CN103785968A - 有机无机材料复合药皮钢基焊条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属材料领域，涉及一种有机无机材料复合药皮高韧性耐热钢基焊条及其制备方法。该方法包括以下步骤：1）粘接剂准备；2）药皮成份配制；3）焊丝制备；4）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5-0.6：1；焊条经13-16小时晾干，然后再放入烘箱内在180-210℃烘烤2-3小时，得到高抗拉强度不锈钢焊条。本发明的目的是提供了一种有机无机材料复合药皮高韧性耐热钢基焊条，其具有较高的对接接头抗拉强度；本发明的另一目的是提供一种高韧性耐热钢基焊条制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。

Description

有机无机材料复合药皮钢基焊条及其制备方法
 
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种有机无机材料复合药皮钢基焊条及其制备方法。
背景技术
CN201210441799.9介绍了一种镍铬钼合金系的镍基焊条，包括焊芯和药皮组成，其特征是：焊芯是采用ERNiCrMo-3焊芯；药皮组成：大理石20-40%，萤石25-35%，膨润土2-5%，硅铁1-4%，金属锰1-4%，纯碱0-2%，石英1-3%，碳酸锶1-3%，氟化钡2-5%，碳酸钡5-10%，钛酸钾2-6%，钛铁2-5%，铌粉3-6%，金属铬1-4%。但是该焊条形成的接头韧性偏低。
发明内容
本发明的目的就是针对上述技术缺陷，提供一种有机无机材料复合药皮钢基焊条，其具有较高的对接接头抗拉强度。
本发明的另一目的是提供该钢基焊条制备方法，该制备方法工艺简单，生产成本低，适于工业化生产。
本发明的具体技术方案如下：
一种有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，该焊条的各成份分别如下：
粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.5-2混合而成；其中钠水玻璃波美度Be 43.5-45.5，模数2.40-2.60，氧化钾质量百分含量为15.5-17.50%，二氧化硅质量百分含量为24.0-27.0%，其余为水；钾水玻璃波美度0.44-0.46，模数2.6-2.9，二氧化硅质量百分含量为25.7-25.9%，氧化钠质量百分含量为12.8-13%，其余为水； 
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为：C 0.5-0.54%，Si 0.28-0.35 %，W 4.0-7.0%，Co 0.03-0.04%，Sr 0.02-0.03%，Tc 3-5%，Zr 2-6%，其余为Fe；
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑 3-7%，氧化钙 4-8%，氟铝酸钠 2-6%，碳酸钾 4-9%，氧化锰 2-4%，金红石 2-7%，二氧化硅 8-10%，钛铁合金3-6%，铬铁合金3-6%，锆铁合金4-7%，多元合金粉 15-20%，其余为碳酸钙；
所述多元合金粉中各成份的重量百分含量为Tc 0.05-0.1%，W 0.05-0.1%，Al 0.05-0.08%，Zr 0.3-0.6%，Co 1-4%，Sr 0. 5- 1 %，Mn 1-3%，B 4-7%，Si 5-8%，Ni 1-3%，其余为Fe。
所述药皮成份与粘接剂的重量比为100：6-11；所焊丝的直径为4-6mm，长度为400mm；药皮的厚度为1-3mm。
上述有机无机材料复合药皮钢基焊条制备方法，该方法包括以下步骤如下：
1）粘接剂准备：按上述重量比准备粘接剂；
2）药皮成份配制：按照上述重量比取药皮成份，并混合均匀；其中钛铁合金中各成份的重量百分含量为Ti 20-25%，C 0.10-0.13%，Si 4-4.3%，Pb 2.5-3.5%，其余为Fe；铬铁合金中各成份的重量百分含量为Cr 63.0-75.0%，其余为Fe；锆铁合金中各成份的重量百分含量为Zr 35-38%，其余为Fe；金红石中各成份的重量百分含量为TiO2 95%，其余为SiO2；其中多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9%；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570-1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50-100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3-0.6 mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50 mm，厚度为18-24μm的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为22-25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20-24小时，得到多元合金粉；药皮各成份与上述步骤1）粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：6-11； 
4）焊丝制备：按照上述重量比进行配料，所有原料纯度均大于99.9%；在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590-1610℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360-1390℃；
5）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5-0.6：1；焊条经13-16小时晾干，然后再放入烘箱内在180-210℃烘烤2-3小时，得到高抗拉强度不锈钢焊条。
步骤2）中长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.1-0.4mm，长度为10-50mm。
步骤2）中多元合金粉的颗粒直径在500-900μm。
步骤3）中所述柱状毛坯直径为20-22mm；所述焊丝直径为4-6mm。
本发明相比现有技术具有如下有益效果：
本发明焊丝中加入Co、W、Tc、Sr等微量元素后，使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，大大提高了钢铁材料的抗蚀能力。
本发明的多元合金粉既是脱氧剂，也是合金剂。多元合金粉中的Co、Zr、W、Ni可参与钢的合金化过程，起固溶强化作用，提高焊接接头的强度和韧性；Tc、Al可以细化接头的组织，起晶界强化作用。Mn、B、Si、Sr可起脱氧作用。钛铁合金为脱氧剂，铬铁合金、锆铁合金为合金剂。氟铝酸钠为稀渣剂，稀释熔渣，以增加其活性。
材料中木屑、碳酸钙为造气剂，这些物质在焊条融化时能产生大量的一氧化碳、二氧化碳、氢气等，包围电弧，保护金属不被氧化和氮化。金红石、氧化锰、二氧化硅、氧化钙为造渣剂。碳酸钾为稳弧剂，是一种容易电离的物质，能提高电弧燃烧稳定性，并使电弧易于引燃。钾水玻璃、钠水玻璃为粘接剂，使药皮各组成粘结起来并粘结于焊芯周围。本发明的焊条具有较高的强度和低温冲击韧性、良好的焊接工艺性。焊接时电弧稳定，操作容易，焊缝成型好，脱渣方便；生产工艺简单，成本较低。 
附图说明
图1为本发明实施例一制备的有机无机材料复合药皮钢基焊条药皮组织图。
 
具体实施方式
以下各实例中所用原料：
钠水玻璃波美度Be 43.5-45.5，模数2.40-2.60，其中，氧化钾质量百分含量为15.5-17.50%，二氧化硅质量百分含量为24.0-27.0%，其余为水；
钾水玻璃波美度0.44-0.46，模数2.6-2.9，其中，二氧化硅质量百分含量为25.7-25.9%，氧化钠质量百分含量为12.8-13%，其余为水；
其中木屑，氧化钙粉，氟铝酸钠粉，碳酸钾粉，氧化锰粉，金红石粉，二氧化硅粉，钛铁合金粉，铬铁合金粉，锆铁合金粉，碳酸钙粉的细度均为400-600μm。
钛铁合金粉中各成份的重量百分含量为Ti25%，C 0.10%，Si 4%，Pb 2.5%，其余为Fe。
铬铁合金粉中各成份的重量百分含量为Cr 65.0%，其余为Fe；
锆铁合金中各成份的重量百分含量为Zr 35%，其余为Fe；
木屑为（工业纯）
金红石中各成份的重量百分含量为TiO2 95%，其余为SiO2。
实施例一：
本发明有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，该焊条的制备过程如下：
1）粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.5混合而成； 
2）药皮成份：各成份按重量百分含量为木屑3％；氧化钙粉4％；氟铝酸钠 2％；碳酸钾粉4％；氧化锰粉2％；金红石粉2％；二氧化硅粉8％；钛铁合金粉3％；铬铁合金粉3％；锆铁合金粉4％；多元合金粉15%，其余为碳酸钙粉进行配料，各成份混合均匀。
其中多元合金粉中各成份的重量百分含量为：合金粉的化学组成的重量百分数为Sm 0.07%，Tc 0.06%，Sr 0.06%，V 0.5%，W 2%，Sr 1%，Zr 4%，B 2%，Si 5%，Ni 6%，其余为Fe。多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9%；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.2mm，长度为10mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50 mm，厚度为18-24μm的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为22m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20小时，得到多元合金粉，多元合金粉的粒径为500-900μm。
药皮成份与上述粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：6； 
3）焊丝制备：按照上述重量比：C 0.5%,Si 0.28 %,W 4.0 %,Co 0.03%, Sr 0.02%,Tc 3%,Zr 2%，其余为铁进行配料，所有原料纯度均大于99.9%；各原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360℃，柱状毛坯直径为20mm，焊丝直径为4mm，长度为400mm。
4）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5：1，药皮的厚度为1-3mm；焊条经13小时晾干，然后再放入烘箱内在180℃烘烤2小时，得到有机无机材料复合药皮钢基焊条。
实施例二：
本发明有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，该焊条的各成份分别如下：
1）粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：2混合而成；
2）药皮成份：各成份按重量百分含量为：木屑7％；氧化钙粉 8％；氟铝酸钠粉6％；碳酸钾粉9％；氧化锰粉4％；金红石粉7％；二氧化硅粉10％；钛铁合金粉6％；铬铁合金粉6％；锆铁合金粉7％；多元合金粉20%，其余为碳酸钙粉进行配料，各成份混合均匀。
其中多元合金粉中各成份的重量百分含量为：Sm 0.1%，Tc 0.1%，Sr 0.08%，V 0.9%，W 4%，Sr 4%，Zr 8%，B 6%，Si 8%，Ni 9%，其余Fe。多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9%；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.4mm，长度为50mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3-0.6 mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为50 mm，厚度为24μm的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨24小时，得到多元合金粉，多元合金粉的粒径为500-900μm。
药皮成份与上述粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：10； 
3）焊丝制备：按照各化学成份的重量百分含量为：C 0.54%,Si 0.35 %,W 7.0%,Co 0.04%, Sr 0.030%, Tc 5%, Zr 6%，其余为铁进行配料，所有原料纯度均大于99.9%；各原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360℃，柱状毛坯直径为20mm，焊丝的直径为6mm，长度为400mm。
4）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.6：1；药皮的厚度为1-3mm。焊条经16小时晾干，然后再放入烘箱内在210℃烘烤3小时，得到有机无机材料复合药皮钢基焊条。
实施例三：
本发明有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，该焊条的制备过程如下：
1）粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.8混合而成；
2）药皮成份：各成份按重量百分含量为：木屑：5％；氧化钙粉 6％；氟铝酸钠粉4％；碳酸钾粉5％；氧化锰粉3％；金红石粉6％；二氧化硅粉9％；钛铁合金粉4％；铬铁合金粉4％；锆铁合金粉5％；多元合金粉18%，其余为碳酸钙粉进行配料，各成份混合均匀。
其中多元合金粉中各成份的重量百分含量为：Tc 0.08%，W 0.08%，Al 0.07%，Zr 0.5%，Co 3%，Sr 0.8%，Mn 2%，B 5%，Si 6%，Ni 2%，其余为Fe。多元合金粉的制备：按照重量百分数比：Sm 0.08%，Tc 0.08%，Sr 0.07%，V 0.7%，W 3%，Sr 2%，Zr 5%， B 4%，Si 6%，Ni 8%，其余Fe进行配料，原料的纯度均大于99.9%；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1580℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为70kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴，长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.3mm，长度为30mm；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.5mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50 mm，厚度为18-24μm的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为24m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20小时，得到多元合金粉，多元合金粉的粒径为500-900μm。
药皮成份与上述粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：8。 
4）焊丝制备：按照重量百分比C 0.5 %,Si 0.3 %,W 6.0%,Co 0.04%, Sr 0.030%, Tc 4%,Zr 4%，其余为铁进行配料，所有原料纯度均大于99.9%；在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590-1610℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1380℃，柱状毛坯直径为20 mm，焊丝直径为6mm，长度为400mm。
5）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5：1，药皮的厚度为1-3mm；焊条经 16小时晾干，然后再放入烘箱内在200℃烘烤2小时，得到有机无机材料复合药皮钢基焊条。
实施例四：（成分配比不在本发明涉及比例范围内）
本发明有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，焊丝的直径为4mm，长度为400mm，药皮的厚度为1mm；钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。该焊条的各成份分别如下：
粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.5混合而成； 
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为：C 0.4%，Si 0.2 %，W 3%，Co 0.02%，Sr 0.01%，Tc 2%，Zr 1%，其余为Fe；
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑 2%，氧化钙粉3%，氟铝酸钠粉1%，碳酸钾粉3%，氧化锰粉1%，金红石粉1%，二氧化硅粉7%，钛铁合金粉2%，铬铁合金粉2%，锆铁合金粉3%，多元合金粉 14%，其余为碳酸钙粉；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：5。
多元合金粉中各成份的重量百分含量为Tc 0.05%，W 0.05%，Al 0.05%，Zr 0.3%，Co 1%，Sr 0. 5 %，Mn 1%，B 4%，Si 5%，Ni 1%，其余为Fe。
该有机无机材料复合药皮钢基焊条其它条件及制备过程同实施例一。
实施例五：（成分配比不在本发明涉及比例范围内）
本发明有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，焊丝的直径为4mm，长度为400mm，药皮的厚度为1mm；钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围。该焊条的各成份分别如下：
粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.5混合而成； 
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为：C 0.6%，Si 0.4 %，W 8.0%，Co 0.05%，Sr 0.04%，Tc 6%，Zr 7%，其余为Fe。
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑 8%，氧化钙粉9%，氟铝酸钠粉7%，碳酸钾粉10%，氧化锰粉5%，金红石粉8%，二氧化硅粉11%，钛铁合金粉7%，铬铁合金粉8%，锆铁合金粉8%，多元合金粉 22%，其余为碳酸钙粉；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：5。
多元合金粉中各成份的重量百分含量为Tc 0.05%，W 0.05%，Al 0.05%，Zr 0.3%，Co 1%，Sr 0. 5 %，Mn 1%，B 4%，Si 5%，Ni 1%，其余为Fe。
该有机无机材料复合药皮钢基焊条其它条件及制备过程同实施例一。
 
表一
Figure 2014100573770100002DEST_PATH_IMAGE001
 
由上表可见，本发明制备的焊条抗拉强度优良，而且具有较好的抗冲击性。性能优于对比材料焊条。且当成份配比不在本发明设计方案内，抗拉强度和抗冲击性会有所下降。

Claims (6)

1.一种有机无机材料复合药皮钢基焊条，由焊丝和药皮构成，药皮包裹焊丝，钠水玻璃和钾水玻璃为粘接剂，药皮粘结在焊丝周围，其特征是：该焊条的各成份分别如下：
粘结剂成份：由钠水玻璃和钾水玻璃按重量比为1：1.5-2混合而成；其中钠水玻璃波美度Be 43.5-45.5，模数2.40-2.60，氧化钾质量百分含量为15.5-17.50%，其中二氧化硅质量百分含量为24.0-27.0%，其余为水；钾水玻璃波美度0.44-0.46，模数2.6-2.9，其中二氧化硅质量百分含量为25.7-25.9%，氧化钠质量百分含量为12.8-13%，其余为水； 
焊丝成份：各化学成份的重量百分含量为：C 0.5-0.54%，Si 0.28-0.35 %，W 4.0-7.0%，Co 0.03-0.04%，Sr 0.02-0.03%，Tc 3-5%，Zr 2-6%，其余为Fe；
药皮成份：各化学成份的重量百分含量为：木屑 3-7%，氧化钙 4-8%，氟铝酸钠 2-6%，碳酸钾 4-9%，氧化锰 2-4%，金红石 2-7%，二氧化硅 8-10%，钛铁合金3-6%，铬铁合金3-6%，锆铁合金4-7%，多元合金粉 15-20%，其余为碳酸钙；
所述多元合金粉中各成份的重量百分含量为Tc 0.05-0.1%，W 0.05-0.1%，Al 0.05-0.08%，Zr 0.3-0.6%，Co 1-4%，Sr 0. 5- 1 %，Mn 1-3%，B 4-7%，Si 5-8%，Ni 1-3%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述有机无机材料复合药皮钢基焊条，其特征是：所述药皮成份与粘接剂的重量比为100：6-11；所焊丝的直径为4-6mm，长度为400mm；药皮的厚度为1-3mm。
3.权利要求1所述有机无机材料复合药皮钢基焊条制备方法，其特征是：该方法包括以下步骤如下：
1）粘接剂准备：按上述重量比准备粘接剂；
2）药皮成份配制：按照上述重量比取药皮成份，并混合均匀；其中钛铁合金中各成份的重量百分含量为Ti 20-25%，C 0.10-0.13%，Si 4-4.3%，Pb 2.5-3.5%，其余为Fe；铬铁合金中各成份的重量百分含量为Cr 63.0-75.0%，其余为Fe；锆铁合金中各成份的重量百分含量为Zr 35-38%，其余为Fe；金红石中各成份的重量百分含量为TiO2 95%，其余为SiO2；其中多元合金粉的制备：按照上述重量比进行配料，原料的纯度均大于99.9%；将原料放入真空感应炉中熔炼，熔炼温度为1570-1590℃，得到母合金液体；然后将母合金液倒入装有感应加热圈的坩埚中间包；感应加热圈的频率为50-100kHz，中间包本体下部开有长方孔喷嘴；长方孔喷嘴下部为冷却辊，冷却辊和喷嘴间距为0.3-0.6 mm；当冷却辊转动后，坩埚中间包中的母液与冷却辊接触形成宽度为10-50 mm，厚度为18-24μm的带材；冷却辊轮缘的旋转线速度为22-25m/s；然后将得到的带材放入球磨机中研磨20-24小时，得到多元合金粉；药皮各成份与上述步骤1）粘接剂混合均匀，形成药皮料泥；其中药皮成份与上述粘接剂的重量比为100：6-11； 
3）焊丝制备：按照上述重量比进行配料，所有原料纯度均大于99.9%；各原料在感应炉中熔炼，熔炼温度为1590-1610℃，浇注成柱状毛坯，然后通过热拔方法形成焊丝，热拔温度为1360-1390℃；
4）将混好的药皮料泥沿焊芯长度方向均匀分布涂在焊丝上；药皮料泥与焊丝的重量比为0.5-0.6：1；焊条经13-16小时晾干，然后再放入烘箱内在180-210℃烘烤2-3小时，得到高抗拉强度不锈钢焊条。
4.根据权利要求3所述有机无机材料复合药皮钢基焊条制备方法，其特征是：步骤2）中长方孔喷嘴尺寸为：宽度为0.1-0.4mm，长度为10-50mm。
5.根据权利要求3所述有机无机材料复合药皮钢基焊条制备方法，其特征是：步骤2）中多元合金粉的颗粒直径在500-900μm。
6.根据权利要求3所述有机无机材料复合药皮钢基焊条制备方法，其特征是：步骤3）中所述柱状毛坯直径为20-22mm；所述焊丝直径为4-6mm。
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