CN115283598A - 一种316ln不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置及锻造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置及锻造方法,属于金属材料成形领域。针对超大厚度梯形截面大锻件锻造困难的问题,本发明提供一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置,所述模具包括依次设置的下垫板和底板,下垫板的两端均设置有外支撑块,外支撑块一侧设置有内模块,两个内模块之间形成容纳坯料的倒梯形空腔;内模块与外支撑块均分别通过销柱与下垫板连接;接料平台限制锻件无法向下弯曲。本发明通过分立式模具避免应力集中在锻造过程中易开裂;通过销柱提高整个模具的承载上限;通过接料平台避免坯料在锻造拔长向前延伸时向下弯曲;本发明方法可满足不同梯度或高度不锈钢梯形直坯大锻件的成形需求和晶粒度考核需要。
Description
技术领域
本发明属于金属材料成形技术领域,更具体地说,涉及一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置及锻造方法。
背景技术
对于316LN不锈钢材料的截面高度H≥1000mm,截面下平面宽度T1≥500mm,长度S≥6000mm的超大厚度梯形截面大锻件(如图1所示),由于其非对称的截面特征,通过拔长等常规自由锻锻造方法无法实现精准成形;316LN为奥氏体不锈钢,热加工过程无相变,而其外形特点为超大厚度梯形截面,锻造过程晶粒度控制难度很高;又由于其较大的尺寸规格和316LN奥氏体不锈钢材料特性,对模具锻造所需的模具强度、工装尺寸、设备载荷提出了极高极难的要求。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有超大厚度梯形截面大锻件锻造困难的问题,本发明提供一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置及锻造方法。本发明的装置通过分立式模具避免应力集中在锻造过程中易开裂;通过销柱提高整个模具的承载上限;通过接料平台避免坯料在锻造拔长向前延伸时向下弯曲;满足梯形直坯大锻件的锻造需求;本发明的方法可满足不同梯度或高度奥氏体不锈钢梯形直坯大锻件的成形需求和晶粒度考核需要。
2、技术方案
为解决上述问题,本发明采用如下的技术方案。
一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置,包括:
模具:用于对坯料进行锻造成形;所述模具包括从上到下依次设置的下垫板和底板,下垫板的两端均设置有外支撑块,外支撑块的一侧设置有内模块,两个内模块之间形成容纳坯料的倒梯形空腔,倒梯形空腔形状与最终锻件的梯形截面形状相匹配;内模块与外支撑块均分别通过销柱与下垫板连接;
接料平台:用于对经过模具锻造后的锻件进行承托,限制锻件无法向下弯曲。
更进一步的,所述外支撑块通过两组销柱与下垫板连接,内模块通过一组销柱与下垫板连接,每组销柱由三个销柱等间距直线排列而成。
一种利用上述任一项所述的316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置的锻造方法,包括以下步骤:
S1:将坯料分若干进砧量逐次放入至模具中,使用上平砧对坯料进行压至坯料底部与模具底部接平,使得坯料截面下部与模具中的倒梯形空腔底部贴合;所述上平砧的宽度与模具的宽度B相同;
S2:分若干道次连续拔长坯料,使得坯料中部与模具中的倒梯形空腔中部贴合;
S3:将上平砧更换为凸面砧,使用凸面砧压实坯料截面上部,并在坯料上端面两侧均形成凸排;
S4:更换宽度与模具的宽度B相同的上平砧,将坯料上端面两侧的凸排压平,使其坯料锻造成最终锻件截面所需尺寸。
更进一步的,所述步骤S1中坯料的截面为八角形,且坯料截面总宽度D/成形锻件梯形截面的上平面宽度T2控制在0.9~1.1;同时(坯料截面积S1-成形锻件梯形截面积S2)/坯料截面积S1≥30%。
更进一步的,当坯料选用截面为八角形时,
步骤S1中具体包括:将截面为八角形的坯料远端放入模具中,第一砧进砧量满砧,后续砧次按0.75B的进砧量进行进砧,使得坯料截面下部挤入倒梯形空腔的底部;
步骤S2具体包括:继续在模具中锻造,分三道次连续拔长坯料,按0.75B的进砧量进行进砧,使得坯料中部与倒梯形空腔中部贴合,经过三道次拔长后,坯料截面高度下降至1.1H,所述H为成形锻件中梯形截面的高度。
更进一步的,步骤S2中进行多道次拔长时,每道次压下量≥100mm,且拔长过程在1200℃±50℃条件下一火次完成。
更进一步的,接料平台与模具之间间隔M,M控制在H+500mm~H+700mm;拔长后坯料在间隔处进行校直;接料平台的上平面距离地面的高度与模具中倒梯形空腔底部距离地面的高度一致。
更进一步的,步骤S3和S4中在进行更换凸面砧与上平砧时,将坯料放入炉内进行保温,炉温控制在1000℃~1050℃。
3、有益效果
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明的锻造装置首先通过模具中将内模块与外支撑块通过销柱可拆卸的固定在下垫板上,一改往日模具一体式的设置,通过分立式设计的模具能够避免在锻造过程中坯料对模具产生极大的成形抗力,模具成形腔底部的夹角处极易在锻造过程中因应力集中而发生断裂;且只需更换不同斜面角度或不同高度的内模块即可满足不同梯度或高度梯形直坯大锻件成形需求,增加整个模具的适用性;同时销柱的设置一来作为紧固件进行部件之间的连接,二来销柱的设置将原来由模具本体承受的扭转拉应力载荷转移至销柱的剪切应力载荷,有效分散了锻造成形过程中的巨大设备载荷,充分提高了模具的承载上限提高模具的使用寿命,且更换也较为方便;其次通过接料平台的设置限制坯料在锻造拔长向前延伸时向下弯曲,强制使其保持轴线直度;整个装置结构简单,整体强度高,能适应梯形直坯大锻件的锻造需求,且适用范围广;
(2)本发明的锻造方法首先通过在源头即坯料进行设计,选用截面为八角形的直坯,其相较于矩形截面坯料而言,截面下半部分与模具中倒梯形空腔形状更为接近,在锻压过程中更易滑入倒梯形空腔并有效填满倒梯形空腔,提高填充率继而降低成形难度;其次在具体的锻造过程中配合使用特定的锻造方法,能够有效解决316LN不锈钢梯形直坯大锻件锻造成形的技术问题,有效避免该类锻件锻造过程中所面临的成形困难与模具强度不足等问题,可满足不同梯度或高度奥氏体不锈钢梯形直坯大锻件的成形需求和晶粒度考核需要,锻造后的超大截面梯形直坯奥氏体不锈钢锻件晶粒度可达3级,且锻件余量充足;整个锻造方法操作简便,易于实现。
附图说明
图1为超大厚度梯形截面大锻件的结构示意图;
图2为本发明的模具结构示意图;
图3为图2中A-A方向结构示意图;
图4为坯料设计结构示意图;
图5为锻件直度控制示意图;
图6为锻造操作方法示意图;
图7为销柱阵列的强度校核结果示意图;
图8为316LN不锈钢梯形直坯大锻件晶粒度检测示意图;
图9为本发明所述技术方法制造的锻件与锻件目标尺寸对比图。
图中:1、模具;11、内模块;12、外支撑块;13、销柱;14、下垫板;15、底板;2、接料平台。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步进行描述。
实施例1
如图2、图3和图5所示,一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置,包括:
模具1:用于对坯料进行锻造成形,坯料在模具1中的成形腔内进行锻造至所需形状,成形后的锻件如图1所示,其中S表示锻件的长度,一般来说S≥6000mm,H表示截面高度,一般来说H≥1000mm,T1表示截面下平面宽度,一般来说T1≥500mm,T2表示截面上平面宽度;所述模具1包括从上到下依次设置的下垫板14和底板15,下垫板14与底板15的形状尺寸相同,下垫板14可以与底板15通过凹槽与凸起的方式进行连接固定,也可以直接通过焊接的方式进行固定,本申请不做具体限制。下垫板14的两端均设置有呈矩形状的外支撑块12,外支撑块12的一侧设置有内模块11,两个内模块11之间形成容纳坯料的倒梯形空腔,倒梯形空腔形状与最终锻件的梯形截面形状相匹配;具体的,即内模块11的截面呈梯形状,梯形的高度与锻件截面高度一致即都为H,斜面角度与锻件截面斜面角度一致,且两个内模块11呈对称设计,使得两个内模块11之间形成倒梯形状的空腔也即成形腔,此处成形腔的形状与大小与最终锻件的梯形截面的形状与大小相适配。内模块11与外支撑块12均分别通过销柱13与下垫板14连接,通过销柱13实现了内模块11、外支撑块12与下垫板14之间的可拆卸连接,使得模具1的部件安装与维修都较为方便。在这进行说明的是,外支撑块12的一侧与内模块11的一侧只需完全贴合,无需进行固定,因外支撑块12、内模块11均分别通过销柱13进行固定,不会造成外支撑块12与内模块11之间的晃动或松动。优选的,在本实施例中所述外支撑块12通过两组销柱13与下垫板14连接,内模块12通过一组销柱13与下垫板14连接,每组销柱13由三个销柱13等间距直线排列而成,每组销柱3与每组销柱3之间平行设置,即通过下垫板14上两端各9个销柱3形成左右两个销柱阵列;且销柱13的材质为25Cr2Ni4MoV,图7为主要承载单元销柱3的强度校核结果,经校核分析,成形过程中,销柱3最大应力~54MPa,远低于销柱材料25Cr2Ni4MoV的调质态屈服强度,因此所设计的胎模成形模具强度完全可以满足成形需求。
接料平台2:用于对经过模具1锻造后的锻件进行承托,限制锻件无法向下弯曲。在这进行说明的是,因在进行锻造梯形直坯过程中,截面下部的坯料在填入成形腔后几乎无塑性变形的流动延伸,而截面上部的坯料在锻压过程中始终存在沿轴向的塑性变形流动延伸,锻造过程中,上下平面流动不一致,上平面长度会不断超过下平面长度,造成锻件向下平面弯曲。而接料平台2的设置在锻造过程中增加变形限制,确保锻件直度。接料平台2设置在模具1的前方,即坯料经过模具1后进入到接料平台2,接料平台2对经过锻造拔长后向前延伸的坯料起到承托作用,使其受到限制无法向下弯曲,强制使其保持轴线直度,保证成形锻件的质量。具体的,在本实施例中接料平台2与模具1之间间隔M,M控制在H+500mm~H+700mm,H即为锻件梯形截面高度;将接料平台2与模具1之间设置间隔,即是为了方便拔长后坯料在间隔处进行校直,进一步保证锻件质量;接料平台2的上平面距离地面的高度与模具1中倒梯形空腔底部距离地面的高度一致,便于坯料直接过渡到接料平台2上,接料平台2可以设置若干个,可根据最终锻件长度S可定,满足:接料平台2远离模具1的一端与模具1之间的距离总长P≥锻件长度S即可。
本发明的锻造装置首先通过将内模块11与外支撑块12通过销柱13可拆卸的连接在下垫板14上,即采用分立式的模具1设计,拆解成形腔,使模具1中的成形腔内无法产生应力集中,避免在锻造过程中发生断裂的现象;因锻造梯形直坯的模具需要提供梯形的成形腔,但是在锻造过程中,坯料会对模具1产生极大的成形抗力,特别是对于梯形的成形腔底部的夹角处,极易在锻造过程中发生模具断裂。其次,分立式的设计使得内模块11不再固定于某一种形状,可更换不同的斜面角度或不同高度的内模块11至模具1中,即可使得模具1满足不同梯度或高度梯形直坯大锻件的成形需求,大大提高了整个模具1的适用性。再有,通过销柱3进行部件之间的连接存在多种功能,一是作为紧固件进行连接;二是销柱3的设置将原本由模具1本体承受的扭转拉应力载荷转移至销柱3的剪切应力载荷,通过左右两组共18根材质25Cr2Ni4MoV的销柱3组成的阵列,有效分散了锻造成形过程中的巨大设备载荷,充分提高了模具1的整体承载上限;且销柱3有效延长了模具1的使用寿命;三是更换方便,在经过长期的生产制造使用后,如果单根销柱3出现少量变形,只需更换单根销柱3即可恢复模具1的生产能力,不会出现因模具1局部破坏失效即完全丧失生产功能的情况,避免了因模具1局部破坏造成制造过程被迫中断,以至于坯料需要重新进行长时间高温加热,造成坯料晶粒严重粗化以及后续成形变形量不足无法细化晶粒的情况,同时也大大延长了模具1的生命周期。在这进行说明的是,由于内模块11其上窄下宽的梯形结构限制,内模块11只能布置一组销柱13,为提高模具1的整体强度,应将销孔布置在尽量靠近内模块11斜面的位置,即一组销柱13靠近内模块11斜面位置。最后再通过接料平台2的设置限制坯料在锻造拔长向前延伸时向下弯曲,强制使其保持轴线直度,保证锻件质量。整个装置结构简单,整体强度高,能适应梯形直坯大锻件的锻造需求,且适用范围广。
实施例2
如图6所示,一种利用上述实施例1所述的316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置的锻造方法,包括以下步骤:
S1:将坯料分若干进砧量逐次放入至模具1中,使用上平砧对坯料进行压至坯料底部与模具1底部接平,使得坯料截面下部与模具1中的倒梯形空腔底部贴合;所述上平砧的宽度与模具1的宽度B相同,模具1的宽度也即为下垫板14的宽度;优选的,如图4所示,所述步骤S1中坯料的截面为八角形,八角形截面相较于矩形截面坯料,八角形坯料截面下半部分与模具1的梯形截面形状更接近,在锻压过程中更易滑入成形腔并有效填满成形腔,提高成形腔填充率,降低成形难度;八角形坯料上平面宽度d=0.414D,D为八角形中的总宽度,且坯料截面总宽度D/成形锻件梯形截面的上平面宽度T2控制在0.9~1.1,故八角形截面坯料上平面宽度在锻造开始前远小于锻件梯形截面上平面宽度T2,保证坯料锻造过程的截面成形效果;同时为了保证最终不锈钢锻件的晶粒度控制效果,满足晶粒度2级以上要求,将(坯料截面积S1-成形锻件梯形截面积S2)/坯料截面积S1≥30%;
具体的,所述截面八角形的坯料为原始坯料加热至1200℃±50℃并充分保温,通过镦粗、拔长等自由锻锻造方法,将坯料锻造为截面总宽度为D的八角形坯料,且八角形截面面积为S1;并且截面八角形的坯料加热至1200℃±50℃并充分保温后出炉,将该坯料远端放入模具1中,第一砧进砧量满砧,后续砧次按0.75B的进砧量进行进砧,每一砧均压至坯料底部与模具1底部接平,使得坯料截面下部挤入倒梯形空腔的底部,与成形腔的下部进行贴合;坯料远端指坯料远离钳把的一端。选择从远端开始锻压理由:1.坯料若从远端开始锻压,坯料从远端向前延伸,其前方有接料平台2可以承接不断延伸的坯料,对坯料行成限位,阻止其向下弯曲,若从近端开始锻压,坯料从近端向后方延伸,后方无接料平台2,无法阻止坯料向下弯曲;2.若从近端开始锻压,近端存在钳把,钳把与坯料本体之间还存在圆弧过渡面,该过渡面并非完美规整圆弧形,该区域在从近端开始锻压时一同进入模具,造成模具内受到的前后左右变形条件非对称,易在坯料开始锻压时就发生扭转,坯料在开始锻压时就发生扭转,后面很难纠正,会在后续的锻压过程不断累加扩大这种扭转趋势,而从远端开始可以使坯料以较为平整的方式进入模具1,一开始就打下好的基础,后续锻造过程中,通过接砧,使这种良好的平整状态不断延续下去,最终锻件整体都可以避免扭转。后续每道次要保持0.75B的进砧量,就是为了保证前后两砧之间有良好的接砧,使前后两砧的成形之间形成良好的接续传递,而不是两砧完全独立,各自没有连续性,也难以保证同轴度。
S2:分若干道次连续拔长坯料,使得坯料中部与模具1中的倒梯形空腔中部贴合;具体的,该步骤继续在模具1中锻造,分三道次连续拔长坯料,按0.75B的进砧量进行进砧;此处分三道次,由于总的压下量较大,不能一道次直接压到所需尺寸,因为这样的话已压区域和未压区域之间会形成较大的高度落差,下一砧锻压时就会因为这个较大的高度落差,使得坯料延伸时在台阶区域形成折叠,影响成形质量。需要将压下量分解,单道次的压下量合适。同时也不能分解为过多的道次,道次过多,一方面增加成形工作量,使得成形任务无法在单火次内完成,还需要回炉加热,这样的话对于奥氏体不锈钢锻件,额外的高温回炉加热会严重影响锻件晶粒度水平;另一方面,单道次压下量过小时,根据最小阻力原理,压下来的坯料会更多的从轴向方向流动,而锻件宽度方向增长不足,最终导致锻件过长,但截面尺寸不足;使得坯料中部与倒梯形空腔中部贴合,经过三道次拔长后,坯料截面高度下降至1.1H,所述H为成形锻件中梯形截面的高度;在该步骤中,进行多道次拔长时,每道次压下量≥100mm,且整个大变形拔长过程在1200℃±50℃条件下一火次完成,压下量保证满足大于等于100mm的理由与上述分三道次而不能分更多道次的理由一致,为了保证成形尺寸与锻件晶粒度水平,要在1200℃±50℃条件下一火次完成也是为了避免额外的加热造成晶粒度水平下降;拔长后适时错砧到接料平台2与模具1之间的间隙处进行校直,进一步保证锻件质量;
S3:将上平砧更换为凸面砧,所述凸面砧的砧面高度为0.1H,更换凸面砧时将坯料暂放炉内保温,炉温控制在1000℃~1050℃,既要避免坯料降温造成变形抗力过高,又要避免坯料升温造成晶粒长大,凸面砧更换完后坯料立即出炉,使用凸面砧压实坯料截面上部,压下深度为0.1H,压实坯料芯部,并强制展宽坯料上端面两侧坯料,并在坯料上端面两侧均形成凸排;凸面砧即为带凸面的砧子,
S4:更换宽度与模具1的宽度B相同的上平砧,更换上平砧时将坯料暂放炉内保温,炉温控制在1000℃~1050℃,既要避免坯料降温造成变形抗力过高,又要避免坯料升温造成晶粒长大;上平砧更换完后坯料立即出炉,按照0.75B的进砧量进行进砧,将坯料上端面两侧的凸排压平,使其坯料锻造成最终锻件截面所需尺寸,即坯料高度压至H,坯料上端面宽度强制增宽,达到锻件上端面目标宽度尺寸T2。
由于原始坯料为八角形,其截面的上平面和侧面之间,在锻造过程中,始终存在着斜面或斜面的残余,该斜面残余易导致锻件上平面与侧面之间的直角区域产生缺量,为解决该问题,在上一道次锻压中留足够的变形量(0.1H),通过使用凸面砧强制压坯料上平面中间区域,使上平面强制横向展宽,并在上平面左右两侧留下两排凸排,在S4中,通过平砧压两排凸排,使凸排的坯料进一步向侧向宽度方向展宽。通过S3和S4这两步操作,可以基本消除S2中留下的上平面的斜面残余,并使坯料上平面宽度展宽到足够的锻件尺寸。
本发明的锻造方法首先通过在源头即坯料进行设计,选用截面为八角形的直坯,其相较于矩形截面坯料而言,截面下半部分与模具中倒梯形空腔形状更为接近,在锻压过程中更易滑入倒梯形空腔并有效填满倒梯形空腔,提高填充率继而降低成形难度;其次在具体的锻造过程中配合使用特定的锻造方法,能够有效解决316LN不锈钢梯形直坯大锻件锻造成形的技术问题,有效避免该类锻件锻造过程中所面临的成形困难与模具强度不足等问题,可满足不同梯度或高度奥氏体不锈钢梯形直坯大锻件的成形需求和晶粒度考核需要,锻造后的超大截面梯形直坯奥氏体不锈钢锻件晶粒度可达3级如图8所示,且锻件余量充足如图9所示;整个锻造方法操作简便,易于实现。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述,并非对本发明构思和范围进行限定,在不脱离本发明设计思想的前提下,本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进,均应落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置,其特征在于:包括:
模具(1):用于对坯料进行锻造成形;所述模具(1)包括从上到下依次设置的下垫板(14)和底板(15),下垫板(14)的两端均设置有外支撑块(12),外支撑块(12)的一侧设置有内模块(11),两个内模块(11)之间形成容纳坯料的倒梯形空腔,倒梯形空腔形状与最终锻件的梯形截面形状相匹配;内模块(11)与外支撑块(12)均分别通过销柱(13)与下垫板(14)连接;
接料平台(2):用于对经过模具(1)锻造后的锻件进行承托,限制锻件无法向下弯曲。
2.根据权利要求1所述一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置,其特征在于:所述外支撑块(12)通过两组销柱(13)与下垫板(14)连接,内模块(12)通过一组销柱(13)与下垫板(14)连接,每组销柱(13)由三个销柱(13)等间距直线排列而成。
3.一种利用上述如权利要求1-2任一项权利要求所述的316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造装置的锻造方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1:将坯料分若干进砧量逐次放入至模具(1)中,使用上平砧对坯料进行压至坯料底部与模具(1)底部接平,使得坯料截面下部与模具(1)中的倒梯形空腔底部贴合;所述上平砧的宽度与模具(1)的宽度B相同;
S2:分若干道次连续拔长坯料,使得坯料中部与模具(1)中的倒梯形空腔中部贴合;
S3:将上平砧更换为凸面砧,使用凸面砧压实坯料截面上部,并在坯料上端面两侧均形成凸排;
S4:更换宽度与模具(1)的宽度B相同的上平砧,将坯料上端面两侧的凸排压平,使其坯料锻造成最终锻件截面所需尺寸。
4.根据权利要求3所述的一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造方法,其特征在于:所述步骤S1中坯料的截面为八角形,且坯料截面总宽度D/成形锻件梯形截面的上平面宽度T2控制在0.9~1.1;同时(坯料截面积S1-成形锻件梯形截面积S2)/坯料截面积S1≥30%。
5.根据权利要求4所述的一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造方法,其特征在于:当坯料选用截面为八角形时,
步骤S1中具体包括:将截面为八角形的坯料远端放入模具(1)中,第一砧进砧量满砧,后续砧次按0.75B的进砧量进行进砧,使得坯料截面下部挤入倒梯形空腔的底部;
步骤S2具体包括:继续在模具(1)中锻造,分三道次连续拔长坯料,按0.75B的进砧量进行进砧,使得坯料中部与倒梯形空腔中部贴合,经过三道次拔长后,坯料截面高度下降至1.1H,所述H为成形锻件中梯形截面的高度。
6.根据权利要求3或5所述的一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造方法,其特征在于:步骤S2中进行多道次拔长时,每道次压下量≥100mm,且拔长过程在1200℃±50℃条件下一火次完成。
7.根据权利要求6所述的一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造方法,其特征在于:接料平台(2)与模具(1)之间间隔M,M控制在H+500mm~H+700mm;拔长后坯料在间隔处进行校直;接料平台(2)的上平面距离地面的高度与模具(1)中倒梯形空腔底部距离地面的高度一致。
8.根据权利要求3所述的一种316LN不锈钢超大厚度梯形截面锻件的锻造方法,其特征在于:步骤S3和S4中在进行更换凸面砧与上平砧时,将坯料放入炉内进行保温,炉温控制在1000℃~1050℃。
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