CN117537628A - 还原焰气氛窑炉燃烧控制装置、方法、系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种还原焰气氛窑炉燃烧控制装置、方法、系统,包括:窑炉及其温度传感器和一氧化碳传感器,空气管道及其空气流量调节阀和流量传感器;燃气管道及其燃气流量调节阀和流量传感器。空气流量传感器测量空气管道实际流入窑炉中的空气流量、燃气流量传感器测量燃气管道实际流入窑炉中的燃气流量。在燃烧控制系统运算单元的控制下,确保送入窑炉内的空气流量和燃气流量比例恒定。实现了窑内压力一定的前提下,保持窑内的还原焰气氛浓度和窑内的温度满足设定值。完美地实现了窑炉三大制度的动态平衡,在大幅提升和稳定产品出窑合格率的同时,也为窑炉智能化运行奠定了坚实的基础。本发明可广泛应用于氧化/还原焰气氛保护的窑炉领域中。
Description
技术领域
本发明涉及还原气氛窑炉领域,特别涉及还原焰气氛窑炉燃烧控制装置、方法、系统。
背景技术
硅酸盐工业窑炉烧成离不开三大制度:温度、窑内压力、气氛的动态平衡控制,尤其是还原焰气氛窑炉。还原焰气氛窑炉是指在烧制产品过程中,某一特定工艺阶段,窑内烟气成份中必须含有一定量的还原性气体,比如一氧化碳,而不能含有氧化性气体,才能满足烧制工艺的需求。还原气氛窑炉在还原气氛阶段需要保持窑炉内还原性气氛浓度的稳定性,通过还原气氛燃烧控制系统将窑炉内烟气中的一氧化碳浓度或含量控制在一定范围内。目前,现有的还原气氛燃烧控制一般通过独立的燃气和空气调节阀,手动或电动控制通入窑炉内的燃气量或助燃空气量,且调节燃气量又会导致实际进入窑炉内的燃气量及空气量不符合气氛要求的空燃比例,容易造成窑炉的还原焰气氛和温度的动态平衡被破坏,致使窑炉内的温度偏离设定值,最终使所烧制产品质量不稳定。总之这种单变量独立调节的方式无法使窑内温度和气氛在窑内压力稳定的情况下,一直处于预设的动态平衡状态,出窑产的品质量自然也无法稳定。
发明内容
本发明目的在于提供一种还原焰气氛窑炉燃烧控制装置、方法、系统,用温度、气氛和窑内压力等多变量动态智能控制的方法来解决现有技术中所存在还原焰气氛窑炉燃烧控制系统中的一个或多个技术问题,至少提供一种有益的选择或创造条件。
为解决上述技术问题所采用的技术方案:
一种还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,包括:
窑炉,其设有温度传感器及一氧化碳传感器;
空气管道,其连通所述窑炉,所述空气管道中设有空气流量调节阀与空气流量传感器;
燃气管道,其连通所述窑炉,所述燃气管道中设有燃气流量调节阀与燃气流量传感器。
本发明的有益效果是:温度传感器测量窑炉的温度,一氧化碳传感器测量窑炉的一氧化碳含量,通过空气流量调节阀与燃气流量调节阀分别调整空气流量与燃气流量,而且通过空气流量传感器测量空气管道实际流入窑炉中的空气流量、通过燃气流量传感器测量燃气管道实际流入窑炉中的燃气流量,确保通入窑炉中的空气流量及燃气流量比例准确,保持燃烧后窑炉内的还原气氛浓度,又确保了窑炉内的温度满足设定要求。
作为上述技术方案的进一步改进,所述空气流量调节阀与所述燃气流量调节阀均为线性流量调节阀。
空气流量调节阀与燃气流量调节阀均为线性流量调节阀,以便于用户平稳地调整空气流量及燃气流量,使空气流量及燃气流量的调节更加准确。
作为上述技术方案的进一步改进,所述窑炉内设有多个烧嘴,多个所述烧嘴连通所述空气管道与所述燃气管道。
空气管道与燃气管道同时向多个烧嘴按比例供风供气,确保燃烧后窑炉内的还原焰气氛和温度的均满足要求。
一种还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,运用于如上述的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,包括以下步骤:
S1、预设目标空燃比系数D,预设所述窑炉内维持还原气氛所需的一氧化碳预设含量为C0;
S2、通入所述窑炉的空气流量与燃气流量之比等于D,点燃所述窑炉;
S3、等待时间t;
S4、所述一氧化碳传感器测量的一氧化碳实际含量为C;
S5、比较C与C0:若C大于C0,增大D,所述空气流量调节阀增大开度;若C小于C0,减小D,所述空气流量调节阀减小开度;若C等于C0,维持D不变;
S6、重复步骤S3至S5。
预设空燃比系数D,使通入窑炉中的空气流量与燃气流量之比等于空燃比系数,然后通过一氧化碳传感器测量窑炉内一氧化碳的含量C,比较C与C0以便于准确判断窑炉内的一氧化碳实际含量是否达到还原气氛所需的含量,若一氧化碳实际含量偏离一氧化碳预设含量,微调空燃比系数D,在保持通入窑炉内燃气流量不变的情况下,调整空气流量调节阀的开度使通入窑炉的空气流量改变以符合空燃比系数,使窑炉内一氧化碳的含量改变,在等待时间t使窑炉内的气体充分燃烧后再重复上述步骤,确保通入窑炉中的空气量及燃气量准确,保持窑炉的还原气氛。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤S2中,所述燃气流量传感器测量的燃气流量为Qg,调整所述空气流量调节阀使所述空气流量传感器测量的空气流量Qa=Qg×D。
在调整燃气流量调节阀后使用燃气流量传感器测量燃气流量Qg,在调整空气流量调节阀后使用空气流量传感器测量空气流量Qa=Qg×D,即实际通入窑炉内的空气流量与燃气流量之比等于空燃比系数D,确保通入窑炉中的空气量及燃气量准确,保持窑炉的还原气氛。
作为上述技术方案的进一步改进,步骤S3还包括:
S31、预设所述窑炉内的目标温度T0,所述温度传感器测量的温度为T;
S32、比较T与T0:若T小于T0,所述燃气流量调节阀增大开度使Qg增大;若T大于T0,所述燃气流量调节阀减小开度使Qg减小;
S33、调整所述空气流量调节阀使Qa=Qg×D。
通过温度传感器测量窑炉内的实际温度T,对比窑炉的实际温度T与目标温度T0,改变燃气流量调节阀的开度使通入窑炉内的燃气流量Qg改变,再改变空气流量调节阀的开度使Qa=Qg×D,从而确保窑炉内的一氧化碳含量保持不变,且使窑炉的实际温度T往目标温度改变。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤S31中,T0是温度随时间变化的预设的烧成工艺温度曲线。
由于窑炉内的目标温度设定值T0是随着运算单元内预设的工艺温度曲线而变化,则窑炉内的实际温度T就需要跟随着T0的变化而变化,运算单元控制着燃烧装置使实际温度T在每时每刻都无限接近目标温度T0,以便于窑炉内的实际温度T走出的曲线更加满足生产要求的工艺温度T0曲线。
作为上述技术方案的进一步改进,所述还原焰气氛窑炉燃烧控制装置还包括报警器,每次运行步骤S5时,若C不等于C0,所述报警器报警。
若窑炉内一氧化碳含量的实际值C与预设值C0出现差异时,报警器报警提醒用户及时检查燃控系统相关设备的运行情况,以避免相关设备出现故障导致炉内气氛实际含量C无法接近预设值C0。
作为上述技术方案的进一步改进,在步骤S1中,C0为范围值。
窑炉内一氧化碳的预设含量C0(还原焰气氛含量)为范围值,则调整通入窑炉内的空气流量及燃气流量比使一氧化碳实际含量C在C0的范围内,就符合还原气氛浓度要求,使气氛控制更加便捷。
一种还原焰气氛窑炉燃烧控制系统,包括运算单元,所述运算单元用于执行如上述还原焰气氛窑炉燃烧控制方法。
运算单元执行还原焰气氛窑炉燃烧控制方法来控制还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,使还原焰气氛窑炉燃烧控制装置能够在窑内压力稳定的前提下,自动控制窑炉内温度和气氛,实现窑内压力、温度和气氛三大制度的动态平衡。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明;
图1是本发明所提供的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,其一实施例的结构示意图;
图2是本发明所提供的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其一实施例的步骤流程图;
图3是本发明所提供的还原焰气氛窑炉燃烧控制系统,其一实施例的结构示意图。
100、窑炉,110、温度传感器,120、一氧化碳传感器,130、烧嘴,200、空气管道,210、空气流量调节阀,220、空气流量传感器,300、燃气管道,310、燃气流量调节阀,320、燃气流量传感器,400、运算单元。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例,本发明之较佳实施例在附图中示出,附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述,使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案,但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是,涉及到方位描述,例如上、下、前、后、左、右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,仅是为了便于描述本发明和简化描述,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发明的限制。
在本发明的描述中,如果具有“若干”之类的词汇描述,其含义是一个或者多个,多个的含义是两个以上,大于、小于、超过等理解为不包括本数,以上、以下、以内等理解为包括本数。
本发明的描述中,除非另有明确的限定,设置、安装、连接等词语应做广义理解,所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1所示,本发明的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置作出如下实施例:
还原焰气氛窑炉燃烧控制装置包括窑炉100、空气管道200、燃气管道300。
窑炉100的内部设置温度传感器110、一氧化碳传感器120、多个烧嘴130,温度传感器110用于测量窑炉100内部的实际温度T,一氧化碳传感器120用于测量窑炉100内部的一氧化碳实际含量C,多个烧嘴130在窑炉100内部燃烧燃气与空气。
空气管道200与燃气管道300连通多个烧嘴130,空气管道200向多个烧嘴130提供助燃空气,燃气管道300向多个烧嘴130提供燃气。
空气管道200的末端连接风机,风机将外部空气吹送到空气管道200中。空气管道200上设置有空气流量调节阀210与空气流量传感器220,空气流量调节阀210是线性流量调节阀,空气流量传感器220用于测量空气管道200中的空气流量Qa,空气流量调节阀210用于调节空气管道200中的空气流量Qa。
燃气管道300的末端连接燃气供应机构,燃气供应机构将燃气输送到燃气管道300中。燃气管道300上设置有燃气流量调节阀310与燃气流量传感器320,燃气流量调节阀310是线性流量调节阀,燃气流量传感器320用于测量燃气管道300中的燃气流量Qg,燃气流量调节阀310用于调节燃气管道300中的燃气流量Qg。
在本实施例中,用户调整空气流量调节阀210的开度与燃气流量调节阀310的开度后,通过空气流量传感器220测量空气管道200中的空气流量Qa、通过燃气流量传感器320用于测量燃气管道300中的燃气流量Qg,确保通入窑炉100中的空气流量Qa与燃气流量Qg比值稳定。
参照图2所示,本发明的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法作出如下实施例:
还原焰气氛窑炉燃烧控制方法包括以下步骤:
预设窑炉100中目标还原焰气氛浓度对应的空燃比系数D,预先通过燃气流量传感器测得燃气流量为Qg,然后根据Qa=Qg×D,将空气流量设定为Qa,理论上讲每个空燃比例系数D对应一个一氧化碳含量C0,即D值和C0值是一一对应关系,因此在确定好目标的空/燃比系数D后就可以对应地确定窑炉100内维持还原气氛所需的一氧化碳预设含量C0。由于窑炉内气氛含量(一氧化碳预设含量C0)是根据生产工艺对还原焰气氛的要求而设定的,这个气氛要求往往是一个范围,比如3--5%,因此确保窑炉100内一氧化碳预设含量C0保持在允许的范围内,也就保持了窑炉100的还原气氛浓度,进而满足生产工艺对还原焰气氛的要求。
打开空气流量调节阀210与燃气流量调节阀310。
单独调整所述空气流量调节阀210的开度与单独调整燃气流量调节阀310的开度,使空气流量传感器220测量的实际空气流量Qa、使所述燃气流量传感器测量的实际燃气流量Qg,确保空气管道200中的空气流量与理论流量相同、确保燃气管道300中的燃气流量与理论流量相同,以符合Qa=Qg×D的关系,即流入窑炉100中的空气流量Qa与燃气流量Qg之比等于D。
当流入窑炉100的空气流量Qa与燃气流量Qg符合比例要求后,点燃窑炉100中的多个烧嘴130,窑炉100燃烧升温且满足气氛。
等待一段时间t,t的范围介于15s到45s之间,在本实施例中,t选用30s。
在等待的时间t内,可以同时进行窑炉100的温度调节。
在现有的炉窑烧制工艺中,窑炉100内的温度是烧制工艺三大制度(温度、气氛、窑内压力)中的重要的一个,温度曲线是从窑炉100的多个烧嘴130开始点燃后,实测温度T将跟随设定的温度曲线T0变化而变化,每种烧制的产品都有一个设定的温度曲线T0,这个设定的温度曲线上的每个温度点作为窑炉100内在某一时刻的目标温度设定值T0,而窑炉100内部的温度传感器110测量的实际温度为T,在该烧成工艺中需要使每一时刻的T都无限接近设定值T0,才能烧制出相对优质的产品。
因此可以对比T与T0,若T不等于T0,则证明窑炉100中的温度需要调整,因此需要同时改变送入窑炉100内的燃气量及助燃空气量,但又不能影响窑炉100内的还原焰气氛浓度,所以必须在满足设定的空/燃比系数D的前提下,调整燃气和空气的流量,来满足炉内温度测量值T无限接近温度设定值T0,甚至保持T=T0。
若T<T0,则窑炉100内的温度需要提高,运算单元发出信号使燃气流量调节阀310增大开度,增大燃气管道300中的燃气流量Qg,使送入窑炉100多个烧嘴130的燃气量增加,由于燃气流量值Qg的增加,导致空气流量设定值Qa=Qg×D增大,运算单元将输出信号使空气流量调节阀210增大开度,进而空气管道200的空气流量测量值Qa增加,并无限接近空气流量设定值Qg×D。至此在控制系统保证通入窑炉100中的空气量和燃气量在满足空燃比值D的情况下同时增加,D值不变就保证了窑炉100内还原焰气氛浓度不变,但燃气和空气流量同时增加就必然提高窑炉100的温度T值,使T无限接近T0,甚至T=T0。
若T>T0,则窑炉100中的温度需要降低,运算单元发出信号使燃气流量调节阀310减小开度,减小燃气管道300中的燃气流量Qg,使送入窑炉100多个烧嘴130的燃气量减小,由于燃气流量值Qg的减小,导致空气流量设定值Qa=Qg×D随之减小,运算单元将输出信号使空气流量调节阀210减小开度,进而空气管道200的空气流量测量值Qa减小,并无限接近空气流量设定值Qg×D。至此燃烧控制系统做到了在满足空/燃比值D不变的情况下,保证送入窑炉100中的空气量和燃气量同时减小,D值不变保证窑炉100内还原焰气氛浓度不变,但燃气和空气流量同时减小,就必然降低了窑炉100内的温度T值,使T无限接近T0,甚至T=T0。
在等待时间t结束后,窑炉100内的一氧化碳传感器120测量一氧化碳实际含量C。
实际上由于不同来源的同一燃料成分的变化,比如主要成分为CH4的天然气,不同产地的天然气成分含量是不尽相同的,所以若空燃比D值不变,由于燃气成份的变化,一样会使燃烧产物中一氧化碳含量C偏离设定含量C0,也就是说有可能导致实际的还原焰气氛浓度超出烧成工艺要求的还原焰气氛浓度,因此对于不同成分含量的燃气需要对空燃比D值进行修正。
使燃控系统运算单元中空/燃比例系数D值为固定,运算单元将窑炉100中测量来的一氧化碳含量C与设定的含量C0进行比较,由于C0为定值范围,若实测一氧化碳含量C与设定含量C0的范围偏离,就需要对燃烧控制系统中运算单元的空/燃比系数D值进行修正,使燃烧产物中一氧化碳实际含量C(还原焰气氛浓度)处于设定含量C0的范围内。
若C>C0,即的窑炉100内一氧化碳实测含量C大于设定含量C0,需要降低窑炉内的一氧化碳含量C,根据Qa=Qg×D,一氧化碳含量与空气流量Qa负相关,因此运算单元中空/燃比系数D设定值需要增大,D设定值增大后,使空气流量设定值Qa=Qg×D增大,由于Qg保持不变,运算单元仅需通过开大空气流量调节阀210的开度,增加空气流量,使Qa=Qg×D,从而使窑炉100内的空气量增加,将使一氧化碳实测含量C下降,进而使一氧化碳实测含量C无限接近设定含量C0,甚至C=C0。
若C<C0,即的窑炉100内一氧化碳实测含量C小于设定含量C0,需要提高窑炉内的一氧化碳含量C,根据Qa=Qg×D,一氧化碳含量与空气流量Qa负相关,因此运算单元中空/燃比系数D设定值需要减小,D设定值减小后,使空气流量设定值Qa=Qg×D减小,由于Qg保持不变,运算单元仅需通过关小空气流量调节阀210的开度,关小空气流量,使Qa=Qg×D,从而使窑炉100内的空气量减少,将使一氧化碳实测含量C提高,进而使一氧化碳实测含量C无限接近设定含量C0,甚至C=C0。
若C=C0,即C处于C0的范围内,则一氧化碳实际含量C处于理想状态,维持原状,不做调节。
并且,为了提醒用户及时检查窑炉100及相关设备的运行情况,在还原焰气氛窑炉燃烧控制装置设置报警器,若C不处于C0的范围内,报警器会报警提醒用户检查设备。
由于通入窑炉100内部的燃气量及空气量会随着温度曲线的变化而改变,而燃气量及空气量的变化会引起窑炉100内一氧化碳实际含量C的变化,因此需要定期并重复地对窑炉100内的温度T、一氧化碳含量C进行调整,因此在烧制过程中需要不断重复上述温度及一氧化碳含量的调节过程。
参照图3所示,本发明的还原焰气氛窑炉燃烧控制系统作出如下实施例:
还原焰气氛窑炉燃烧控制系统包括运算单元400以及如上述的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置。
运算单元400电性连接于温度传感器110、一氧化碳传感器120、空气流量调节阀210、空气流量传感器220、燃气流量调节阀310、燃气流量传感器320,温度传感器110测量的窑炉100温度T信息、一氧化碳传感器120测量的窑炉100一氧化碳实际含量C信息、空气流量传感器220测量的空气流量Qa信息、燃气流量传感器320测量的燃气流量Qg信息发送到运算单元400中。
运算单元400运行上述还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,然后运算单元400控制空气流量调节阀210的开度与燃气流量调节阀310的开度,实现相应的功能。
当然,本发明的方案也可以应用于氧化气氛燃烧,在窑炉100内增加氧气传感器或者将一氧化碳传感器120替换成氧气传感器,通过氧气传感器检测窑炉100内部的氧气含量,根据所需烧制产品的氧气含量的需求。参照上述还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,将一氧化碳含量替换成氧气含量,氧气含量与空气流量Qa正相关;当窑炉100内氧气实测含量低于氧气设定含量时,增大运算单元400内的D值,使空气流量设定值Qa=QgxD增大,由于空气流量设定值的增加,运算单元必然输出信号开大空气流量调节阀210,从而使窑炉100内的空气量增加,Qg保持不变,氧气实测含量必然增加,使氧气实际含量无限接近设定值,甚至相等;当窑炉100内氧气实测含量高于氧气设定含量时,操作方法类同;故上述方案也可以对窑炉100中氧气含量进行控制,实现氧化焰气氛燃烧。
当然,本发明的方案还可以同时运行还原气氛燃烧和氧化焰气氛燃烧,仅需在窑炉100内增加氧气传感器。由于一些产品在烧制过程中,不同的烧制阶段需要不同的气氛环境,分别在氧化气氛或还原气氛下烧制而成。因此本发明燃烧控制系统,在窑炉100内增加氧气传感器,就可以实现控制窑炉100内的气氛在氧化和还原之间过渡和转换。
上述方案中,由于现有烧成技术中,优良的窑炉必须满足温度、气氛和窑内压力三大制度的动态平衡,才能实现在节能、环保的大背景下烧制出相对综合低成本的产品。因此窑内压力都要进行控制,而窑内压力的控制方法及设备属于本领域技术人员常规的设置,所以不再详细叙述。虽然窑内压力本不属于本发明要求保护的范畴,但需要强调的是,本发明是在稳定窑内压力的前提下,来实现窑炉内温度和气氛的动态平衡控制。
以上对本发明的较佳实施方式进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同变型或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,其特征在于:包括:
窑炉,其设有温度传感器及一氧化碳传感器;
空气管道,其连通所述窑炉,所述空气管道中设有空气流量调节阀与空气流量传感器;
燃气管道,其连通所述窑炉,所述燃气管道中设有燃气流量调节阀与燃气流量传感器。
2.根据权利要求1所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,其特征在于:所述空气流量调节阀与所述燃气流量调节阀均为线性流量调节阀。
3.根据权利要求1所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,其特征在于:所述窑炉内设有多个烧嘴,多个所述烧嘴连通所述空气管道与所述燃气管道。
4.一种还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,运用于如权利要求1至3中任一项所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制装置,其特征在于:包括以下步骤:
S1、预设目标空燃比系数D,预设所述窑炉内维持还原气氛所需的一氧化碳预设含量为C0;
S2、通入所述窑炉的空气流量与燃气流量之比等于D,点燃所述窑炉;
S3、等待时间t;
S4、所述一氧化碳传感器测量的一氧化碳实际含量为C;
S5、比较C与C0:若C大于C0,增大D,所述空气流量调节阀增大开度;若C小于C0,减小D,所述空气流量调节阀减小开度;若C等于C0,维持D不变;
S6、重复步骤S3至S5。
5.根据权利要求4所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其特征在于:在步骤S2中,所述燃气流量传感器测量的燃气流量为Qg,调整所述空气流量调节阀使所述空气流量传感器测量的空气流量Qa=Qg×D。
6.根据权利要求5所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其特征在于:步骤S3还包括:
S31、预设所述窑炉内的目标温度T0,所述温度传感器测量的温度为T;
S32、比较T与T0:若T小于T0,所述燃气流量调节阀增大开度使Qg增大;若T大于T0,所述燃气流量调节阀减小开度使Qg减小;
S33、调整所述空气流量调节阀使Qa=Qg×D。
7.根据权利要求6所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其特征在于:在步骤S31中,T0是温度随时间变化的预设的烧成工艺温度曲线。
8.根据权利要求4所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其特征在于:所述还原焰气氛窑炉燃烧控制装置还包括报警器,每次运行步骤S5时,若C不等于C0,所述报警器报警。
9.根据权利要求4所述的还原焰气氛窑炉燃烧控制方法,其特征在于:在步骤S1中,C0为范围值。
10.一种还原焰气氛窑炉燃烧控制系统,其特征在于:包括运算单元,所述运算单元用于执行如权利要求4至9中任一项所述还原焰气氛窑炉燃烧控制方法。
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