CN103687982A - 包含由超导材料制成的电导体的铝厂 - Google Patents

Abstract

一种铝厂（1），其包括：(i)形成一排或多排（F）的串联的设计用于制备铝的电解池（2），(ii)设计用于向串联的电解池（2）提供电解电流（I1）的供电站（12），所述供电站（12）包括两个电极，(iii)设计被电解电流（I1）流过的主电路（15），其具有两个各自连接至供电站的（12）一个电极的末端；(iv)至少一个包含由超导材料制成的电导体的设计被电流（I2，I3）流过的次级电路（16-17），其顺着电解池（2）的一排或多排（F）布置；其特征在于，次级电路（16，17）中由超导材料制成的电导体顺着电解池（2）的一排或多排（F）至少布置两次以形成串联的若干匝。

Description

包含由超导材料制成的电导体的铝厂

本发明涉及铝厂，且更具体而言涉及用于铝厂的电导体系统。

已知工业上铝可通过使用霍尔-赫劳尔特（Hall-Héroult）法由氧化铝电解而制备。为此，提供具体包括钢槽壳、耐火内衬以及碳材料阴极的电解池，所述碳材料阴极连接至用于传导电解电流的导体。该电解池还包括主要包含冰晶石——其中溶解有氧化铝——的电解浴。该霍尔-赫劳尔特法由以下步骤组成：将包含阳极的碳块部分地浸入该电解浴中，该阳极随着反应进行而消耗。在电解池底部形成一层液态铝层。

一般而言，生产铝的工厂具有几百个电解池。约数百千安（培）的高电解电流通过这些电解池。

铝厂中存在大量需要解决的问题；这具体包括降低能耗成本、用于生产电导体的材料的成本以及减少尺寸以提高相同表面积的生产效率。

另一个问题源自因电解电流产生的强磁场的存在。该磁场扰乱电解池的运行、使其效率降低。特别是该磁场的垂直分量导致所述液态铝层的不稳定。

已知磁场的垂直分量可通过在电解池规模上补偿磁场而减弱。该解决方案通过从一个池N向池N+1传输电解电流的导体的特定排列而实施。这些导体——通常为铝条——围绕池N的末端。图1中的俯视图示意性示出电磁场借助于导体101的排布自补偿，所述导体101连接该池100至下一个下游池102。关于这一点，应注意，导体101相对于其围绕的池100是偏心的。磁场自补偿池的实例具体已知于专利文献FR2469475中。

该解决方案因为导体的特定排布需要大量空间而带来了许多设计局限。此外，用于实施该解决方案的过长的导体（通常由铝制成）长度意味着高昂的材料成本并因导体的电阻效应而产生大量的能源损耗。

减弱磁场垂直分量的另一解决方案涉及使用由一个或多个金属电导体形成的次级电路。该次级电路通常顺着铝厂中电解池的一个或多个对准轴布置。强度为电解电流强度一定百分比的电流通过该次级电路并因此产生补偿由电解电流产生的磁场效应的磁场。

具体而言，次级电路通过带有电流的内部和/或外部回路用于减弱由一排相邻池产生的磁场效应的用途已知于FR2425482中，所述内部和/或外部回路的电流具有的强度为电解电流强度的约5%-20%。从文献“Application of High-Tc Superconductors in Aluminum ElectrolysisPlants”by Magne Runde in IEEE Transactions on appliedsuperconductivity,vol5,N^o2,June1995中也已知，超导材料用于制备所述次级电路在经济上不可行。

次级电路通过带有电流的回路用于减弱由池间导体产生的磁场效应的用途已知于专利文献EP0204647中，所述回路的电流强度为电解电流强度的约20%-70%且与电解电流同向。

然而，该解决方案在其需要大量材料（通常为铝）以制备该次级电路方面成本昂贵。其在能量方面也是高成本的，这是因为次级电路需要供给电流。最后，其需要安装大功率和大规模的供电站（或发电机）。

因此，本发明具有以下目的：克服上述全部或部分缺陷以及提供铝生产厂中面临的问题的解决方案，所述目的通过提供一种制造和运行成本大幅降低且所需空间更小的铝厂而实现。

因此，本发明涉及一种铝厂，其包括：

(i)形成一排或多排的串联的设计用于制备铝的电解池，

(ii)设计用于向串联的电解池提供电解电流I1的供电站，

所述供电站具有两个电极，

(iii)设计被电解电流I1流过的主电路，其具有两个各自连接至供电站的一个电极的末端，

(iv)至少一个包含由超导材料制成的电导体的设计被电流（I2，I3）流过的次级电路，所述次级电路顺着电解池的一排或多排布置，

其特征在于，次级电路中由超导材料制成的电导体顺着电解池的一排或多排至少布置两次以形成串联的若干匝（tour）。

至少一个由超导材料制成的电导体的使用尤其使减少铝厂的整体能量消耗成为可能，并因而降低铝厂的运行成本。此外，由超导材料制成的电导体因较小的尺寸而使得铝厂内部的可用空间能够得到更好的管理。由于由超导材料制成的电导体的质量小于由铝、铜或钢制成的同等导体的质量，故由超导材料制成的电导体需要更小且因而成本更低的支撑结构。

由于由超导材料制成的电导体与常规电导体的连接处存在能量损失，由超导材料制成的电导体在其具有较大长度时是有利的。

由超导体材料制成的次级电路的使用能够减少由电解电流产生的磁场对槽中所含的液体的负面效应，通过超导材料制成的电导体保持在低于其临界温度时几乎为零的电阻率实现能量节约。

此外，由次级电路形成的环路顺着池的一排或多排布置几次，且包含串联的若干匝。这使得流过由超导体材料制成的电导体的电流强度值除以匝数成为可能，并因此降低设计用于输送所述电流至次级电路的供电站的成本以及降低供电站的电极与由超导体材料制成的电导体的连接处的成本。

次级电路中由超导体材料制成的电导体有利地包括单独一个低温套管，所述套管内部并排通过由所述由超导材料制成的电导体所形成的匝。这样的实施方案缩短了低温套管的长度和降低了冷却系统的功率。

根据本发明铝厂的另一个特征，次级电路中由超导材料制成的电导体是柔性的且具有至少一个弯曲部。

因此，次级电路可包括一个或多个非直线的部分。由超导材料制成的电导体的柔性使得能够避免阻碍（并因此适应铝厂的空间限制），还可以局部提高磁场的补偿。

有利地，次级电路中由超导材料制成的电导体部分地置于形成磁屏蔽的闭合区域（enceinte）内。

该特征具有阻止由超导材料制成的电导体产生环绕磁场的优势。具体而言，这使得能够产生供设备或车辆通过的区域，所述设备或车辆的运行在不存在磁屏蔽下会被这些区域的磁场强度所扰乱。这也使得能够避免使用具有保护其免受强磁场干扰的屏蔽的成本高昂的设备。

优选地，形成磁屏蔽的闭合区域位于一排或多排电解池的至少一个末端。

根据本发明的铝厂的另一个特征，所述次级电路包括两个末端，所述次级电路的每一末端均连接至供电站的电极，该供电站不同于主电路的供电站。

有利地，次级电路中由超导材料制成的电导体以预定的次数顺着一排或多排电解池布置从而可以使用输送强度介于5kA-40kA之间的电流的次级电路供电站。

因此，由超导材料制成的电导体产生与为能使用可容易地购得且经济上有利的供电站所需的一样多的串联匝数。

根据本发明铝厂的另一个特征，次级电路中至少一部分由超导材料制成的电导体位于一排或多排的至少一个电解池的下方。

根据本发明铝厂的另一个特征，次级电路中至少一部分由超导材料制成的电导体顺着一排或多排电解池的右侧和/或左侧布置。

根据本发明铝厂的另一个特征，每个由超导材料制成的电导体均由电缆、至少一种超导材料纤维和低温套管形成，所述电缆包括中间的铜或铝制的芯。

根据本发明铝厂的另一个特征，冷却液流过低温套管。

冷却液有利地为液氮和/或液氦。

通过如下结合附图提供的详细说明将会更好地理解本发明，所述附图包括：

-图1为现有技术电解池的俯视示意图，

-图2为现有技术电解池的侧视图，

-图3、4、5、6和7为铝厂的俯视示意图，其中至少一个由超导材料制成的电导体用在次级电路中，

-图8和图9为铝厂的俯视示意图，其中由超导材料制成的电导体用在主电路中，

-图10为铝厂的部分俯视示意图，其中铝厂包括具有弯曲部的次级电路，

-图11为铝厂中电解池的截面图，其示出两个次级电路中由超导材料制成的电导体的具体布置，且还示出原本由铝或铜制成的常规电导体所采用的布置。

图2示出电解池2的常规实例。电解池2具体包括金属槽壳3，其例如由钢制成。金属槽壳3内衬有耐火材料和/或绝热材料，例如砖。电解池2还具有由碳材料制成的阴极6和多个设计用于随着在电解浴8中进行的电解反应而消耗的阳极7，所述电解浴8具体包括冰晶石和氧化铝。氧化铝和粉碎的浴（bain broyé）的覆盖层通常覆盖电解浴8且至少部分覆盖阳极7。在电解反应进行过程中，形成一层液态铝层10。阴极6电连接至穿过槽壳3的金属条形式的阴极输出9，阴极输出9

自身连接至池间电导体11。池间电导体11从一个电解池2向另一个电解池传输电解电流I1。电解电流I1通过每个电解池2的导电部件：首先通过阳极7，然后通过电解浴8、液态铝层10、阴极6，且最后通过连接至阴极输出9的池间电导体11，从而使电解电流I1随后传输至下一个电解池2的阳极7。

铝厂1的电解池2为常规布置且串联电连接。串联可包括一排或多排F的电解池2。当串联包括若干排F时，其通常呈直线且相互平行，并且有利地在数量上是偶数。

铝厂1——一个实例可见于图3中——包括电解电流I1通过的主电路15。电解电流I1的强度可达到约数百千安的值，例如约300kA-600kA。

供电站12将电解电流I1供给串联的电解池2。串联电解池2的末端各自连接至供电站12的电极。连接电导体13使供电站12的电极连接至所述串联的末端。

串联中的排F串联电连接。一个或多个连接电导体14从排F中的最后一个电解池2向下一排F中的第一个电解池2传输电解电流I1。

主电路15由以下构成：连接串联电解池2的末端至供电站12的连接电导体13、使得电解池2的排F相互连接的连接电导体14、连接同一排F中的两个电解池2的池间电导体11、以及各个电解池2的导电部件。

通常，50-500个电解池2串联连接并沿着两排F延伸，每一排均超过1km长。

根据本发明的一个实施方案，铝厂1还包括一个或多个次级电路16、17，可见于例如图3中。这些次级电路16、17通常顺着电解池2的排F布置。其能够补偿由高强度电解电流I1产生的磁场，该磁场导致电解浴8中的不稳定性并因而影响电解池2的效率。

由供电站18传输的电流I2、I3分别流过各个次级电路16、17。用于各个次级电路16、17的供电站18区别于用于主电路15的供电站12。

铝厂1包括至少一个具有由超导材料制成的电导体的次级电路16、17。

这些超导材料可例如包括BiSrCaCuO、YaBaCuO、MgB2、已知于专利申请WO2008011184、US20090247412中的材料或因其超导性能所已知的其他材料。

超导材料用于输送电流时因焦耳效应产生的热的损失少或毫无损失地，这是因为其电阻在其保持在低于其临界温度时为零。由于不存在能量损失，铝厂接收的最大量的能量（例如600kA和2kV）可输送至制备铝的主电路15，且特别是可以增加池2的个数。

例如，用于实施本发明的超导电缆包括中间的铜或铝制的芯，超导材料带（ruban）或纤维，以及低温套管。所述低温套管可由含有冷却液（例如液氮）的护套形成。所述冷却液使得超导材料能够保持在低于其临界温度的温度，例如低于100K（开尔文），或介于4K-80K之间。

由于能量损失出现在由超导材料制成的电导体与其他电导体的连接处，则由超导材料制成的电导体当其具有一定长度时是有利的，且特别是10米或更长的长度。

图3、4和5以非穷举性举例的方式示出本发明铝厂1的不同的可能的实施方案。在不同的图中，由超导材料制成的电导体以虚线示出。

图3中的实施方案示出包括两个次级电路16和17的铝厂1，各自由供电站18提供的强度为I2和I3的电流通过所述两个次级电路。电流I2和I3分别以与电解电流I1相同的方向流过次级电路16和17。此图情况下，次级电路16和17为由池间电导体11产生的磁场提供补偿。各电流I2和I3的强度大，例如为电解电流I1强度的20%-100%且优选40%-70%。

对相邻的排F的磁场的补偿可通过图4的实施方案实现。图4中所示的铝厂1包括形成内部回路的次级电路17，电流I3流过所述内部回路。

如图5所示，还可以通过单个形成外部回路的次级电路16补偿相邻的排F的磁场，电流I2以与电解电流I1相反的方向流过所述外部回路。

使用由超导材料制成的电导体形成次级电路16、17是有用的，这是因为次级电路16、17的长度约2千米。使用由超导材料制成的电导体与由铝或铜制成的电导体相比需要更低的电压。因此，当次级电路16、17包括由超导材料制成的电导体时，可使电压从30V降低至1V。这表示能耗损失与常规类型的铝电导体相比下降了约75%-99%。此外，结果是用于次级电路的供电站18的成本降低。具体如图6和图7可见的，铝厂1包括次级电路16、17，所述次级电路16、17具有由超导材料制成的电导体且有利地顺着同一排F的电解池2在基本相同的位置布置至少两次。

因为由次级电路16、17形成的回路包括串联的若干匝，对于相同的磁场效应，通过次级电路16、17的电流I2、I3的强度可除以与所形成的匝数相同的倍数。电流强度的减弱还使得能够降低由超导材料制成的电导体与用于次级电路16、17的输入或输出电导体的连接处因焦耳效应产生的能量损失并降低连接处的成本。采用由超导材料制成的电导体使流过各个次级电路16、17的电流的整体强度降低，使得能够减小与其相关的供电站18的规模。例如，对于需要传输200kA的回路，20匝由超导材料制成的电导体使得可以使用输送10kA的供电站18。同样地，40匝由超导材料制成的电导体使得可以使用输送强度为5kA的电流的供电站。因此，这可以使用目前市售并因而成本更低的设备。

此外，使用串联的一匝或多匝以形成由超导材料组成的次级电路16、17具有以下优势：减弱在供电站18与第一个和最后一个电解池2之间的路径的磁场，这是因为沿着所述路径的电流强度较低（电导体单程）。

与由铝或铜制成的电导体相比，由超导材料制成的电导体的小尺寸（在相同强度下断面比铜导体的断面小最高达150倍，且对于铝导体小甚至更多倍）使其易于在由次级电路16、17形成的回路中产生串联的若干匝。

图6中示出的实施方案的铝厂1包括次级电路16，其电导体顺着串联的排F串联布置两次。在图7的实施例中，铝厂1包括同时顺着串联的电解池2的左侧和右侧布置的次级电路16（左侧和右侧相对于处于主电路15并从电解电流I1整体流动的方向观察的观察者定义）。此外，图7中所示的铝厂1中次级电路16的电导体（由超导材料制成）形成串联的若干匝，包括顺着串联的池2的左侧布置的两匝和顺着右侧布置的3匝。匝数可分别为20和30。每侧形成的匝数之间的差异随排之间距离来确定，从而获得最佳的磁平衡。

由于两匝由超导材料制成的电导体之间的较小电势差，因而易于隔离电导体的不同匝。位于每匝由超导材料制成的电导体之间的薄电绝缘体是足够的。

因此，且由于由超导材料制成的电导体的小尺寸，可使电路的由超导材料制成的电导体包括在单独一个低温套管内，而不考虑由该导体形成的匝数。所述低温套管可包括冷却流体通过的绝热护套。在给定的位置，所述绝热套管可包括相同的由超导材料制成的电导体的几个并排通道。

这对于由铝或铜制成的电导体围绕串联电解池形成若干匝而言会有更多限制。事实上，由铝或铜制成的电导体比由超导材料制成的电导体更庞大。此外，由于存在于每匝之间的电势的大幅下降，因而有必要增加昂贵的绝缘体，而绝缘体是需要安装和维护的。由于常规的由铝或铜制成的电绝缘体在运行过程中会变热，在电导体的各个匝之间安装绝缘体便会产生散热的问题。

由超导材料制成的电导体相对于由铝或铜制成的电导体的优势还在于其可以是柔性的。因此，铝厂1可包括一个或多个次级电路16、17，所述次级电路16、17包括具有至少一个弯曲部的由超导材料制成的电导体。如图10中可见，这使得能够绕过存在于铝厂1中的障碍物19，例如支柱。

这还使得能够通过局部调节次级电路16、17中由超导材料制成的电导体的位置来局部调节对铝厂1中的磁场的补偿，如图10中可见的铝厂1中次级电路16的弯曲部16a所能实现的。该柔性使得由超导材料制成的电导体能够相对于其初始位置移动，从而通过适应在铝厂1中的变化来校正磁场（例如电解电流I1的强度的增加，或以使用可通过计算机的新功能和该领域的常识而获得的最新磁校正算法的结果）。

应注意，次级电路16、17中由超导材料制成的电导体可位于电解池2的下方。具体而言，其可以被掩埋。该布置之所以能实现一方面是因为由超导材料制成电导体的小尺寸，以及另一方面因其不会变热的事实。使用由铝或铜制成的电导体则难以实现该布置，这是因为其就相同的电流强度而言具有更大尺寸，还因为其变热并因而需要冷却（目前与空气接触和/或使用特定的冷却手段）。图11示出了，对于相同的铝厂1的布置，具有由超导材料制成的电导体的次级电路16、17和使用铝电导体的次级电路16'、17'的可能位置。次级电路16'、17'位于电解池2的两侧。如图11中所示，例如对维护工作而言，次级电路16'、17'阻碍靠近电解池2。但是，其无法像具有由超导材料制成的电导体的次级电路16、17那样位于电解池2下方，这是因为其具有更大的尺寸且需要冷却。反之，使用由超导材料制成的电导体的次级电路16、17可位于电解池2的下方，因此，靠近电解池2不受限制。

根据本发明的一个具体实施方案——一个实例如图6中所示，由超导材料制成的电导体可部分地包括在形成磁屏蔽的闭合区域20中。该闭合区域20可以是金属管，例如由钢制成的金属管。这能够使该磁屏蔽外的磁场实质性地减弱。因此，这使得能够在该闭合区域20所处的位置设立通道区域，特别是用于其运行会受到从由超导材料制成的电导体所发射出的磁场干扰的车辆。因此，这能够降低这些车辆（其原本需要保护装备）的成本。该闭合区域20可有利地围绕位于排F端部的由超导材料制成的电导体而设置，如图6中所示。

形成磁屏蔽的闭合区域20还可以由保持在低于临界温度的超导材料形成。有利地，该由超导材料形成的形成磁屏蔽的闭合区域可布置为更邻近由超导材料制成的电导体，置于低温套管内。所述闭合区域的超导材料的质量被最小化以及使该闭合区域的超导材料保持在低于其临界温度而不需要具有其他专门的冷却系统。

使用保护闭合区域20，对于现有技术的由铝或甚至由铜制成的常规电导体是不可能的。相对于由超导材料制成的电导体的25cm的直径而言，这些铝的电导体有效地具有大尺寸截面，约1m×1m。重要的是，由铝制成的电导体在运行时变热。使用这种形成磁屏蔽的闭合区域20将不可能适当地疏散产生的热量。

还应注意，对于相同的强度，由超导材料制成的电导体的每米质量可比铝电导体的每米质量小20倍。因此，用于由超导材料制成的电导体的支撑体的成本更低且其易于安装。

铝厂1中的主电路15还包括一个或多个由超导材料制成的电导体。因此，如图8所示，使排F彼此串联地电连接的连接电导体14可由超导材料制成。如图9所示，连接串联的电解池2的末端至用于主电路15的供电站12的电极的连接电导体13也可由超导材料制成。

在常规铝厂中，连接两排F的连接电导体14的长度为30m-50m，取决于其所连接的所述两排F位于相同的建筑物中或是因这两排F的磁相互作用而位于两个分离的建筑物中。连接串联的末端至供电站12的电极的连接电导体13的长度通常介于20m-1m之间，取决于供电站12的位置。由于这些长度，将容易理解，在这些位置使用由超导材料制成的电导体将能够实现节能。通过使用由前述超导材料制成的导体所带来的其他优点——例如其小尺寸或柔性，或其置于形成磁屏蔽的封闭区内的能力——还证明由超导材料制成的电导体在铝厂1中的主电路15中的潜在用途。

反之，由于池间电导体11较短，且由于连接处的能量损失，使用由超导材料制成的电导体从一个池2向另一个池2传输电解电流并非是经济上有利的。

因此，在铝厂1中使用由超导材料制成的电导体在导体足够长时可证实是有利的。在以下情况下使用由超导材料制成的电导体是特别有利的：设计用于通过专利文献EP0204647中所描述类型的回路来减弱池-池磁场效应的次级电路16、17——当主电路15中流动的电流的强度特别高（超过350kA）时，且当在次级电路中流动的电流强度总和——与主电路中流动的电流方向相同——为主电路中电流强度的20%-100%、优选40%-70%时。

当然，所描述的实施方案不相互排斥且可结合以通过协同作用来加强所获得的技术效果。因此，可以设想一种主电路15，其既包括由超导材料制成的连接各排的连接电导体14，也包括同样由超导材料制成的连接一个串联的末端至供电站12的电极的连接导体13，以及一个或多个还可以包括由超导材料制成的电导体形成串联的若干匝的次级电路16、17。还可提供单独一个包括由超导材料制成的电导体的次级电路16，其中导体形成若干串联的匝——在池2的排F之间或在其外部。

最后，本发明不以任何方式限制于上述实施方案，这些实施方案仅以实施例的方式提供。在不超出本发明的保护范围的情况下，特别是从各种部件的构成或通过技术等价物的替代的角度而言，仍可能存在变化。

特别地，本发明可扩展至使用惰性阳极电解的铝厂。

通常还可适用于所有其他类型的回路，例如适用于专利文件CA2585218、FR2868436和EP1812626中所描述的类型的回路。

Claims (12)

1.一种铝厂（1），其包括：

(i)形成一排或多排（F）的串联的设计用于制备铝的电解池（2），

(ii)设计用于向串联的电解池（2）提供电解电流（I1）的供电站（12），

所述供电站（12）包括两个电极，

(iii)设计被电解电流（I1）流过的主电路（15），其具有两个各自连接至供电站（12）的一个电极的末端，

(iv)至少一个包含由超导材料制成的电导体的设计被电流（I2，I3）流过的次级电路（16-17），所述次级电路（16-17）顺着电解池（2）的一排或多排（F）布置，

其特征在于，次级电路（16，17）中由超导材料制成的电导体顺着电解池（2）的一排或多排（F）至少布置两次，以形成串联的若干匝。

2.权利要求1的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16，17）中由超导材料制成的电导体包含单个低温套管，所述套管内部并排通过所述由超导材料制成的电导体所形成的匝。

3.权利要求1至2任一项的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16，17）中由超导材料制成的电导体是柔性的且具有至少一个弯曲部。

4.权利要求1至3任一项的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16，17）包括两个末端，所述次级电路（16，17）的每一末端均连接至供电站（18）的一个电极，所述供电站（18）不同于主电路（15）的供电站（12）。

5.权利要求4的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16，17）中由超导材料制成的电导体以预定的次数顺着电解池（2）的一排或多排布置，从而可以使用输送电流强度介于5kA-40kA之间的用于次级电路（16，17）的供电站（18）。

6.权利要求1至5任一项的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16、17）中至少一部分由超导材料制成的电导体位于一排或多排（F）中至少一个电解池（2）的下方。

7.权利要求1至6任一项的铝厂（1），其特征在于，所述次级电路（16，17）中至少一部分由超导材料制成的电导体顺着一排或多排（F）的电解池（2）的右侧和/或左侧布置。

8.权利要求1至7任一项的铝厂（1），其特征在于，每个由超导材料制成的电导体由包括中间的铜或铝制的芯的电缆、至少一种超导材料纤维和低温套管形成。

9.权利要求8的铝厂（1），其特征在于，冷却液流过所述低温套管。

10.权利要求9的铝厂（1），其特征在于，所述冷却液为液氮和/或液氦。

11.权利要求1至10任一项的铝厂（1），其特征在于，所述由超导材料制成的电导体部分地置于形成磁屏蔽的闭合区域（20）内。

12.权利要求11的铝厂（1），其特征在于，所述形成磁屏蔽的闭合区域（20）位于一排或多排（F）电解池（2）的至少一个末端。

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