CN101845531B - 一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统及其方法 - Google Patents

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一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统及其方法,属于转炉炼钢自动化控制技术领域。转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统,包括硬件设备和软件处理模块;其特征在于,硬件设备包括:转炉副枪测量设备、转炉废气分析设备;软件处理模块包括:转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块;软件处理模块都运行在计算机上;硬件设备及软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互。优点在于,准确控制转炉冶炼终点钢水碳含量、钢水温度,运行稳定、节约成本、适应范围广泛。

Description

一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统及其方法
技术领域
本发明属于转炉炼钢自动控制技术领域,特别是提供了一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统及其方法。适用于大、中型转炉生产各种高、中、低碳钢产品。
背景技术
转炉炼钢以脱碳、升温为主要目的,准确控制转炉冶炼终点钢水碳含量、钢水温度,是转炉冶炼操作的核心目标。以前受转炉容积及自动化水平影响,转炉终点判断以人工经验为主,在准确度、冶炼周期、生产节奏等各方面都不能满足企业生存和发展的需求。随着企业对转炉炼钢自动化需求的不断提高,两种自动化炼钢技术正迅速发展,一、采用副枪为检测工具,在冶炼后期测量钢水温度、成分,采用数学模型计算,动态调整冶炼后期供氧量和冷却剂加入量,实现冶炼后期温度、成分预报及终点控制。二、采用气体成分分析设备,在线分析转炉废气成分,采用热平衡、物料平衡原理,计算钢水温度、成分,进行转炉冶炼终点控制。
钢铁研究总院胡志刚等,采用质谱仪为检测手段,建立碳积分模型、碳指数模型,实现了冶炼过程钢水碳含量的预测,结论表明,整个过程使用碳积分模型偏差较大,冶炼终点使用碳指数模型,在低碳范围具有较好效果,但对于高碳钢种,计算误差较大。钢水温度计算则以热平衡和数理统计为原理,计算结果准确率不高。
东北大学万雪峰等,同样采用质谱仪作为检测手段,钢水碳含量计算采用碳平衡计算原理,结论表明在国内各种原材料水平下,不能取得准确预报结果,对于钢水温度计算,采用碳含量、废气CO、CO2分压相结合的拟合公式,但实际应用效果不显著。
武汉钢铁集团余志祥等,采用副枪测量手段,应用控制模型,实现了转炉炼钢终点自动化控制,终点碳温双命中率超过90%。
目前各冶金企业都在提高转炉自动化炼钢控制水平,采用副枪或质谱仪等检测手段,使用与之相应的控制模型进行冶炼终点控制。从运行效果看,单独采用副枪,在冶炼后期进行TSC测量,采用动态模型进行终点控制,具有非常高的终点控制效果,但随之产生的消耗,增加了产品成本;单独采用质谱仪进行废气分析,能很好控制低碳钢冶炼终点碳含量,但无论对于钢水温度控制要求,还是高碳钢的碳含量控制,都不能很好满足企业的需求。
发明内容
本发明目的在于提供一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统及其方法,解决了目前单独采用副枪或废气分析的弊端,提高转炉炼钢终点钢水碳含量、温度准确度;适应于各企业大中型转炉生产高中低碳钢产品要求。
本发明利用计算机控制技术、网络通信技术、数据分析技术,以转炉副枪、质谱仪为检测手段,完成转炉冶炼过程数据跟踪、采集、运算、存储,代替人工以经验,判断冶炼终点,提高转炉终点温度、碳准确率。
本发明采用转炉副枪、质谱仪为检测手段,检测钢水温度、成分,转炉废气成分,方法以冶金热平衡、数理统计、数值计算为原理设计控制模型,可有效控制转炉冶炼终点。
本发明的控制系统包括硬件设备和软件处理模块;硬件设备包括:转炉副枪测量设备、转炉废气分析设备;软件处理模块包括:转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块;软件处理模块都运行在计算机上;硬件设备及软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互。
本发明所述的转炉副枪测量设备安装于转炉上方,由计算机自动控制探头装卸;在冶炼后期及冶炼结束,采用T(测温)、TSC(测温、取样、定碳)、TSO(测温、取样、定氧)三种测量探头,完成转炉钢水温度、碳含量、氧活度测量;测量数据结果通过以太网传送至转炉过程数据服务器中。
所述的转炉废气分析设备为质谱仪,通过转炉烟道废气取样、过滤装置获取转炉废气,分析废气中CO、CO2、O2、N2、Ar气体的体积百分比含量;分析数据结果通过以太网传送至转炉过程数据服务器中。
所述转炉生产过程数据采集模块完成冶炼过程数据的采集工作,为冶炼过程监控、控制模型计算、生产数据存储提供数据支持。具体采集内容如下:
(1)冶炼生产计划数据接收;
(2)铁水重量、成分、温度数据;废钢、生铁重量数据采集;
(3)转炉吹炼过程原料加入重量、时间采集;
(4)转炉吹炼过程氧气枪位、氧气流速、底吹流速数据采集;
(5)副枪测量数据,废气分析数据采集;
(6)钢水成分化验数据接收。
本发明所述转炉钢水终点碳计算模块,是根据副枪TSC测量钢水碳,或者质谱仪对转炉废气分析成分,计算钢水碳含量,步骤如下:
(1)冶炼后期副枪测量,使用T或TSC测量探头;
(2)测量结果传送至转炉生产过程数据库;
(3)转炉钢水终点温度计算模块以副枪测量温度为起点,根据吹氧量、原料加入数据,进行钢水温度连续预报计算;
(4)转炉钢水终点温度计算模块比较冶炼目标温度同预报计算温度,判断是否满足冶炼结束条件。
转炉冶炼终点碳计算模块针对不同冶炼终点成分要求,采用两种运行方式:
第一种方式:冶炼目标碳>0.08%,副枪采用TSC测量方式
(1)冶炼后期采用TSC测量探头,测量结果包括钢水温度、钢水碳含量;
(2)测量结果传送至转炉生产过程数据库;
(3)转炉钢水终点碳计算模块以副枪TSC测量碳为起点。根据吹氧量、原料加入数据,进行钢水碳含量连续计算;
(4)转炉冶炼终点碳计算模块比较冶炼目标碳同预报碳,判断冶炼结束。
第而种方式:冶炼目标碳≤0.08%,副枪采用T测量方式
(1)冶炼后期采用T测量探头,测量结果仅为钢水温度。
(2)转炉废气分析数据CO、CO2、O2、N2、Ar传送至转炉生产过程数据库。
(3)转炉终点碳计算模块根据转炉废气成分数据进行钢水碳计算。
(4)转炉冶炼终点碳计算模块比较冶炼目标碳同预报碳,判断冶炼结束。
“判断冶炼结束”同时依据钢水温度和钢水成分两个条件;基本原则为:计算钢水温度高于冶炼目标温度最低要求;计算钢水碳含量低于冶炼目标碳最高要求。
本发明所述的信息显示模块将转炉生产过程数据、计算数据以文字或图表方式,直观显示给用户。
本发明的方法是采用转炉副枪和质谱仪两种检测手段作为硬件模块,软件模块划分为转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块。硬件模块和软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互。该控制方法对转炉吹炼过程,重点是吹炼后期过程进行监测,根据冶炼终点目标碳含量要求,采用副枪T测量或者TSC测量方式,并启动基于副枪或废气分析两种不同控制模型,进行终点碳含量计算;以副枪T测量或者TSC测量温度结果作为温度计算起点,进行冶炼后期温度计算。并根据计算碳含量、计算温度同冶炼目标的偏差,进行冶炼终点判断。同时在整个冶炼过程中,该方法将收集相关的冶炼数据,将冶炼数据、控制模型计算数据以文字或图表的形式,实时显示给生产操作人员。
所述硬件模块中转炉副枪设备,安装于转炉上方,由计算机自动控制探头装卸、测量、复位几个运动过程,测量周期37秒,设定插入液面深度70mm,支持测量探头类型包括T、TSC、TSO。当实际吹氧量达到设定总氧量85%时,进行自动测量。测量完成后,测量结果数据自动传送到转炉过程数据服务器中。
所述硬件模块中质谱仪气体分析设备,在转炉整个吹炼过程中,依靠安装在烟道上的气体取样、过滤装置,实时获取转炉废气样品并进行快速分析,分析结果为CO、CO2、O2、N2、Ar气体的体积百分比含量,分析数据结果自动传送到转炉过程数据服务器中。
本发明所述转炉钢水终点碳计算模块,是根据副枪TSC测量钢水碳,或者质谱仪对转炉废气分析成分,计算钢水碳含量,设计方法如下:
(1)副枪进行TSC测量。采用副枪测量结果CM(%)为起点,根据实际吹氧量和冷却剂加入量计算钢水碳含量。
C = C 0 + β ln { 1 + [ exp ( C M - C 0 β ) - 1 ] · exp [ - 10 a β × ( O 2 + Σ i B i R ti ) W ST ] }
其中:C——预测钢水碳含量(%);C0——临界碳浓度;Bi——冷却剂中的氧含量(Nm3/t);αD——氧脱碳效率系数;βD——脱碳反应速率变化系数(%);Ri——副枪测定后加入的冷却剂量(t);O2——吹氧量(Nm3);WST——出钢量(t);
(2)副枪进行T测量。采用质谱仪分析得到的废气体积百分比含量成分数据(CO、CO2、O2、N2),计算钢水碳含量。
a)对废气成分数据进行预处理:
Po=CO/2+CO2+O2
其中:Po为转炉废气氧当量(%);CO、CO2、O2分别为废气中CO、CO2、O2几种气体的体积百分比含量(%)。
b)分别以Po和N2作为参数,统计实际生产历史数据中Po和N2和钢水实际碳含量数据,并进行曲线拟合,获得最终碳含量预报计算方法。
C=γ·Ln(Po)+δ·N2
其中:γ、δ、λ为曲线拟合系数,N2转炉废气中N2的体积百分比含量。
所述转炉钢水终点温度计算模块,是根据副枪T或TSC测量温度数据,根据实际吹氧量、冷却剂加入量计算钢水温度。
T = T M + ι D O 2 W ST + v D - Σ i K i R i
其中:T为实时预报的钢水温度;TM为副枪测量温度;τD为升温系数;υD为常数;Ki为冷却剂的冷却能力;Ri为副枪测定后的冷却剂用量;O2——吹氧量(Nm3);
所述转炉终点判断是根据控制模型计算出的钢水碳含量、钢水温度同冶炼目标之间的关系进行判断的,判断条件为:
(1)计算钢水温度高于冶炼目标温度最低要求;
(2)计算钢水碳含量低于冶炼目标碳最高要求。
本发明根据提出的转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块,设计了转炉冶炼终点碳、温度控制系统,系统分为客户端和后台系统两部分,实现转炉生产过程数据自动采集跟踪,冶炼终点钢水碳、温度预报和冶炼终点控制。客户端主要用于将后台计算得到的结果、冶炼过程采集数据以文字、图表的形式直观的显示给用户;后台系统包括转炉生产过程数据库、数据采集通讯程序、转炉冶炼终点碳计算程序、转炉冶炼终点温度计算程序。各部分有机结合,构成统一的整体,实现以下技术内容:
(1)采用数据通讯程序接收转炉生产基础自动化数据、质谱仪气体分析数据、副枪测量数据。
(2)采用图表、文字的形式实现转炉冶炼过程各种信息的显示;
(3)根据转炉副枪、质谱仪以及其他相关数据,完成转炉冶炼后期钢水温度、碳含量预报,进行转炉冶炼终点判断。
(4)采用Oracle数据库实现在线监测和过程数据的存储;
(5)系统历史数据查询。
本系统采用计算机网络通讯技术,监控转炉吹炼过程,采用质谱仪分析转炉废气成分,采用副枪在冶炼后期进行T或TSC测量,采用控制模型对冶炼后期钢水温度和碳含量进行计算,并判断冶炼终点。同现有技术相比本发明特点在于:
(1)系统采用两种检测手段,具有进行直接监测的转炉副枪设备,同时具有连续检测的转炉废气分析设备,检测信号全面,便于更清楚的了解转炉冶炼过程状态。
(2)采用检测设备成熟稳定,转炉副枪和质谱仪气体分析设备,是当前同类检测手段中相对成熟的产品,设备运行稳定性,检测数据的有效性高。
(3)同传统人工经验炼钢相比,增加了新的检测手段,采用模型控制冶炼终点,大幅度提高转炉冶炼终点温度、碳含量的准确率,同时实现了缩短冶炼周期17%,提高生产效率的目的。
(4)同单一使用副枪系统相比,对低碳钢品种冶炼可以采用T探头,可有效节约生产成本。同单一使用转炉废气分析检测技术相比,能够更加准确控制转炉终点温度,能够广泛适应生产高、中、低碳钢品种要求。
(5)本发明同时也支持单独使用副枪或者转炉废气分析设备的转炉。
附图说明
图1本发明系统总结构图。
图2本发明系统流程图。
具体实施方式
本发明的转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统,包括硬件设备和软件处理模块;其特征在于,硬件设备包括:转炉副枪测量设备、转炉废气分析设备;软件处理模块包括:转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块;软件处理模块都运行在计算机上;硬件设备及软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互。具体实施如下:
1.本发明使用副枪作为检测手段之一。副枪安装于转炉炉口上方,并尽可能接近转炉中心位置,可以实现不中断吹炼进行测量。转炉副枪测量信号经过专用仪表进行数据分析处理后,转换成钢水温度、碳含量、氧活度等信号,通过以太网传送至转炉过程数据服务器。转炉副枪升降运动控制精度±10mm,旋转运动控制精度±30mm。
2.本发明使用质谱仪作为另一个检测手段。通过在转炉烟道安装取样、预处理装置,将转炉废气连续传送到质谱仪,质谱仪通过快速分析,获得CO、CO2、O2、N2、Ar气体体积百分比含量,并通过以太网传送至转炉过程数据服务器。为减少滞后时间,质谱仪尽量安装在转炉废气取样口附近。质谱仪正常运转率>99%,分析时间<3s,整体滞后时间15s。
3.本发明转炉终点碳温控制系统,采用Microsoft Visual Studio 2008进行开发,分为客户端和后台系统两部分,使用Oracle创建转炉过程数据库。客户端和后台系统分别安装在两台计算机中,分别位于在转炉操作室和炼钢车间过程站,并且转炉过程数据库同后台系统安装于同一台计算机中,所有计算机都系统采用Windows操作系统。
(1)后台系统
Step 1:数据采集模块获取生产计划,系统根据生产计划内容,初始化系统参数。包括钢种数据参数、冶炼计划时间、目标出钢量等。
Step 2:数据采集模块获取本次冶炼的铁水信息,包括铁水重量、温度、成分,废钢信息,包括废钢总重量、各类废钢的分总量,生铁重量。
Step 3:系统开始监控转炉冶炼状态,当吹炼开始后跟踪收集以下数据:
1)转炉吹炼过程原料加入重量、时间;
2)转炉吹炼过程氧枪枪位、氧气流速、底吹流速数据;
3)副枪测量数据,废气分析数据。
Step 4:系统监控到副枪进行T或TSC测量后,启动转炉冶炼终点碳计算模块和转炉冶炼终点温度计算模块。
Step 5:转炉冶炼终点碳计算模块根据TSC测量碳,或者质谱仪气体分析数据,进行钢水碳含量预报计算;转炉冶炼终点温度计算模块根据副枪测量温度,进行钢水温度预报计算。
Step 6:根据预报钢水碳、温度,并结合本炉次冶炼目标,判断是否符合终止吹炼条件。
Step 7:符合吹炼结束信号后,向转炉基础自动化控制系统发送吹炼结束信号。
Step 8:接收转炉冶炼相关信息,整理并存入数据库供历史查询。
(2)客户端系统
主要用于将后台采集、计算得到的结果以图表、文字的形式直观的显示给用户。
Step 1:显示生产计划信息,包括冶炼钢种、计划冶炼时间、目标出钢量等。
Step 2:显示实际主原料数据,包括铁水重量、温度、成分,废钢总重量、各类废钢的分总量,生铁重量。
Step 3:以图表、文字两种方式显示吹炼过程信息。包括:
1)转炉吹炼过程原料加入重量、时间;
2)转炉吹炼过程氧枪枪位、氧气流速、底吹流速数据;
3)副枪测量数据,废气分析数据。
Step 4:显示后台系统模型计算数据,包括钢水碳和温度。
Step 5:历史查询或参数设置。
以下给出具体实施例:
实施例1:210吨转炉生产过程,采用副枪T测量及质谱仪废气分析。
主原料:铁水215.24t,废钢,19.84t;
吹炼过程加料批次及数量
一批:石灰12412kg轻烧白云石2899kg矿石2268kg,
二批:石灰2110kg轻烧白云石1303kg矿石1251kg,
三批:萤石412kg矿石2809kg,
副枪T测量:温度1597℃。
根据本次控制方式,将使用副枪测量温度作为温度计算起点,同时使用质谱仪废气分析数据作为钢水碳计算依据,钢水温度、碳预报模块根据实际冶炼过程数据循环计算,并将结果显示在客户端系统。
吹炼结束:氧量10520Nm3废气成分CO-0.28%、CO2-12.5%、O2-5.5%、N2-80.6%Ar-0.04%。
计算温度:1671℃计算碳含量:0.031%,
冶炼结束实际温度1666℃、碳含量0.030%,
误差:温度4℃碳0.001%,
实施例2:210吨转炉生产过程,采用副枪TSC测量。
主原料:铁水211.28,废钢26.44,
吹炼过程加料批次及数量
一批:石灰8733kg轻烧白云石2558kg矿石1728kg,
二批:石灰3838kg轻烧白云石1153kg矿石829kg,
三批:萤石502kg  矿石224kg,
副枪TSC测量:温度1630℃;碳0.486%,
根据本次控制方式,将使用副枪测量温度和钢水碳含量作为计算起点,钢水温度、碳预报模块根据实际冶炼过程数据循环计算,并将结果显示在客户端系统。
吹炼结束:氧量10169Nm3,
计算温度:1671℃;计算碳含量:0.105%,
冶炼结束实际温度1663℃、碳含量0.0964%,
误差:温度8℃;碳0.0086%。

Claims (10)

1.一种转炉冶炼终点钢水碳、温度控制系统,包括硬件设备和软件处理模块;其特征在于,硬件设备包括:转炉副枪测量设备、转炉废气分析设备;软件处理模块包括:转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块;软件处理模块都运行在计算机上;硬件设备及软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互。
2.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述的转炉副枪测量设备安装于转炉上方,由计算机自动控制探头装卸;转炉副枪测量设备在冶炼后期及冶炼结束,采用T、TSC、TSO三种测量探头,完成转炉钢水温度、碳含量、氧活度测量;测量数据结果通过以太网传送至转炉过程数据服务器中。
3.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述的转炉废气分析设备为质谱仪,通过转炉烟道废气取样、过滤装置获取转炉废气,分析废气中CO、CO2、O2、N2、Ar气体的体积百分比含量;分析数据结果通过以太网传送至转炉过程数据服务器中。
4.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述转炉生产过程数据采集模块完成冶炼过程数据的采集工作,具体采集内容如下:
(1)冶炼生产计划数据接收;
(2)铁水重量、成分、温度数据;废钢、生铁重量数据采集;
(3)转炉吹炼过程原料加入重量、时间采集;
(4)转炉吹炼过程氧气枪位、氧气流速、底吹流速数据采集;
(5)副枪测量数据,废气分析数据采集;
(6)钢水成分化验数据接收。
5.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:所述转炉钢水终点碳计算模块,是根据副枪TSC测量钢水碳,或者质谱仪对转炉废气分析成分,计算钢水碳含量,步骤如下:
(1)冶炼后期副枪测量,使用T或TSC测量探头;
(2)测量结果传送至转炉生产过程数据库;
(3)转炉钢水终点温度计算模块以副枪测量温度为起点,根据吹氧量、原料加入数据,进行钢水温度连续预报计算;
(4)转炉钢水终点温度计算模块比较冶炼目标温度同预报计算温度,判断是否满足冶炼结束条件。
6.根据权利要求5所述的系统,其特征在于:转炉冶炼终点碳计算模块针对不同冶炼终点成分要求,采用两种运行方式:
第一种方式:冶炼目标碳>0.08%,副枪采用TSC测量方式
(1)冶炼后期采用TSC测量探头,测量结果包括钢水温度、钢水碳含量;
(2)测量结果传送至转炉生产过程数据库;
(3)转炉钢水终点碳计算模块以副枪TSC测量碳为起点;根据吹氧量、原料加入数据,进行钢水碳含量连续计算;
(4)转炉冶炼终点碳计算模块比较冶炼目标碳同预报碳,判断冶炼结束;
第二种方式:冶炼目标碳≤0.08%,副枪采用T测量方式
(1)冶炼后期采用T测量探头,测量结果仅为钢水温度;
(2)转炉废气分析数据CO、CO2、O2、N2、Ar传送至转炉生产过程数据库;
(3)转炉终点碳计算模块根据转炉废气成分数据进行钢水碳计算;
(4)转炉冶炼终点碳计算模块比较冶炼目标碳同预报碳,判断冶炼结束。
7.根据权利要求6所述的系统,其特征在于:“判断冶炼结束”同时依据钢水温度和钢水成分两个条件;基本原则为:计算钢水温度高于冶炼目标温度最低要求;计算钢水碳含量低于冶炼目标碳最高要求。
8.根据权利要求1所述的系统,其特征在于:信息显示模块将转炉生产过程数据、计算数据以文字或图表方式,直观显示给用户。
9.一种采用权利要求1所述的系统进行转炉冶炼终点钢水碳、温度控制的方法,其特征在于:采用转炉副枪和质谱仪两种检测手段作为硬件模块,软件模块划分为转炉生产过程数据采集模块、转炉冶炼终点碳计算模块、转炉冶炼终点温度计算模块、信息显示模块;硬件模块和软件模块通过以太网同转炉生产过程数据库相连接,实现数据交互;该控制方法对转炉吹炼过程,重点是吹炼后期过程进行监测,根据冶炼终点目标碳含量要求,采用副枪T测量或者TSC测量方式,并启动基于副枪或废气分析两种不同控制模型,进行终点碳含量计算;以副枪T测量或者TSC测量温度结果作为温度计算起点,进行冶炼后期温度计算;并根据计算碳含量、计算温度同冶炼目标的偏差,进行冶炼终点判断;同时在整个冶炼过程中,该方法将收集相关的冶炼数据,将冶炼数据、控制模型计算数据以文字或图表的形式,实时显示给生产操作人员。
10.根据权利要求9所述的方法,其特征在于,所述硬件模块中转炉副枪设备,安装于转炉上方,由计算机自动控制探头装卸、测量、复位几个运动过程,测量周期37秒,设定插入液面深度70mm,支持测量探头类型包括T、TSC、TSO;当实际吹氧量达到设定总氧量85%时,进行自动测量;测量完成后,测量结果数据自动传送到转炉过程数据服务器中;
所述硬件模块中质谱仪气体分析设备,在转炉整个吹炼过程中,依靠安装在烟道上的气体取样、过滤装置,实时获取转炉废气样品并进行快速分析,分析结果为CO、CO2、O2、N2、Ar气体的体积百分比含量,分析数据结果自动传送到转炉过程数据服务器中。
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