CN111360215A - 一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁体制备技术领域，公开了一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，步骤为：设计坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线；根据出液量变化范围对出液体积变化曲线进行分段，得出各出液段对应的浇铸角度段；计算浇铸总时间；根据各角度段之间出液量占总出液量百分比计算出各角度段时间，得到角度‑时间浇铸曲线；对冷却铜辊进行喷砂打磨；对原料进行变功率熔融和精炼；按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。本发明通过改变浇铸曲线得到厚度分布一致性好的甩片，并通过改变精炼过程及铜辊打磨方式提高柱状晶比例，细化晶粒，提高生产出的钕铁硼磁体的性能和生产效率。

Description

一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法

技术领域

本发明涉及永磁体制备技术领域，尤其是涉及一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法。

背景技术

烧结钕铁硼永磁材料，因其高剩磁、高矫顽力以及优异的加工性，被广泛应用在电机、 VCM、电子通讯、新能源等领域，作为第三代永磁材料，拥有良好的应用前景。熔炼是烧结钕铁硼磁体生产过程中的重要工序，熔炼过程是将经过预处理后的原材料按照比例配料，原料经高温融化成液体后，通过浇注器浇注到冷却铜辊，铜辊进行旋转冷却后得到甩片，使得产品成分均匀，结晶取向度高，组织一致性好，并且避免ɑ-Fe的生成。

而熔炼时均匀的甩片厚度和良好微观组织结构是获得高性能钕铁硼磁体的基础。为了使甩片获得均匀的厚度和良好的微观组织结构，现有技术中采用的方法包括：熔炼过程二次投料，可以提高熔炼效率；使用铝制坩埚进行熔炼，可以提升钕铁硼内禀矫顽力；在铜辊中内置超声波震动装置，使合金液冷却过程中始终处于高频震动状态，进而增加冷却形核点，达到细化晶粒提高柱状晶比例的效果。例如，一种在中国专利文献上公开的“超声波振荡熔炼钕铁硼合金的方法”，其公告号CN109468520A，包括以下步骤：在盛放钕铁硼合金原料的坩埚外围缠绕电磁线圈，电磁线圈通电加热钕铁硼合金原料开始融化时，将第一超声波发生器的振动杆与坩埚轴可旋转连接，直到精炼结束后，得到钕铁硼合金液，再将铜辊的一端与第二超声波发生器的振动杆可旋转连接，以使铜辊在旋转的同时产生振动，将钕铁硼合金液浇铸在铜辊上制成甩片。

但在熔炼过程中二次投料，对炉体极限真空度要求较高，且二次投料增加合金氧含量等不足，对生产出的钕铁硼磁体磁性能提高不明显；使用铝制坩埚进行熔炼，铝的引入对钕铁硼剩磁影响明显，对最终产品性能会造成不可控因素；在铜辊中内置超声波震动装置，合金液处于震动状态会影响整体甩片厚度分布的不均匀，一致性变差，且高频震动会使莫来石中间包边缘冷却层更容易剥离，造成浇铸过程中间包漏液。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中钕铁硼磁体熔炼过程中甩片厚度分布不均匀，且没有可以有效改善甩片微观组织结构的方法，生产出的钕铁硼磁体的磁性能无法满足日益提高的使用要求的问题，提供一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，通过改变浇铸曲线与匹配合理铜辊转速得到厚度分布一致性好的甩片，并通过改变精炼过程及铜辊打磨方式优化合金液结晶过程，提高柱状晶比例，细化晶粒，提高生产出的钕铁硼磁体的性能和生产效率。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，包括如下步骤：

(1)根据熔炼炉坩埚尺寸和浇铸角度θ计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线；

(2)根据出液量变化范围对出液体积变化曲线进行分段，得出各出液段对应的浇铸角度段；

(3)根据浇铸设备尺寸及甩片性质计算浇铸总时间T；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)对冷却铜辊进行喷砂打磨；

(6)对原料进行变功率熔融和精炼；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

现有技术中，浇铸过程中的出液量一般采用设备的预设值，出液量变化与最终得到的甩片厚度间的关系并没有得到研究，本发明申请人在实际生产经验结合大量实验的基础上发现，合理的角度-时间浇铸曲线可以保证浇铸时出液量的均匀一致，匹配合适的冷却铜辊转速后可以保证甩片厚度，最终得到理想厚度且厚度分布范围窄的甩片，因此本发明通过步骤(1) -(4)，根据实际生产中的坩埚尺寸、浇铸角度、甩片尺寸、铜辊尺寸等设计角度-时间浇铸曲线，根据该浇铸曲线进行浇铸，保证浇铸时出液量的均匀一致，得到的甩片厚度分布均匀，有利于提高最终制得的钕铁硼磁体的磁性能；出液量的均匀一致也可以避免浇铸过程中间包因断带而导致的中间包漏液，提高熔炼效率保证产品质量。

步骤(5)对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨后的铜辊表面会形成规则粗糙，利于合金液冷却，在贴辊面形成冷却梯度差，增加甩带冷却形核点，为冷却形核提供良好的晶体生长条件，提高柱状晶比例，改善甩片微观结构，并且对中间包与冷却铜辊的接合及运作不造成影响。

步骤(6)中对原料进行变功率熔融和精炼，改变熔炼功率可以在熔融原料中形成高低变化的电磁搅拌力，加强电磁搅拌效果，提高熔炼效率，促进合金成份均匀化。

作为优选，步骤(1)中，当θ＜59°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥59°时，V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H为坩埚高度，r为坩埚半径， b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A为修正系数。本发明申请人结合实际生产经验和理论研究得出，浇铸过程中的浇铸角度和理论出液体积之间符合上述关系，用本发明中的公式得到的理论出液体积随浇铸角度的变化曲线符合实际生产过程，通过该曲线得到的最终的角度-时间浇铸曲线对实际生产具有良好的指导意义。

作为优选，H为75～80cm，r为20～25cm。坩埚高度和半径在此范围内符合生产实际，并且生产出的甩片性能最佳。

作为优选，步骤(2)中以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围1～15％。本发明中出液量的变化范围根据实际生产经验设置，采用该分段方法可以保证各角度段内单位时间出液量均匀稳定。

作为优选，步骤(3)中浇铸总时间

其中m为熔融后的原料质量，d为甩片厚度，n为铜辊转速，L为甩带宽度，R为铜辊直径，ρ为甩片密度，A为修正系数。采用该公式计算出的浇铸总时间复合实际生产过程，通过计算出的浇铸总时间分配得到的各角度段浇铸时间，可以保证在各角度段浇铸范围内出液量均匀稳定，有效改善甩片的厚度分布。

作为优选，m为400～630kg，d为0.25～0.35mm，n为30～40转/min，L为35～46cm， R为58～62cm，ρ为7.4～7.6g/cm³。本发明中的各参数符合实际的生产经验，各参数在此取值范围内，得到的甩片厚度分布均匀度最好。

作为优选，修正系数A为0.9～1.2，修正系数根据实际生产中设备的情况确定。

作为优选，步骤(5)中喷砂打磨时的砂料包括石英砂、树脂砂、陶瓷砂、白刚玉、铁砂的一种或多种，砂料规格为6～400目。采用上述规格的砂料喷砂打磨后的冷却铜辊表面磨印规则，可以有效增加甩片冷却形核点，改善结晶过程，提高柱状晶比例。

作为优选，步骤(6)中变功率熔融和精炼步骤为：A)在第一高功率下熔融20～30min； B)在第一低功率下精炼3～15min；C)在第二高功率下精炼2～10min；D)在第二低功率下精炼2～10min；E)在第三高功率下精炼2～8min。在熔融和精炼过程中采用三段高功率和两段低功率交叉进行的方式，可以有效通过变化功率加强电磁搅拌效果，促进合金成份均匀化，提高精炼效率，有利于改善甩片的微观结构。

作为优选，第一高功率为500～550kW，第一低功率为200～450kW，第二高功率为300～500kW，第二低功率为150～400kW，第三高功率为200～500kW。三段高功率和两段低功率分别在此功率范围内，得到的甩片的合金成分均匀，微观组织结构最佳。

因此，本发明具有如下有益效果：

(1)据实际生产中的坩埚尺寸、浇铸角度、甩片尺寸、铜辊尺寸等设计角度-时间浇铸曲线，根据该浇铸曲线进行浇铸，保证浇铸时出液量的均匀一致，得到的甩片厚度分布均匀；出液量的均匀一致也可以避免浇铸过程中间包因断带而导致的中间包漏液，提高熔炼效率保证产品质量；

(2)对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨后的铜辊表面会形成规则粗糙，利于合金液冷却，在贴辊面形成冷却梯度差，增加甩带冷却形核点，为冷却形核提供良好的晶体生长条件，提高柱状晶比例，改善甩片微观结构，并且对中间包与冷却铜辊的接合及运作不造成影响；

(3)对原料进行变功率熔融和精炼，改变熔炼功率可以在熔融原料中形成高低变化的电磁搅拌力，加强电磁搅拌效果，提高熔炼效率，促进合金成份均匀化。

附图说明

图1是各实施例理论出液体积随浇铸角度的变化曲线。

图2是各实施例及对比例中的角度-时间浇铸曲线。

图3是各实施例及对比例中的出液速度随倾注角度的变化曲线。

图4是实施例1及各对比例中甩片的厚度分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述。

本发明各实施例和对比例中钕铁硼磁体原料均采用批量N46H配方，投料成份以质量分数计包括：PrNd 29.4％，Ho 1％，B 0.96％，Co 1.2％，Cu 0.15％，Al 0.4％，Ga0.15％， Zr 0.08％，余量为Fe，投料重量630kg。

实施例1：

一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，包括如下步骤：

(1)根据公式计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线：当θ＜59°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥59°时， V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H＝78cm，r＝22cm， b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A＝1.0；

(2)以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围1～15％，出液量变化5％为一段；

(3)计算浇铸总时间

其中m＝550kg，d＝0.30mm，n＝35转/min， L＝40cm，R＝60cm，ρ＝7.5g/cm³，A＝1.0；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)使用喷砂设备对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨时的砂料为10目石英砂；

(6)对原料进行变功率熔融和精炼：A)在550kW下熔融25min；B)在350kW下精炼10min；C)在450kW下精炼8min；D)在250kW下精炼8min；E)在400kW下精炼5min；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

实施例2：

一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，包括如下步骤：

(1)根据公式计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线：当θ＜59°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥59°时， V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H＝75cm，r＝20cm， b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A＝0.9；

(2)以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围1～15％，出液量变化5％为一段；

(3)计算浇铸总时间

其中m＝400kg，d＝0.25mm，n＝30转/min， L＝35cm，R＝58cm，ρ＝7.4g/cm³，A＝0.9；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)使用喷砂设备对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨时的砂料为100目质量比为1:1的石英砂和白刚玉的混合砂料；

(6)对原料进行变功率熔融和精炼：A)在500kW下熔融30min；B)在200kW下精炼15min；C)在300kW下精炼10min；D)在150kW下精炼10min；E)在200kW下精炼8min；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

实施例3：

一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，包括如下步骤：

(1)根据公式计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线：当θ＜59°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥59°时， V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H＝80cm，r＝25cm， b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A＝1.2；

(2)以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围1～15％，出液量变化5％为一段；

(3)计算浇铸总时间

其中m＝630kg，d＝0.35mm，n＝40转/min， L＝46cm，R＝62cm，ρ＝7.6g/cm³，A＝1.2；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)使用喷砂设备对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨时的砂料为400目的石英砂；

(6)对原料进行变功率熔融和精炼：A)在530kW下熔融20min；B)在450kW下精炼3min；C)在500kW下精炼2min；D)在400kW下精炼2min；E)在500kW下精炼2min；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

对比例1：

(1)用80目砂纸打磨冷却铜辊；

(2)在550kW下对原料进行恒定功率熔融和精炼；

(3)按设备常规操作方法将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

对比例2：

(1)根据公式计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线：当θ＜60°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥60°时， V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H＝78cm，r＝22cm， b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A＝1.0；

(2)以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围±1～15％，出液量变化±5％为一段；

(3)计算浇铸总时间

其中m＝550kg，d＝0.30mm，n＝35转/min， L＝40cm，R＝60cm，ρ＝7.5g/cm³，A＝1.0；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)用80目砂纸打磨冷却铜辊；

(6)在550kW下对原料进行恒定功率熔融和精炼；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

对比例3：

(1)用80目砂纸打磨冷却铜辊；

(2)对原料进行变功率熔融和精炼：A)在550kW下熔融25min；B)在350kW下精炼10min；C)在450kW下精炼8min；D)在250kW下精炼8min；E)在400kW下精炼5min；

(3)按设备常规操作方法将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

对比例4：

(1)使用喷砂设备对冷却铜辊进行喷砂打磨，喷砂打磨时的砂料为10目石英砂；

(2)在550kW下对原料进行恒定功率熔融和精炼；

(3)按设备常规操作方法将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

将上述实施例和对比例中制得的甩片制备成烧结钕铁硼磁体，并测试其磁性能，结果如表1所示。

烧结钕铁硼磁体的制备方法如下：

1、氢碎：正负检采用动态测试即炉体转动要求负检5分钟内压力上升≤15Pa；吸氢方式为饱和吸氢，脱氢温度560℃，脱氢真空度30-50Pa；

2、气流磨：粒度SMD＝3.30±0.05um防氧化剂磨前1‰防氧化剂+磨后0.7‰防氧化剂+0.3‰润滑剂；

3、成型：称粉机氧含量≤0.01％，成型氧含量≤0.05％，成型密度≥3.8g/cm³，磁场≥1.8T；冷等静压压力220MPa；

4、烧结工艺：1070℃烧结5.5h；一级回火工艺：900℃保温2h；二级回火工艺：510℃保温4h；

5、毛坯切割φ10*10(加减0.05mm)样柱测试磁性能。

表1：烧结钕铁硼磁体磁性能测试结果。

(其中剩磁(Br)——是永磁体在外加磁场中充磁后，撤去外场后磁体所保有的磁矩。

剩磁越大，磁能积越大；

矫顽力(Hcj)——使永磁体磁性消失，在于磁体磁化方向相反方向施加的外场强度，即Br＝0 时所对应的反向磁场强度。矫顽力越大，磁体抗干扰能力越强，即保持磁性的能力越强；

退磁曲线方形度(Hk/Hcj)——表征了磁铁在动态工作条件下的稳定性，退磁曲线方形度越接近1，磁体工作状态越稳定)。

从表1和图3、图4中可以看出，实施例1-3使用本发明中的方法制备甩片，浇铸过程中出液量均匀，制得的甩片的片厚均匀，片厚分布范围窄，柱状晶晶粒尺寸小且生成比例大，从而使最终制得的钕铁硼磁体的剩磁、矫顽力和退磁曲线方形度等磁性能均良好。

而对比例1中不使用本发明中的角度-时间浇铸曲线，不进行变功率熔融和精炼，也没有对冷却铜辊进行喷砂打磨，制备过程中出液量不均匀，制得的甩片厚度不均匀，且厚度分布范围宽，柱状晶比例明显降低，晶粒大小增大，导致最终制得的钕铁硼磁体的磁性能均有降低。

对比例2与实施例1相比，没有用冷却铜辊进行喷砂打磨，不进行变功率熔融和精炼，制得的甩片厚度分布均匀，厚度分布范围窄，但柱状晶晶粒尺寸较大，导致终制得的钕铁硼磁体的矫顽力和退磁曲线方形度均比实施例1中有所下降。

对比例3与实施例1相比，没有采用本发明中的浇铸曲线，也没有用冷却铜辊进行喷砂打磨，制得的甩片厚度分布不均匀，且厚度分布范围宽，柱状晶比例明显降低，晶粒大小增大，导致终制得的钕铁硼磁体的矫顽力和退磁曲线方形度均比实施例1中有明显下降。

对比例4与实施例1相比，没有采用本发明中的浇铸曲线，也没有进行变功率熔融和精炼，制得的甩片厚度分布不均匀，且厚度分布范围宽，柱状晶比例明显降低，晶粒大小增大，导致终制得的钕铁硼磁体的矫顽力和退磁曲线方形度均比实施例1中有明显下降。

因此，采用本发明中的方法可以有效改善甩片的厚度分布和微观结构组织，从而提高钕铁硼磁体的磁性能。

Claims (10)

1.一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，包括如下步骤：

(1)根据熔炼炉坩埚尺寸和浇铸角度θ计算熔融原料的出液体积V，得到坩埚浇铸过程理论出液体积随浇铸角度的变化曲线；

(2)根据出液量变化范围对出液体积变化曲线进行分段，得出各出液段对应的浇铸角度段；

(3)根据浇铸设备尺寸及甩片性质计算浇铸总时间T；

(4)根据步骤(2)各角度段之间出液量占总出液量百分比将浇铸总时间进行等比例分配，计算出各角度段时间，得到角度-时间浇铸曲线；

(5)对冷却铜辊进行喷砂打磨；

(6)对原料进行变功率熔融和精炼；

(7)按照浇铸曲线将熔融和精炼后的原料浇注至打磨后的冷却铜辊，旋转得到甩片。

2.根据权利要求1所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，步骤(1)中，当θ＜59°时，V＝πr²(H-r/tan(90°-θ))；当θ≥59°时，V＝Hr³/(r+b)(sinγ+(π-γ)cosγ-sinγ³/3)，其中H为坩埚高度，r为坩埚半径，b＝Hsin(90°-θ)/cos(90°-θ)-r，γ＝Acos(b/r)，A为修正系数。

3.根据权利要求2所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，H为75～80cm，r为20～25cm。

4.根据权利要求1所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，步骤(2)中以浇铸角度每变化0.1°时出液量的变化量进行分段，出液量变化范围1～15％。

5.根据权利要求1所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，步骤(3)中浇铸总时间

其中m为熔融后的原料质量，d为甩片厚度，n为铜辊转速，L为甩带宽度，R为铜辊直径，ρ为甩片密度，A为修正系数。

6.根据权利要求5所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，m为400～630kg，d为0.25～0.35mm，n为30～40转/min，L为35～46cm，R为58～62cm，ρ为7.4～7.6g/cm³。

7.根据权利要求2或5所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，修正系数A为0.9～1.2。

8.根据权利要求1所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，步骤(5)中喷砂打磨时的砂料包括石英砂、树脂砂、陶瓷砂、白刚玉、铁砂的一种或多种，砂料规格为6～400目。

9.根据权利要求1所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，步骤(6)中变功率熔融和精炼步骤为：A)在第一高功率下熔融20～30min；B)在第一低功率下精炼3～15min；C)在第二高功率下精炼2～10min；D)在第二低功率下精炼2～10min；E)在第三高功率下精炼2～8min。

10.根据权利要求9所述的一种改善钕铁硼磁体甩片厚度分布和微观组织结构的方法，其特征是，第一高功率为500～550kW，第一低功率为200～450kW，第二高功率为300～500kW，第二低功率为150～400kW，第三高功率为200～500kW。

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