CN113564553A - 一种旋转靶材的制作工艺及设备 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种旋转靶材的制作工艺及设备，涉及铸造技术领域。旋转靶材的制作工艺主要是将内衬管竖直插入熔池内，并由固设于熔池底部开口处的结晶器内穿出；往熔池内注入合金熔体；启动结晶器，使结晶器沿内衬管相对向上移动，直至合金熔体沿内衬管逐渐包裹于内衬管表面并凝固形成连续铸锭。旋转靶材的制作设备包括被配置为能够竖直升降移动升降平台，用于容纳合金熔体熔池，熔池固设于升降平台上，熔池的底部开口处固设有结晶器；用于固定内衬管并使内衬管竖直插入熔池内并由结晶器内穿出衬管固定装置。旋转靶材的制作工艺及设备用以制得纯度高、成分均匀的旋转靶材。

Description

一种旋转靶材的制作工艺及设备

技术领域

本申请涉及铸造技术领域，具体而言，涉及一种旋转靶材的制作工艺及设备。

背景技术

溅射靶材是制备表面电子薄膜的关键材料，由于平面靶材的利用率最高只能达到40％左右，为了提高靶材利用率，人们设计了效率更高的旋转靶材，用管状旋转靶材进行溅射镀膜。旋转靶材呈圆筒形，里面装有静止不动的磁体，工作时靶材慢速转动，其利用率可以高达80％以上。

目前旋转靶材的制造主要采用熔铸法，先将一定成分配比的合金原料熔炼成合金熔液，将内衬管竖直置于模具中心，再将合金熔液浇注于模具中，冷却形成铸锭，后经机械加工制成旋转靶材。这种制造方法的优点是获得的旋转靶材杂质含量低，密度高，可大型化生产；缺点是对于熔点和密度相差较大的两种或两种以上金属组成的合金熔液，难以获得成分均匀的合金旋转靶材。

发明内容

本申请实施例的目的在于提供一种旋转靶材的制作工艺及设备，用以制得纯度高、成分均匀的旋转靶材。

第一方面，本申请实施例提供了一种旋转靶材的制作工艺，其包括以下步骤：

将内衬管竖直插入熔池内，并由固设于熔池底部开口处的结晶器内穿出；

往熔池内注入合金熔体；

启动结晶器，使结晶器沿内衬管相对向上移动，直至合金熔体沿内衬管逐渐包裹于内衬管表面并凝固形成连续铸锭。

在上述实现过程中，使结晶器沿内衬管相对向上移动，结晶器移动就能使合金熔体沿内衬管逐渐挤出包裹于内衬管表面，因此本申请实施例实现合金熔体一边挤出一边冷却成型的铸造方式，避免了因凝固速度慢造成的重力偏析和熔点差异大造成的宏观偏析，微观组织分布均匀，无疏松气孔裂纹等缺陷，尤其是对熔点和密度相差较大的两种或两种以上金属，能够获得纯度高、成分均匀的合金靶材。

在一种可能的实现方式中，使结晶器沿内衬管相对向上移动的方式是：固定内衬管，使带有结晶器的熔池沿内衬管向上移动。

在上述实现过程中，固定内衬管，移动结晶器，容易实现结晶器沿内衬管向上移动，从而使合金熔体在内衬管表面逐渐成型连续铸锭。

在一种可能的实现方式中，内衬管表面的合金熔体的凝固速度与结晶器沿内衬管的相对移动速度相等；可选地，内衬管表面的合金熔体的凝固速度为2-10cm/min，结晶器沿内衬管的相对移动速度为2-10cm/min。

在上述实现过程中，使合金熔体的凝固速度与结晶器的移动速度相等，能够实现单位时间内结晶器移动成型出的合金熔体完全冷却成铸锭，避免因冷却速率不一致导致的成分不均匀。

第二方面，本申请实施例提供了一种旋转靶材的制作设备，其包括：

升降平台，升降平台被配置为能够竖直升降移动；

熔池，用于容纳合金熔体，熔池固设于升降平台上，熔池的底部开口处固设有结晶器；

衬管固定装置，用于固定内衬管并使内衬管竖直插入熔池内并由结晶器内穿出。

在上述实现过程中，通过衬管固定装置实现内衬管的固定，通过升降平台实现带有结晶器的熔池沿内衬管向上移动，通过结晶器移动实现合金熔体边挤出边冷却成型的铸造方式，从而制得纯度高、成分均匀的旋转靶材。

在一种可能的实现方式中，还包括用于喷射冷却气体的气体冷却软管，气体冷却软管的喷射端插入内衬管内，且喷射端与结晶器处于同一水平位置。

在上述实现过程中，在穿过结晶器的内衬管内部设置喷射冷却气体的气体冷却软管，并保持喷射端与结晶器始终位于同一水平位置，用于使内衬管快速降温，从而使由结晶器挤出的合金熔体能够快速冷却，保证形成的连续铸锭的成分一致性。

在一种可能的实现方式中，还包括用于熔炼形成合金熔体的熔化炉，熔化炉固设于升降平台上，并通过输送管道与熔池连通；

可选地，熔化炉包括炉体和设置于炉体开口顶部的保温密封盖，保温密封盖与炉体之间填设有密封圈；炉体外部设置有加热元件，保温密封盖上开设有两个孔，其中一个孔内插设有三通管的其中一个管道，三通管的另外两个管道分别与真空泵和充气瓶连接，另一个孔内插入输送管道。

在上述实现过程中，炉体配有保温密封盖，以及它们之间的密封圈用于保证熔化炉良好的气密性；加热元件实现合金熔体的生成和保温；三通管保证合金熔体生成过程中的条件，输送管道实现将合金熔体输送入熔池内。

在一种可能的实现方式中，熔池呈倒圆台形，熔池内设置有倒圆台形石墨环，倒圆台形石墨环与熔池内壁之间具有间隙；熔池外部设置有加热元件。

在上述实现过程中，熔池呈倒圆台形，能够保证熔池具有较大的容量，而且能够逐渐过渡至小直径的结晶器，结晶器的直径与旋转靶材的外径是一致的；石墨具有高导热性和润滑性，倒圆台形石墨环与合金熔体充分接触，起到冷却和引导合金熔体向下流动的作用。

在一种可能的实现方式中，结晶器包括圆形石墨环和内部通循环冷却水的铜管，圆形石墨环的一端连接熔池的底部开口，铜管绕设于圆形石墨环外部。

在上述实现过程中，结晶器的圆形石墨环以及铜管，能够使熔体内的合金熔体挤出并快速冷却成型，得到的铸锭为圆柱体。

在一种可能的实现方式中，还包括用于实现升降平台竖直升降移动的承重架、固定工作平台和升降电机，承重架的四根立柱均为工字钢，升降平台的四个角分别安装有导向轮，四个角的导向轮对应嵌入承重架的四根工字钢的凹槽内，固定工作平台设置于承重架顶部，升降电机安装于固定工作平台上，升降电机与升降平台连接，升降平台通过导向轮沿工字钢的凹槽上下滑动。

在上述实现过程中，通过称重家实现其他部件的布置，尤其是提供升降平台的移动轨道，而且移动平稳。

在一种可能的实现方式中，衬管固定装置包括用于夹紧内衬管顶端的上夹具和用于夹紧内衬管底端的下夹具，上夹具通过螺母丝杆固定于固定工作平台上，下夹具通过螺母丝杆固定于地面。

在上述实现过程中，上夹具和下夹具在螺母丝杠的传动下，可调节其夹持内衬管的位置，从而调节夹紧后上下两端夹紧处之间的距离。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种旋转靶材的制作设备的结构示意图；

图2为图1中安装工装的结构示意图；

图3为图1中熔铸工装的结构示意图；

图4为图1中衬管固定装置的结构示意图。

图标：001-内衬管；002-安装工装；003-熔铸工装；110-熔化炉；111-炉体；112-保温密封盖；120-输送管道；130-熔池；131-倒圆台形石墨环；141-圆形石墨环；142-铜管；151-加热元件；152-隔热材料；161-衬管加热线圈；162-线圈底座；163-工装底座；171-承重架；172-配重块；173-升降电机；174-固定工作平台；175-升降平台；181-上夹具；182-下夹具；183-电机；184-螺母丝杆；185-电机支架；191-气体冷却软管；192-冷却气管牵引电机；193-收放装置。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参看图1至图4，本实施例提供的一种旋转靶材的制作设备，其主要由安装工装002、熔铸工装003和衬管固定装置这三部分组成。安装工装002包括升降平台175，升降平台175被配置为能够竖直升降移动，用于承载熔铸工装003竖直移动；熔铸工装003包括熔化炉110和熔池130，熔化炉110通过输送管道120与熔池130连通，熔化炉110用于熔炼形成合金熔体，熔池130用于容纳合金熔体，熔池130固设于升降平台175上，熔池130的底部开口处固设有结晶器；衬管固定装置用于固定内衬管001并使内衬管001竖直插入熔池130内并由结晶器内穿出。

以下对各部分结构进行具体介绍和说明。

一、安装工装002，请参看图1和图2所示。

安装工装002实现其他部件的安装，具体地，安装工装002包括升降平台175，以及用于实现升降平台175竖直升降移动的承重架171、固定工作平台174和升降电机173。承重架171主要是由四根立柱组成，四根立柱均为工字钢，升降平台175的四个角分别安装有导向轮，升降平台175四个角的导向轮对应嵌入承重架171的四根工字钢的凹槽内。固定工作平台174固定设置于承重架171顶端，升降电机173安装于承重架171顶端的固定工作平台174上，升降电机173和配重块172实现驱动升降平台175竖直上下移动，配重块172通过钢丝绳经过升降电机173传动轴及两个滑轮与升降平台175连接，升降平台175升降时通过导向轮沿工字钢的凹槽上下滑动。

二、熔铸工装003，请参看图1和图3所示。

(1)熔化炉110

熔化炉110包括炉体111和设置于炉体111开口顶部的保温密封盖112，保温密封盖112的密封面与炉体111的密封面之间填设有密封圈；炉体111外部设置有加热元件151，保温密封盖112上开设有两个孔，其中一个孔内插设有三通管的其中一个管道，三通管的另外两个管道分别与真空泵和充气瓶连接，另一个孔内插入输送管道120。真空泵用于抽真空，使熔化炉110内部形成真空环境；充气瓶用于往熔化炉110内部通入惰性气体，用于将熔化炉110内部的合金熔体顺利压入熔池130内。熔化炉110、真空泵和充气瓶分别可以固设于升降平台175上，也可以固设于其他位置，比如固定工作平台174。本实施例中，熔化炉110固设于升降平台175上，与熔池130并列设置。

本实施例中，熔化炉110为坩埚熔化炉110，即炉体111为坩埚，坩埚材质为不锈钢，采用电阻丝作为加热元件151加热。

(2)输送管道120

输送管道120的材质为不锈钢，输送管道120位于熔化炉110和熔池130外的部分四周包裹有保温材料，保温材料内安装加热元件151，保证输送管道120的加热温度高于合金熔体的熔点。金属液输送管一端与保温盖密封焊接，另一端伸入铸造工装的熔池130中。

(3)铸造工装

熔池130和结晶器组成铸造工装，熔池130呈倒圆台形，熔池130内部中心设置有倒圆台形石墨环131，倒圆台形石墨环131与熔池130内壁之间具有间隙，倒圆台形石墨环131与金属液充分接触；倒圆台形石墨环131四周(熔池130外部)设置有加热元件151，加热元件151外围设置有铁壳，熔池130和铁壳之间填充有保温材料。熔池130通过工装底座163安装于升降平台175上。

熔池130底部开口与结晶器紧密贴合，熔池130和结晶器之间采用隔热材料152隔开。

结晶器包括圆形石墨环141和内部通循环冷却水的铜管142，圆形石墨环141的一端连接熔池130的底部开口，铜管142绕设于圆形石墨环141外部。本实施例中，铜管142为方形铜管142，方形铜管142是冷却主体，内部通循环冷却水，方形铜管142围成圆形，该圆形内壁与圆形石墨环141外壁紧密贴合。

为了实现对内衬管001的加热，熔池130上通过线圈底座162安装有衬管加热线圈161，线圈底座162和熔池130之间还填充有隔热组件。设置内衬管001时，内衬管001依次穿过衬管加热线圈161、熔池130和结晶器。

三、衬管固定装置，请参看图1和图4所示。

衬管固定装置包括用于夹紧内衬管001顶端的上夹具181和用于夹紧内衬管001底端的下夹具182共两套夹具，上夹具181通过螺母丝杆184固定于固定工作平台174上，具体的，上夹具181的一端与螺母丝杠连接，螺母丝杠与电机183的传动轴啮合，电机183通过电机支架185与固定工作平台174连接；下夹具182通过螺母丝杆184固定于地面，具体的，下夹具182的一端与螺母丝杠连接，螺母丝杠与电机183的传动轴啮合，电机183设置于地面。内衬管001竖直立起后，上夹具181和下夹具182分别夹紧内衬管001的两端，上夹具181和下夹具182在对应的螺母丝杠的传动下可调节对内衬管001的夹持位置和状态。

另外，还设置有用于喷射冷却气体的气体冷却软管191，气体冷却软管191的喷射端插入内衬管001内，且喷射端与结晶器处于同一水平位置，气体冷却软管191喷射端上升设置于固定平台上的冷却气管牵引电机192同步驱动，下降时则由设置于地面的收放装置193卷起。

本申请实施例还提供一种利用上述旋转靶材的制作设备的制作工艺，其包括以下步骤：

(1)铸造前，检查所有仪器、仪表、运动部件的工作状态，使升降平台175承载带有结晶器的熔池130下降至最低位置；将内衬管001竖直插入熔池130内，并由固设于熔池130底部开口处的结晶器内穿出，并确保与结晶器同心，内衬管001可以为长4500mm，直径133mm的不锈钢内衬管001，通过衬管固定装置中的上夹具181和下夹具182夹紧内衬管001的两端。

(2)所有条件满足铸造要求后，熔化炉110开始充压，熔化炉110充气压力10-30Kpa，熔池130加热开启，内衬管001加热开启，输送管道120加热开启，熔池130加热温度，内衬管001加热温度，输送管道120加热温度设定为高于原料的液相线20-30℃。

称量靶材金属原料300Kg，装入熔化炉110，温度设定高于液相线30-50℃，加热熔化形成合金熔体，合金熔体温度达到预定温度后，将氮气充入熔化炉110，把合金熔体通过输送管道120压入熔池130。

(3)熔池130内的合金熔体液面约10-20cm时，使结晶器中铜管142内冷却水开启、冷却气管内冷却气体开启，启动结晶器，升降平台175对应的升降电机173启动，使结晶器沿内衬管001相对向上移动，直至合金熔体沿内衬管001逐渐包裹于内衬管001表面并凝固形成连续铸锭，随着铸锭凝固的高度不断增加，升降平台175同步上升，直至旋转靶材铸造结束。在铸造过程中，内衬管001表面的合金熔体的凝固速度严格与结晶器沿内衬管001的相对移动速度相等；设定内衬管001表面的合金熔体的凝固速度为2-10cm/min(凝固速度主要通过控制冷却水来实现，冷却水流量通常为10-20L/min)，结晶器沿内衬管001的相对移动速度为2-10cm/min(升降平台175的上升速度为2-10cm/min)。

本实施例中，使所述结晶器沿所述内衬管001相对向上移动的方式是：固定内衬管001，使带有结晶器的熔池130沿内衬管001向上移动。在其他实施例中，还可以采用固定带有结晶器的熔池130，使内衬管001向下行走的方式，相应的，设备需要进行相应调整，具体地，可以通过升降平台175带动内衬管001升降移动，熔池130固设于固定工作平台174上。

(4)铸造结束后，升降平台175处于最高位置，关闭所有水、电、气，待连续铸锭冷却至室温后，松开上下两端的上夹具181和下夹具182，取出并经机加工后，得到技术要求的旋转靶材。

在实际生产中，高纯锌锡合金靶材是制备Low-E玻璃膜层的关键材料之一，锌锡旋转靶材的制作方法具体可以采用本申请实施例的设备并按照以下步骤进行：

(1)升降平台175上升至最高位置，将内衬管001竖直置于熔池130中心，并与结晶器保持同心。

(2)把内衬管001和熔池130加热至350-400℃，保温，等待浇铸使用。按照ZnSn合金中Zn、Sn重量百分比Zn45-55％、Sn45-55％称取Zn金属块和Sn金属块，加入熔化炉110内熔化，并将金属液温度加热至液相线以上30-50℃，并将金属液通过输送管道120缓慢注入熔池130内。

(3)当熔池130内倒入一定高度(10-15cm)的金属液后，开启结晶环内的冷却水、冷却气体，启动结晶器，同时升降平台175以2-5cm/min的速度向上行走，直至所有金属液凝固完毕，整个凝固过程保持熔池130内的金属液面位置稳定。

(4)浇铸完成后取下内衬管001，冷却至室温后加工成符合尺寸精度的靶材。

实施例1

本实施例提供一种锌锡旋转靶材，其按照其以下制备过程制得：

(1)使升降平台175承载带有结晶器的熔池130下降至最低位置；将内衬管001竖直插入熔池130内，并由固设于熔池130底部开口处的结晶器内穿出，并确保与结晶器同心，通过衬管固定装置中的上夹具181和下夹具182夹紧内衬管001的两端。

(2)把内衬管001和熔池130加热至375℃，保温，等待浇铸使用；选取纯度99.99％的Zn金属块以及纯度99.99％的Sn金属块，考虑到Sn比Zn容易氧化，ZnSn合金按照Zn49.5％、Sn50.5％重量百分比称取Zn金属块和Sn金属块，装入熔化炉110熔化，并将金属液温度加热至液相线以上30℃，把合金熔体通过输送管道120压入熔池130。

(3)待熔池130内金属液深度约15cm时，开启冷却水和冷却气体，开启结晶器，同时升降平台175以2cm/min的速度向上行走，直至金属液沿内衬管001逐渐包裹于内衬管001表面并凝固形成连续铸锭。

(4)浇铸完成后取下内衬管001，冷却至室温，经加工，得到锌锡旋转靶材。

实施例2

本实施例提供一种锌锡旋转靶材，其与实施例1的过程基本相同，不同之处在于：本实施例中，熔化炉110将金属液温度加热至液相线以上50℃；升降平台175以2.5cm/min的速度向上行走。

实施例3

本实施例提供一种锌锡旋转靶材，其与实施例1的过程基本相同，不同之处在于：本实施例中，熔化炉110将金属液温度加热至液相线以上70℃；升降平台175以3cm/min的速度向上行走。

综上所述，本申请实施例的旋转靶材的制作工艺及设备用以制得纯度高、成分均匀的旋转靶材。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转靶材的制作工艺，其特征在于，其包括以下步骤：

将内衬管竖直插入熔池内，并由固设于所述熔池底部开口处的结晶器内穿出；

往所述熔池内注入合金熔体；

启动所述结晶器，使所述结晶器沿所述内衬管相对向上移动，直至所述合金熔体沿所述内衬管逐渐包裹于所述内衬管表面并凝固形成连续铸锭。

2.根据权利要求1所述的旋转靶材的制作工艺，其特征在于，使所述结晶器沿所述内衬管相对向上移动的方式是：固定所述内衬管，使带有结所述晶器的所述熔池沿所述内衬管向上移动。

3.根据权利要求1或2所述的旋转靶材的制作工艺，其特征在于，所述内衬管表面的合金熔体的凝固速度与所述结晶器沿所述内衬管的相对移动速度相等；可选地，所述内衬管表面的合金熔体的凝固速度为2-10cm/min，所述结晶器沿所述内衬管的相对移动速度为2-10cm/min。

4.一种旋转靶材的制作设备，其特征在于，其包括：

升降平台，所述升降平台被配置为能够竖直升降移动；

熔池，用于容纳合金熔体，所述熔池固设于所述升降平台上，所述熔池的底部开口处固设有结晶器；

衬管固定装置，用于固定内衬管并使所述内衬管竖直插入所述熔池内并由结晶器内穿出。

5.根据权利要求4所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，还包括用于喷射冷却气体的气体冷却软管，所述气体冷却软管的喷射端插入所述内衬管内，且喷射端与所述结晶器处于同一水平位置。

6.根据权利要求4所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，还包括用于熔炼形成所述合金熔体的熔化炉，所述熔化炉固设于所述升降平台上，并通过输送管道与所述熔池连通；

可选地，所述熔化炉包括炉体和设置于炉体开口顶部的保温密封盖，所述保温密封盖与所述炉体之间填设有密封圈；所述炉体外部设置有加热元件，所述保温密封盖上开设有两个孔，其中一个孔内插设有三通管的其中一个管道，所述三通管的另外两个管道分别与真空泵和充气瓶连接，另一个孔内插入所述输送管道。

7.根据权利要求4所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，所述熔池呈倒圆台形，所述熔池内设置有倒圆台形石墨环，所述倒圆台形石墨环与所述熔池内壁之间具有间隙；所述熔池外部设置有加热元件。

8.根据权利要求4所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，所述结晶器包括圆形石墨环和内部通循环冷却水的铜管，所述圆形石墨环的一端连接所述熔池的底部开口，所述铜管绕设于所述圆形石墨环外部。

9.根据权利要求4所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，还包括用于实现所述升降平台竖直升降移动的承重架、固定工作平台和升降电机，所述承重架的四根立柱均为工字钢，所述升降平台的四个角分别安装有导向轮，四个角的导向轮对应嵌入所述承重架的四根工字钢的凹槽内，所述固定工作平台设置于所述承重架顶部，所述升降电机安装于所述固定工作平台上，所述升降电机与所述升降平台连接，所述升降平台通过导向轮沿工字钢的凹槽上下滑动。

10.根据权利要求9所述的旋转靶材的制作设备，其特征在于，所述衬管固定装置包括用于夹紧所述内衬管顶端的上夹具和用于夹紧所述内衬管底端的下夹具，所述上夹具通过螺母丝杆固定于所述固定工作平台上，所述下夹具通过螺母丝杆固定于地面。

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