个立母线10包含分支10A和分支10B，其中，通过至少一个连接母线9(其通向电解池底部的下面)使分支10A连接到上游电解池的下游阴极收集器7并使分支10B连接到上游阴极收集器6。

在每个模块中，阳极母线1和阳极2通过立母线10和11得到供电，其中，立母线10和11对称地设置于电解池的短轴或横轴X-X。如图1所示，与下游电解池的阳极母线的上游侧1A相关的上游阳极立母线10被连接到上游电解池的上游和下游侧的阴极棒4以及各个阴极收集器6和7。与阳极母线的下游侧1B相关的下游阳极立母线11被连接到上游电解池的阴极棒4以及下游阴极收集器7。电连接母线或布置9主要设置在阴极外壳8的底部21的下方。外母线模块A和D的连接布置9的各个部分包络各个电解池的端区，从而基本上垂直延伸到电解池内熔融金属的水平。

图1和图2说明了本发明母线布置的实施方式，其中，与阳极母线的上游侧1A相连的立母线10连接到约2/3的母线模块的收集棒上。在阳极母线的下游侧1B处的立母线11与约1/3的母线模块的收集棒连接。

虽然图1中所示的本发明的母线布置有四个母线模块，但是电解池所需的电功率由任何相应个数的母线模块组成的母线布置也包括在本发明的范围内。

在本发明的母线布置中，按如下方式操作。通过柔性导体5，使上游电解池中的电流从阴极棒4引导至各个上游6和下游7的阴极收集器。上游阳极立母线10的水平部分以及与各上游电解池相关的单元(例如，延伸在阴极外壳8底部的下方的连接母线9、阴极棒4和在下游侧的各个柔性导体5)在金属-电解液界面中产生磁场的垂直取向的分量或矢量(Bz)。更具体地说，所述磁场的垂直取向的分量(Bz)在电解池的左手顶端指向上(根据电解槽系列中电流的方向)。所述磁场的垂直分量在电解池的右手顶端指向下。下游阳极立母线11的水平部分、外模块A和D的连接母线9、以及阴极棒4和在上游电解池的上游侧的各个柔性导体5在熔融体中产生与以上讨论的导体的取向相反的磁场的垂直分量(Bz)。也就是说：磁场的垂直分量(Bz)在电解池的左手顶端指向下，而在电解池的右手顶端指向上。通过由以上的讨论的两组导体所产生的磁场的相互补偿(根据轴Bz)保证了磁场数值的最佳化(不超过15-20G)。有意义的是，与阳极母线的下游侧1B相关的阳极立母线11不再需要单独安装用于校正磁场的导线，而这在在先技术中讨论过。

上游立母线10和下游立母线11的每个水平部分在其所处位置的右侧的熔融体内(根据立母线中电流的方向)产生相对于轴(Bz)指向下的磁场，而在其所处位置的左侧产生相对于轴(Bz)指向上的磁场。该布置根据沿电解池纵向延伸的磁场垂直分量的方向提供频繁的符号交替(正或负)。如图1所示，分别与上游分支1A和下游分支1B相关的上游立母线10和下游立母线11定位成相互对置。于是，沿着电解池的纵向相对于轴(Bz)的符号交替在电解池的平面轴附近是不对称的。在每个模块的阳极立母线中的电流分布按如下所要求的方式进行选择，即选择能使熔融体内磁场的最大值不超过15-25G的电流分布。

在下游电解池的上游阳极立母线10中的电流分布是在模块电流的1/2和3/4之间。在下游电解池的下游阳极立母线11中的电流分布是在模块电流的1/2和1/4之间。上述布置在金属中提供了相对等量的体积和横向电磁力。这增强了对对称的金属液层构型、对称的凸缘、以及在工作区的冻结方面的研发，以在提高MHD稳定性方面取得积极的效果。由于电流以最短的距离从上游传送到下游电解池，因此达到了使模块中阳极一阴极间距离较短和使母线重量较小的目的。而且由于设置在电解池上游侧和下游侧的母线分支间长度类似于上述也较短，因此也会达到上述的目的。上述布置使本发明能够在母线分支中提供最大的容许电流密度，并且使其保持最小的模截面积。

在本发明中，母线设计使得开发出适用于500kA以上电流量并保持较小重量的母线布置成为可能。磁场的最佳化是基于以下原理。作用在熔融金属层上的磁场垂直分量(Bz)在形成熔融金属表面的相干和递增的振荡的电解池的基本区域上方(特别是沿着其纵轴方向)是同一方向的(正或负)。产生这种现象是由于沿着电解池所建立起来的纵向力矩引起。因此，在本发明中，通过沿着垂直分量(Bz)方向的频繁符号交替，使磁场最佳化。这种现象至少发生在沿着电解池的纵向，其中，相对于电解池的平面轴，符号由正变负和由负变正。

如图3所示，本发明的模块母线在熔融体内根据在上游侧的磁场的垂直分量(Bz)的方向产生九次符号交替，并在下游侧产生十一次符号交替。根据轴的磁场(Bz)相对于电解池的平面轴是不对称的，而且不超过25G。

使用本发明的上述母线可使电解池容量的增加。上述结果的实现是由于电流量增加到500kA以上，效率保持在93-95％和实际电力消耗在12300-13500kWh/t。

实施例1

图4说明了在电解池的熔融体中磁场垂直分量(Bz)的分布，如图所示，其中在下游电解池的阳极母线的下游侧1B上的阳极立母线中没有电流通过。该图实际上说明了具有本发明的平线布置的电解池的所计算磁感应矢量(Bz)的实验例子。在所述实施例中，在下游侧1B的阳极立母线中的电流为零。通过阳极立母线10供给母线的上游侧1A的电流为预先设定的值。从图4中的图示可知：累积在电解池端部的来自于立母线10的磁场分量(Bz)可达到高达±50G的值。而来自包络电解池端部的母线的是不足以补偿由上游立母线10产生的垂直分量(Bz)。来自于立母线侧的磁场具有波浪性质，而在其相对侧的磁场变为几乎成线性的。

所述实施例类似于在先技术中用于并列电解池为并排成列布置的母线结构的典型情况。在先技术中，在电解池端部的磁场通常由来包络电解池端部的叠层板的磁场进行补偿。然后，在先技术的补偿方法会引起母线重量的明显增加，并导致电解池之间的距离增加。用独立的导体的补偿模式也是公知的，所述独立导体沿着电解池的短轴并朝着电解槽系列中电流流动的方向延伸。在这种情况下，电流量在80-120kA之间。这种在先技术的补偿方法费用昂贵，而且需要额外的电力供应。

实施例2

图5说明了使用本发明的母线布置的电磁电解池的所计算磁感应矢量(Bz)的另一个实验例子。在上游侧1A的阳极立母线中的电流为零。在下游侧1B的阳极立母线11中的电流为预先设定的值。从图5的图示可知：在电解池的相对端部来自阳极立母线的磁场的分量(Bz)被累积，从而其值可达到高达±50G。在立母线11处的磁场是波浪性质的，而在相对于立母线侧处的磁场变为几乎成线性的。

实施例3

图6所示为根据本发明的磁场垂直分量(Bz)分布的一个例子，其中电流在上游10和下游11的阳极立母线中通过。按图中所示，磁场的垂直分量(Bz)的符号在沿着电解池纵向侧的方向发生许多次变化。用“+”和“-”的符号表示的变化相对于电解池的长轴是不对称的。在所述实施例中，分量(Bz)的值不超过±25G。

根据本发明，将立母线定位在阳极母线的上游1A和下游1B侧上有许多优点。在本发明的布置中，并不是一定要通过提供独立的母线或包络电解池端部的母线来对电解池端部的磁感应矢量(Bz)进行补偿。这样就致了母线重量的明显减少。

沿着纵向侧的垂直分量(Bz)的符号的不对称性和多次反复变化，以及使其值在所要求的范围内(不超过20G)，这是保证电解池在大于500kA的电流量下进行稳定操作的先决条件。与在先技术不同，电流从上游电解池的上游阴极收集器6和阴极棒4流向下游电解池的上游侧1A处的阳极立母线10，同时电流从上游电解池的下游阴极收集器7和阴极棒4输送到下游电解池的下游侧1B处的阳极立母线11。这样的布置确保了大多数的母线分支在长度上相对等同，并使电流密度尽可能保持最高，还减少了母线的总重量。本发明的母线模块类型便于对这样的模块和实际上具有任何所需功率的电解池进行装配。

在电解车间，通过将熔融的冰晶石盐类在配置成并排成列的电解池内进行电解制铝的过程中，其关键是通过增加电流量和减少母线重量来提高电解池的单位容量，从而最终降低了操作成本。在本发明中，通过配置母线组件来达到上述这些目的，其中，在独立的母线块中组合了：上游电解池的上游阴极收集器6和下游阴极收集器7，电连接布置或连接母线9，以及与下游电解池相连的立母线10和11。在本发明中，在生个模块中至少一个阳极立母线10位于下游电解池的上游侧1A处，并且至少一个阳极立母线11位于下游电解池的下游侧1B处。在上游侧1A处的阳极立母线10连接到上游电解池的上游和下游侧的阴棒4与阴极收集器6和7。在下游侧1B处的阳极立母线11连接到上游电解池的下游侧的阴极棒4和阴极收集器7。本发明的每个母线模块适用于通过10-100％的电解槽系列的电解电流。在优选的实施方式中，每个母线适用于通过18-30％的电解槽系列的电解电流。在上游侧1A处的阳极立母线10被设置成分配50-75％的模块电流。另一方面，在下游侧1B处的阳极立母线11被设置成分配50-75％的模块电流。阳极立母线10和11相对于电解池的平面短轴基本上是对称的，电连接布置或连接母线9被设置在电解池底部21的下方。至少一部分的外模块(例如，模块A和D)的连接母线9包络各个电解池的端区，从而使其至少位于熔融金属处。在紧靠相邻一列电解池的电解池部分上与电连接布置9上连接的阴极棒4的数目超过了在相对侧上与电连接布置9相连接的阴极棒的数目。

Claims (12)

1.一种用于一连串电解池内的两个连续电解池之间的电连接的母线布置，所述一连串电解池排列成并排的两列且适用于电解法制铝，其包括：

上游电解池和下游电解池，至少所述下游电解池的阳极母线通过各个阳极棒连接到阳极，所述阳极母线具有上游侧和下游侧；

至少所述上游电解池的阴极母线包含用于与各上游和下游阴极收集导管相连的多个从阴极外壳向外延伸的阴极棒，在所述阴极棒与各上游和下游阴极收集导管之间设置柔性电导体；并且与所述下游电解池的阳极母线相关的多个供电导体或立母线，

所述母线布置还包括上游电解池的上游和下游阴极收集导管、连接母线、与下游电解池相关的阳极立母线，从而形成多个集成母线模块；在每个所述模块中，至少一个阳极立母片与下游电解池的阳极母线的上游侧相连并且至少一个阳极立母线与下游电解池的阳极母线的下游侧相连；在下游电解池的上游侧处的所述至少一个阳极立母线连接到上游电解池的阴极棒以及各上游和下游阴极收集导管，而在下游电解池的下游侧处的所述至少一个阳极立母线则连接到上游电解池的阴极棒以及各下游阴极收集导管。

2.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，每个所述模块适用于通过电解槽系列电流的10-100％。

3.如权利要求2所述的母线布置，其特征在于，每个所述模块适用于通过电解槽系列电流的18-30％。

4.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，在上游侧的所述至少一个阳极立母线适用于分配模块电流的1/2-3/4。

5.如权利要求4所述的母线布置，其特征在于，在下游侧的所述至少一个阳极立母线适用于分配模块电流的1/2-1/4。

6.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，所述至少一个上游阳极立母线和一个下游阳极立母线关于下游电解池的横向短轴对称。

7.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，所述连接母线被设置在所述上游电解池底部的下方，并且外模块的至少一部分连接母线包络各电解池的端部，从而至少在所述电解池内的熔融金属的水平处延伸。

8.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，与在靠近相邻一列的电解池部分处的收集母线相连接的上游侧处的阴极棒的棒数，要比与在另一端处的连接母线相连接的上游侧处的阴极棒的棒数更多。

9.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，电连接母线被设置在电解池底部的下方并且外模块的至少一部分连接母线包络各电解池的端区从而至少定位于电解池内的熔融金属的水平处。

10.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，根据电介槽系列中电流的方向，磁场的垂直取向的分量(Bz)在电解池的左手顶端指向上，所述磁场的垂直分量在电解池的右手顶端指向下。

11.如权利要求10所述的母线布置，其特征在于，所述至少一个下游阳极立母线的水平部分、外模块的连接母线、以及在上游电解池的上游处带有各柔性电导体的阴极棒在熔融体内产生了磁场的垂直分量(Bz)，所述磁场的垂直分量(Bz)在电解池的左手顶端指向下而在电解池的右手顶端指向上。

12.如权利要求1所述的母线布置，其特征在于，所述至少一个上游立母线和所述至少一个下游立母线的每个水平部分根据立母片内的电流方向在其位置右侧的熔融体内产生相对于轴Bz指向下的磁场，并且在其位置左侧的熔融体内产生相对于轴Bz指向上的磁场。

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