CN111650096A - 费氏粒度标准样品及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种费氏粒度标准样品及其制备方法和应用。费氏粒度标准样品的制备方法包括:(1)确定原料的形貌、刚性、粒度分布和比表面积;(2)制备形貌、刚性、粒度分布和比表面积在步骤(1)所确定的范围内的原料候选物;(3)对所述候选物进行均匀性检查;(4)均匀性检验合格后,随机抽取候选物交由m家测试机构进行协作定值,得到定值数据,其中,m≥6;(5)对步骤(4)得到的定值数据进行数理统计分析,计算费氏粒度标准样品的特征值,以及特征值的不确定度的评定。采用该方法制备的标准样品能够满足费氏粒度准确检测的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种费氏粒度标准样品及其制备方法和应用。
背景技术
空气透过法作为一种简单、快速测定粉末平均粒度(也称费氏粒度)的方法,它的特点是取样量多、代表性强、重现性好,是国际上公认的测量粉末平均粒度的主要方法之一,在硬质合金生产中得到了广泛的应用。其费氏粒度值是硬质合金生产过程中工艺控制的主要参数,也是硬质合金生产原料重要的质量指标,在硬质合金生产过程中有着不可替代的重要性。然而适应于硬质合金原料生产控制的费氏粒度标准样品在国际、国内还是空白;不同厂家、不同仪器之间存在较大的系统偏差,无法评价检测结果的准确性和仪器之间的差异性;也无法监控操作员、环境等因素造成的测试结果偏差。因此研制费氏粒度标准样品是十分必要且十分迫切。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题,本发明提供一种费氏粒度标准样品的制备方法,采用该方法制备的标准样品能够满足费氏粒度准确检测的要求。
本发明第一方面提供了一种费氏粒度标准样品的制备方法,包括:
(1)确定原料的形貌、刚性、粒度分布和比表面积;
(2)制备形貌、刚性、粒度分布和比表面积在步骤(1)所确定的范围内的原料候选物;
(3)对所述候选物进行均匀性检查;
(4)均匀性检验合格后,随机抽取候选物交由m家测试机构进行协作定值,得到定值数据,其中,m≥6,优选为6-15;优选地,每家测试机构对每个候选物测试至少n次,其中,n≥6,优选为8-10;
(5)对步骤(4)得到的定值数据进行数理统计分析,计算费氏粒度标准样品的特征值,以及特征值的不确定度的评定。
发明人经过研究,发现:现有技术中,粒度检测的标准样品多为玻璃珠、钢珠和碳黑,玻璃珠因其刚性不够,在压实过程中易破碎,多用于粒度分布检测方法;而钢珠因工艺及产品特性,其粒度尺寸基本都大于100μm以上,无法满足定值梯度要求,而碳黑粒度多为1μm以下,表面积大,主要用于比表面积检测方法,也无法满足定值梯度要求。因此,本发明优选采用硬质合金冶金粉末,其粒度尺寸范围广,从0.2μm到50μm的产品均可获得。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述原料具有规则形貌,优选为球形、类球形和正四棱形中的一种或多种,更进一步优选地,所述原料的表面光滑、无裂缝。在本发明中,可以通过电镜进行形貌分析,选取球形度较好,表面光滑、无裂缝、均匀、规则的原料。在本发明中,“类球形”是指粉体的形状近似球形。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述原料的粒度分布为单峰。单峰优选条件说明原料无团聚现象。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述原料的粒度值满足定值梯度要求;进一步优选地,所述原料可获得不同粒度范围值。其中,所述定值梯度是指费氏粒度仪的高档值和低档值。高档值通常用于标定较细粉末的测定,即0.2~20μm;低档值用于标定较粗粉末的测定,即20~50μm。
根据本发明所述的制备方法的一些具体实施方式,因费氏粒度仪有高值和低值两档,优选在高值档和低值档分别设计1个费氏粒度标准点,进而能够覆盖粒度全范围。因此,优选地,所述原料包括一组粒度值为20μm以下的原料和一组粒度值为20-50μm的原料。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,粒度值为20μm以下的原料的粒度分布的径距不大于0.9,优选不大于0.86。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,粒度值为20-50μm的原料的粒度分布的径距不大于1.2,优选不大于1.1。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,粒度值为20μm以下的原料的比表面积不大于0.15m2/g。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,粒度值为20-50μm的原料的比表面积不大于0.05m2/g。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述候选物的材质为硬质合金生产原料。优选地,所述候选物为硬质合金冶金粉末。例如但不限于:钨粉、碳化钨粉末、钴粉等难熔金属及其化合物粉末。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述刚性的测试标准为:将原料在50Ibf的压力下压实a次,其中,a≥5,优选为5-10,原料的D10粒度分布值变异系数≤5%,D50粒度分布值变异系数≤3%,D90粒度分布值变异系数≤5%;且粒度值为20μm以下的原料的费氏粒度相对标准偏差≤2%,和/或,粒度值为20-50μm的原料的费氏粒度相对标准偏差≤5%。
根据本发明所述的制备方法的一种实施方式,制备钨粉(硬质合金)候选物的方法优选为依次通过压煮、净化、萃取、结晶、干燥、煅烧、还原、过筛,制备得到的钨粉。在本发明中,压煮、净化、萃取、结晶、干燥、煅烧和还原的方法可以为本领域常规的方法,在此不再赘述。
根据本发明的一种具体的优选的实施方式,粒度值约为5μm的钨粉(原料)候选物的制备方法可以为:钨精矿通过压煮→净化→萃取→结晶→干燥→煅烧→得到粒度值在20-25μm的WO3→还原→过筛(180目)。
根据本发明的另一种具体的优选的实施方式,粒度值约为25μm的钨粉(硬质合金原料)候选物的制备方法可以为:钨精矿通过压煮→净化→萃取→结晶→干燥→煅烧→得到粒度值为30-35μm的WO3→还原→过筛(-100目)→钨粉→再经过-270目至+800目的筛分。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述均匀性检查包括初检和复检。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述初检的方法包括:随机抽取b个候选物,根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》对每个试样重复测定c次,并采用方差检验法对测定的数据进行统计,其中,b≥10,优选为10-20,c≥3,优选为3-6,所述方差检验法根据YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》进行计算。
根据本发明所述的制备方法的一些具体实施方式,所述初检的方法可以为:在盛有粉末候选物的料桶中,用取样杆,采用梅花点取样法分别插取5杆,然后在杆上取上、中、下三点,每个标准点15个试样,共30个试样,通过方差检验法进行均匀性统计判断。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述复检的方法包括:将初检合格的候选物装瓶,每瓶为最小包装单元d,总瓶数为e,抽取e的2-3%,且抽取瓶数≥15,优选为15-30,根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》对每个试样重复测定f次,其中,f≥3,优选为3-6,并采用方差检验法对测定的数据进行统计,所述方差检验法根据YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》进行计算。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,将初检合格的候选物装瓶的操作方法可以为:在超净室内按200克/瓶,分装于洗净、烘干后的玻璃瓶中,密封保存。每瓶的克数可以根据需要而定,并不限于200克。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述数理统计分析包括:异常值检验、正态分布检验、平均值的异常值检验和等精度检验。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述异常值检验的方法为狄克松(Dixon)检验法。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述正态分布检验的方法为夏皮罗-威尔克检验法。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述平均值的异常值检验的方法为格拉布(Grubbs)法。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述等精度检验的方法为科克伦(Cochran)法。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述费氏粒度标准样品的特征值根据式I计算:
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述特征值的不确定度根据式II至式VI计算:
U=k×uc(式VI)
其中,表示单次测量的标准偏差,m表示测试机构的数目,表示第i家测试机构对同一候选物的测定平均值;表示标准样品的费氏粒度的特征值;uA表示A类不确定度;ui表示不均匀性引起的不确定度;ur表示不稳定性引起的不确定度;Q1表示组间偏差平方和;Q2表示组内偏差平方和;v1表示组间自由度;v2表示组内自由度;n表示每家测试机构对每个标准样品的测试次数;uc表示合成标准不确定度;U表示特征值的不确定度;k表示由置信概率和自由度决定的包含因子,优选地,k为2-3。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,自由度计算公式如下:
v1=m-1;v2=m(n-1)
其中,v1表示组间自由度,v2表示组内自由度,m表示标准样品的个数,n表示同一标准样品的测量次数。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,统计量计算公式如下:
其中,F表示统计量;Q1表示组间偏差平方和;Q2表示组内偏差平方和;v1表示组间自由度;v2表示组内自由度。
根据本发明所述的制备方法的一些实施方式,所述标准样品的费氏粒度的标准值为:
本发明第二方面提供了由上述的方法制备的费氏粒度标准样品。
本发明第三方面提供了由上述的方法制备的费氏粒度标准样品和/或上述的费氏粒度标准样品在费氏粒度检测中的应用,尤其是硬质合金领域中的费氏粒度检测。
本发明的发明人经过研究发现:粒度检测的标准样品多为玻璃珠、钢珠和碳黑,玻璃珠因其刚性不够,在压实过程中易破碎,多用于粒度分布检测方法;而钢珠因工艺及产品特性,其粒度尺寸基本都大于100μm以上,碳黑粒度多为1μm以下,表面积大,主要用于比表面积检测方法;而应用于费氏粒度检测的标准样品还是空白(费氏粒度检测的范围为0.5μm-50μm)。本发明创新性在于:(1)采用了与硬质合金粉末冶金烧结材料一致的材料作为费氏粒度标准,消除了方法基体效应引入的系统误差;(2)设计的费氏值与硬质合金粉末冶金原料费氏粒度有了较好的一致性;(3)硬质合金原料粉末的粒度尺寸范围广,从0.2μm到50μm的产品均可获得,且易于复制。
本发明人根据硬质合金产品特性,对硬质合金原料通过化学成分、电镜形貌、粒度分布及化学稳定性等方面的研究及试验发现原料具有更好的球形度,且其表面较光滑,无孔隙,易获得均匀性好,粒度分布窄的颗粒,因此选择具有良好球形度、单峰和稳定性好的硬质合金原料粉末作为费氏粒度标准样品候选物,其能够满足颗粒测量梯度的校准需求。采用本发明的方法,能够成功地制备费氏粒度标准样品,有助于供需双方对测试要求和测试结果的统一,也将有效地检查仪器稳定性情况,有利于实验室间检测能力的比对,有利于实验室人员的操作考核,可以评价检测结果的准确性和仪器之间的差异性,对提升粉末质量控制和科研研发水平和能力具有十分重要的意义。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解,下面将结合实施例来详细说明本发明,这些实施例仅起说明性作用,并不局限于本发明的应用范围。
1、本发明的测试方法如下:
(1)粒度分布的径距的测定方法为:GB/T19077-2016/ISO 13320:2009粒度分布激光衍射法。
2、本发明所用设备如下:
电子显微镜购自日本,厂家日本电子,型号为JSM-6701F,
费氏粒度仪购自美国,厂家美国费歇尔仪器公司,型号为TM95。
比表面仪购自美国,厂家美国麦克仪器公司,型号为3020。
【实施例1】
(1)确定第一组钨粉(硬质合金冶金粉末)的粒度值为5μm,粒度分布为单峰,粒度分布的径距不大于0.9,规则颗粒(球形、类球形或正四棱形),表面光滑,比表面积不大于0.15m2/g;在50Ibf压力下反复压实5次,钨粉的D10粒度分布值变异系数≤5%,D50粒度分布值变异系数≤3%,D90粒度分布值变异系数≤5%,钨粉的费氏粒度相对标准偏差≤2%。
确定第二组钨粉(硬质合金冶金粉末)的粒度值为25μm,粒度分布为单峰,粒度分布的径距不大于1.2,规则颗粒(球形、类球形或正四棱形),表面光滑,比表面积不大于0.05m2/g;在50Ibf压力下反复压实5次,钨粉的D10粒度分布值变异系数≤5%,D50粒度分布值变异系数≤3%,D90粒度分布值变异系数≤5%,钨粉的费氏粒度相对标准偏差≤5%。
(2)制备第一组钨粉候选物:将粒度值为20μm-25μm的三氧化钨进行还原,得到钨粉,将该钨粉过180目筛,得到粒度值为5μm左右的第一组钨粉。然后根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》,测得第一组钨粉的费氏粒度值为4.76μm。并测得该原料的粒度分布为单峰,粒度分布的径距为0.849,比表面积为0.11m2/g。通过电子显微镜购观察,该原料具有规则形貌,类球形或正四棱形。在50Ibf的压力下分别压实5次,每压实1次测量1次费氏粒度和粒度分布,钨粉的D10粒度分布值的变异系数均为5%,D50粒度分布值变异系数3%,D90粒度分布值的变异系数为5%,钨粉的费氏粒度相对标准偏差为2%。
制备第二组钨粉候选物:将粒度值为30μm-35μm的三氧化钨进行还原,过100目筛得到钨粉,再将该钨粉过-270目至+800目筛,得到粒度值为25μm左右的第二组钨粉。然后根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》,测得第二组钨粉的费氏粒度值为23.79μm。并测得该原料的粒度分布为单峰,粒度分布的径距为1.066,比表面积为0.03m2/g。通过电子显微镜购观察,该原料具有规则形貌,类球形或正四棱形。在50Ibf的压力下分别压实5次,每压实1次测量1次费氏粒度和粒度分布,钨粉和的D10粒度分布值的变异系数均为5%,D50粒度分布值变异系数3%,D90粒度分布值的变异系数为5%,钨粉的费氏粒度相对标准偏差为5%。
(3)针对第一组钨粉和第二组钨粉,分别随机抽取15个试样,在重复的实验条件下,根据GB/T3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》对每个试样重复测定3次,并采用方差检验法对测定的数据进行统计,以判断样品的均匀性。
计算自由度ν1=m-1;ν2=m(n-1)
其中,m为15;n为3;表示第i个候选物的测定平均值;表示候选物的费氏粒度特征值;Q1表示组间偏差平方和;Xij为第i个候选物在第j次测试时的测试结果;Q2表示组内偏差平方和;v1表示组间自由度;v2表示组内自由度;F为统计量;从F检验临界值,查YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》的表得Fα。比较F和Fα:F<F0.05,结果表明:样品均匀性检验合格。
将均匀性初检合格后的第一组钨粉候选物和第二组钨粉候选物分别按200克/瓶,分装于洗净、烘干后的玻璃瓶中,密封保存。每一瓶为最小包装单元。按YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》中相关规定,每个钨粉分别抽取15瓶,共30瓶,作为标样均匀性复检的试样,采用GB/T3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》测试费氏粒度值,对每瓶样品编号,按以下顺序重复测量3次:
第一次:1-3-5-7-9-11-13-15-2-4-6-8-10-12-14
第二次:15-14-13-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1
第三次:2-4-6-8-10-12-14-1-3-5-7-9-11-13-15。
用方差分析法(F检验法)进行均匀性统计判断,结果表明:样品均匀性检验合格。
(4)委托国内11家实验室参与协作定值。采用的分析方法为国家标准分析方法GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》,每家实验室每个标准点报出8个独立的测定结果,每个标准点共报出11组数据。
(4.1)采用狄克松(Dixon)法对每组测定数据进行异常值检验,经判断无异常值,所有数据保留。
(4.2)用夏皮罗-威尔克检验法对各组平均值的正态性进行检验,计算公式为:
式中,k取值范围为1-h;n为测量次数,n是偶数时,h=n/2;n为奇数时h=(n-1)/2;ak是与n和k有关的特定值,可由夏皮罗-威尔克检验表中查得;Xn+1-k代表第n+1-k次测量结果;Xk代表第k次测量结果;;代表测量平均值。当W>W(n,P)时,则接受测定数据为正态分布,W(n,P)是与测定次数及置信概率有关的数值。本发明中,n=11,由此,h=5;查表得a1=0.5601,a2=0.3315,a3=0.2260,a4=0.1429、a5=0.0695。
查夏皮罗-威尔克检验表,W(11,0.95)=0.850,经计算第一组钨粉W11=0.920,第二组钨粉W11=0.954,W11>W(11,0.95),因此,第一组钨粉、第二组钨粉的测试数据的平均值共11个数据均符合正态分布。
(4.3)采用格拉布(Grubbs)法检验各组平均值间的一致性。将测定数据的每组8个平均值按从小到大的顺序排列,组成一组新的数据:
X1≤X2≤......≤Xn
第一组钨粉G1=1.935,Gn=1.179,第二组钨粉G1=1.524,Gn=1.579,在95%的置信概率下,查格拉布斯检验法的临界值表得G(0.05,11)=2.355,G1,Gn均小于G(0.05,11)值,因此得出检验结论:各组数据的平均值无离群值。
(4.4)采用科克伦(Cochran)法检验平均值间是否等精度,在95%置信概率下,查科克伦检验临界值表得C(0.05,11,8)=0.2482,C(0.01,11,8)=0.2893。计算第一组钨粉统计量C值=0.2859,第二组钨粉统计量C值=0.2853,统计量C(0.05,11,8)<C<C(0.01,11,8),因此得出检验结论:11组测试数据平均值之间无显著性差异,属于等精度测量。
(4.5)各平均值的总平均值为本费氏粒度标准样品的标准值的最佳估计值。
按下式计算:
(4.6)标准不确定度的组成
标准样品标准值的不确定度组成:A类不确定度、B类不确定度、不均匀性引起的不确定度和不稳定性引起的不确定度。
标准样品的A类不确定度用单次测量的标准偏差SX表示。
通过对测定影响因素的分析,估计出B类不确定度,记为u B。因为统计检验各实验室的测量方法之间属于等精度测量,故没有对各个实验室测量影响因素进行定量分析和评估,费氏粒度的B类不确定度忽略不计。
标准样品的不均匀性引起的不确定度采用样品组内组间均方根误差ul来表示:
其中,Q1为组间偏差平方和;Q2为组内偏差平方和;v1为组间自由度;v2为组内自由度;n为每家测试机构对每个标准样品的测试次数。
标准样品的不稳定性引起的不确定度采用样品组内组间均方根误差u r来表示:
其中,Q1为组间偏差平方和;Q2为组内偏差平方和;v1为组间自由度;v2为组内自由度;n为每家测试机构对每个标准样品的测试次数。
计算合成标准不确定度:
计算扩展不确定度U:
U=k×uc
式中,k为由置信概率和自由度决定的包含因子,本标准样品扩展不确定度评定是取置信概率为95%,k=t(0.05,11)=2.20。
本硬质合金粉末费氏粒度标准样品的标准值表示如下:
通过上述实施例能够看出,采用本发明方法能够成功地制备费氏粒度标准样品,有助于供需双方对测试要求和测试结果的统一,也将有效地检测测试仪器稳定性情况,有利于实验室间检测能力的比对,有利于实验室人员的操作考核,可以评价检测结果的准确性和仪器之间的差异性,对提升粉末质量控制和科研研发水平和能力具有十分重要的意义。
此外,在实施例1中制备了两组钨粉标准品,是因为考虑到费氏粒度仪有高值和低值两档,优选在高值档和低值档分别设计1个费氏粒度标准点,进而能够覆盖粒度全范围。如果仅制备一组标准粉,也是可以的。可以根据需要而制备一组或多组。
以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说,在本发明所提供的技术启示下,作为本领域的公知常识,还可以做出其它等同变型和改进,也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种费氏粒度标准样品的制备方法,包括:
(1)确定原料的形貌、刚性、粒度分布和比表面积;
(2)制备形貌、刚性、粒度分布和比表面积在步骤(1)所确定的范围内的原料候选物;
(3)对所述候选物进行均匀性检查;
(4)均匀性检验合格后,随机抽取候选物交由m家测试机构进行协作定值,得到定值数据,其中,m≥6,优选为6-15;优选地,每家测试机构对每个候选物测试至少n次,其中,n≥6,优选为8-10;
(5)对步骤(4)得到的定值数据进行数理统计分析,计算费氏粒度标准样品的特征值,以及特征值的不确定度的评定。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述原料具有规则形貌,优选为球形、类球形和正四棱形中的一种或多种;
优选地,所述原料的粒度分布为单峰;
优选地,粒度值为20μm以下的原料的粒度分布的径距不大于0.9,优选不大于0.86;和/或,粒度值为20-50μm的原料的粒度分布的径距不大于1.2,优选不大于1.1;
优选地,粒度值为20μm以下的原料的比表面积不大于0.15m2/g;和/或,粒度值为20-50μm的原料的比表面积不大于0.05m2/g;
优选地,所述候选物的材质为硬质合金生产原料;优选地,所述候选物为硬质合金冶金粉末。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法,其特征在于,所述刚性的测试标准为:将原料在50Ibf的压力下压实a次,其中,a≥5,优选为5-10,原料的D10粒度分布值变异系数≤5%,D50粒度分布值变异系数≤3%,D90粒度分布值变异系数≤5%;且粒度值为20μm以下的原料的费氏粒度相对标准偏差≤2%,和/或,粒度值为20-50μm的原料的费氏粒度相对标准偏差≤5%。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述均匀性检查包括初检和复检;
优选地,所述初检的方法包括:随机抽取b个候选物,根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》对每个试样重复测定c次,并采用方差检验法对测定的数据进行统计,其中,b≥10,优选为10-20,c≥3,优选为3-6,所述方差检验法根据YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》进行计算;
优选地,所述复检的方法包括:将初检合格的候选物装瓶,每瓶为最小包装单元d,总瓶数为e,抽取e的2-3%,且抽取瓶数≥15,优选为15-30,根据GB/T3249-2009《金属及其化合物粉末费氏粒度的测定方法》对每个试样重复测定f次,其中,f≥3,优选为3-6,并采用方差检验法对测定的数据进行统计,所述方差检验法根据YS/T409《有色金属产品分析用标准样品技术规范》进行计算。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的制备方法,其特征在于,所述数理统计分析包括:异常值检验、正态分布检验、平均值的异常值检验和等精度检验;
优选地,所述异常值检验的方法为狄克松检验法;
优选地,所述正态分布检验的方法为夏皮罗-威尔克检验法;
优选地,所述平均值的异常值检验的方法为格拉布法;
优选地,所述等精度检验的方法为科克伦法。
9.由权利要求1-8中任意一项所述的方法制备的费氏粒度标准样品。
10.由权利要求1-8中任意一项所述的方法制备的费氏粒度标准样品和/或权利要求9所述的费氏粒度标准样品在费氏粒度检测中的应用。
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