CN215337708U - 一种闭腔磁感应加热炉 - Google Patents

Abstract

一种闭腔磁感应加热炉。该闭腔磁感应加热炉包括炉体机构、感应加热组件、样品杆组件等结构；其中，所述炉体机构包括炉体外壳、保温套筒、保温层以及走水组件，所述感应加热组件包括变频器、电极、感应线圈、以及内部用于放置样品的高导电石墨。本申请所述闭腔磁感应加热炉通过密封真空环境进行隔热、保温套筒和保温层的保温隔热，以及走水组件的循环水流降温，可以实现对炉体外壳以及其它结构组件的隔热降温，在保温套筒内部进行辐射换热，可以有效避免热量散失，实现超高温加热。

Description

一种闭腔磁感应加热炉

技术领域

本实用新型涉及加热领域，具体涉及一种闭腔磁感应加热炉。

背景技术

高温条件下的样品环境对于金属材料和加工等领域有着非常广泛的应用，包括残余应力分布测量、金属相变分析、微观力学研究等，涉及的行业包括航空航天、轨道交通、核能开发等，为了更准确地研究材料性能，高温原位实验的样品环境是十分必要的。例如，对于中子散射测量领域而言，能否实现超高温加热也是影响测量效果的重要因素。

现有的用于中子散射的高温炉主要是金属箔元件高温炉、镜面炉等。国际上采用感应加热的设备也仅仅是将样品置于两个加热线圈之内，完全裸露在空气中，装置并没有密封设计，能达到的最高温度只有1500℃左右，不适用于需要进行超高温加热的样品。

因此，现有技术还有待发展。

实用新型内容

本实用新型提供一种闭腔磁感应加热炉，其加热温度最高可达2500℃以上，尤其适用于需要在高温条件下进行中子测量的应用场景。

本申请所述一种闭腔磁感应加热炉包括：

炉体机构，所述炉体机构包括炉体外壳、保温套筒、保温层以及走水组件，所述炉体外壳内部形成密闭空间，所述保温套筒位于所述炉体外壳内部，所述保温层填充在所述保温套筒和所述炉体外壳内部之间，所述走水组件用于为所述炉体外壳进行降温；

感应加热组件，所述感应加热组件包括变频器、电极、感应线圈、以及内部用于放置样品的高导电石墨，所述高导电石墨位于所述保温套筒内部，所述感应线圈位于所述保温层中且沿所述保温套筒外部绕制而成；所述变频器产生交变电流并通过所述电极传导至所述感应线圈中，使所述感应线圈产生交变磁场，在交变磁场的作用下，所述高导电石墨内部产生涡流，并通过辐射换热作用实现对样品的加热；

样品杆组件，设置在所述炉体外壳上且可伸入至所述高导电石墨内部，所述样品杆组件用于将样品放入至所述高导电石墨内部进行加热，在密闭环境下最高加热温度可达2500℃以上。

一种实施例中，还包括：测温组件，所述测温组件设置在所述炉体外壳上，用于对炉体外壳内部温度进行测量；所述测温组件包括热电偶测温组件和/或红外测温组件；所述热电偶测温组件的工作温度在800℃以内，所述红外测温组件的工作温度在800℃以上。

一种实施例中，所述炉体机构还包括观测组件，所述观测组件用于观测位于所述样品夹持区上的样品；所述观测组件包括观测组件石英镜片、观测组件石英垫片、观测组件密封件和观测组件固定件，通过所述观测组件固定件将所述观测组件石英镜片、观测组件石英垫片固定在所述炉体外壳上，并通过所述观测组件密封件进行密封，以使炉体外壳内部形成密闭腔室。

一种实施例中，所述走水组件包括冷水机组以及多条冷却水管，所述炉体外壳的表面开设多个用于连接所述冷却水管的进水孔和出水孔，所述冷水机组内产生的冷却水经进水孔流经冷却水管，并从出水孔排出回流至所述冷水机组中。

一种实施例中，所述样品杆组件包括样品杆、旋转角度调整杆、样品杆密封件以及样品杆石墨套管；所述样品杆的一端用于连接样品，且伸入至所述高导电石墨内部，所述样品杆的另一端连接于所述旋转角度调整杆，通过控制所述旋转角度调整杆带动位于样品进行旋转，以使样品对准中子束流中心(即中子穿过的路线中子)；所述样品杆石墨套管套设在所述样品杆的外部，用于对所述样品杆进行隔热；通过所述样品杆密封件对样品杆组件和炉体外壳的连接处进行密封，以使炉体外壳内部形成密闭空间。

一种实施例中，所述炉体外壳的表面还开设有用于连接真空泵、对所述炉体外壳内部进行抽真空的抽气孔，以及用于向炉体外壳内部输送惰性气体的输气孔。

一种实施例中，所述保温层里填充石棉和/或陶瓷。

依据本申请所提供的闭腔磁感应加热炉，通过感应加热组件及密封环境的设计，可以实现将样品最高加热至2500℃以上，尤其适用于需要进行高温条件下中子测量的领域。本申请所述闭腔磁感应加热炉通过密封真空环境进行隔热、保温套筒和保温层的保温隔热，以及走水组件的循环水流降温，可以实现对炉体外壳以及其它结构组件的隔热降温，避免热量散失，实现超高温加热；同时多层级的隔热效果可以有效避免该闭腔磁感应加热炉的结构组件因高温而影响使用寿命。

附图说明

图1为本申请所述闭腔磁感应加热炉中炉体机构的结构示意图；

图2为本申请所述闭腔磁感应加热炉中炉体机构的俯视图；

图3为本申请所述闭腔磁感应加热炉的左视图；

图4为本申请所述闭腔磁感应加热炉的左视视角剖面图；

图5为本本申请所述闭腔磁感应加热炉的正视视角剖面图；

图6为本申请所述样品杆组件的结构示意图；

图7为本申请所述样品杆组件的剖面图；

图8为本申请所述热电偶测温组件的结构示意图；

图9为本申请所述红外测温组件的剖面图；

图10为本申请所述闭腔磁感应加热炉在加热工作时的温度运行曲线图；由图可知，闭腔磁感应加热炉的炉体外壳内部温度最高可升至2610℃。

标注：

样品杆组件100、热电偶测温组件200、红外测温组件300、观测组件400、炉体外壳500、保温层510、感应加热组件600、变频器610、电极620、感应线圈接线柱密封圈630、保温套筒640、感应线圈650；

进水孔521、出水孔522、连接观测组件孔523、连接热电偶测温组件524、连接样品杆组件孔525、连接红外线测温组件孔526、输气孔527、吊耳528(用于搬运)、中子射入口529(中子射出口未标出)、抽气孔530、连接感应加热组件孔531、走水组件540；

样品杆组件：转动手柄110、角度指针120、角度尺130、旋转角度调整杆140、样品杆密封件150、样品杆160、样品杆石墨套管170；

热电偶测温组件：电机210、移动台220、转接件230、热电偶石墨套管240、热电偶石墨套筒250；

红外测温组件：红外测温仪310、转接支架320、红外石英垫片330、红外石英镜片340、红外固定件350、红外密封件360、红外石墨套管370。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

现有的用于中子散射的高温炉主要是金属箔元件高温炉、镜面炉等。国际上采用感应加热的设备也并没有密封设计，能达到的最高温度只有1500℃左右，不能满足超高温(超过2000℃)的加热需求。采用密封设计的难度在于高温下实现密封的难度大，且难以找到合适的材料制作密闭空间，温度过高容易使炉体熔化。需要说明的是，本申请所述闭腔磁感应加热炉可以适用于高温加热条件下的中子测量，当然也可以应用在其他需要进行高温加热的领域中。

本申请所设计的闭腔磁感应加热炉，是利用磁感应加热原理，通过密封设计和多层级隔热设计，在炉体外壳内部形成真空环境，有利于提高中子的散射效果，同时减少热量传递，可以实现超高温下中子对样品的散射测量。多层级隔热设计是指：一是真空环境可以初步隔热；二是在保温套筒和炉体外壳之间填充保温层(石棉、陶瓷等)，通过保温层隔绝热量；三是设置走水组件，通过循环水对炉体外壳进行降温。

该闭腔磁感应加热炉的工作原理是：在交流电的作用下，感应线圈产生交变磁场，使内部为空心(可放置样品)的高导电石墨在交变磁场的作用下产生涡流，使其被迅速加热，并通过辐射加热使得位于高导电石墨中心的样品被加热。相较于现有技术中金属箔元件高温炉的最高加热温度为1800℃、非密闭磁感应加热炉最高加热温度为1500℃，本申请所述闭腔磁感应加热炉的最高加热温度可以达到2500℃以上，满足超高温的加热需求。

下面对该闭腔磁感应加热炉的结构做具体介绍。

如图1～5所示，主要包括炉体机构、感应加热组件600以及样品杆组件100。其中炉体机构中的炉体外壳500作为加热反应的主体结构，其内部可形成真空密闭环境，同时设置保温层510和走水组件540能有效减少热交换对热量损失的影响，避免过高温度对炉体材料稳定性的影响，同时能够有效提高加热效率，可快速升温至约2600℃。感应加热组件600利用磁感应原理来实现对样品的加热，其中，高导电石墨(图中未标出)位于感应线圈650内部，具体的，在本申请中，高导电石墨位于保温套筒内部，而感应线圈650位于保温套筒640外部的保温层510中且沿着保温套筒640外部(具体为侧壁)绕制而成。样品杆组件100可以伸入至炉体外壳内部的高导电石墨中，样品杆组件100的一端连接样品，并通过调节样品杆组件100，使样品移动至高导电石墨的内部中心位置，同时处于中子入射束流穿过的位置。同样地，样品杆组件100和炉体外壳500之间也为密封设计，通过样品杆密封件150进行密封，从而保证整个加热炉处于密封状态。

该炉体机构包括炉体外壳500、保温套筒640、保温层510以及走水组件540。

炉体外壳500可以采用铁、铜、不锈钢、铝合金等熔点较高的金属作为材料；保温套筒640内部用于放置高导电石墨(优选的，保温套筒的结构呈圆筒状结构，高导电石墨同样也为圆筒状结构)，外部具有保温层。保温层510由石棉、隔热石墨、陶瓷或纤维等隔热材料所填充而成，保温层510可以有效减少保温套筒640的热量散失，优选的，在保温套筒外部至炉体外壳内部之间的空间均为保温层，填充上述隔热材料。而走水组件540的目的在于通过循环水对炉体外壳进行降温，当然，对于走水组件540的材料，一般也需要选用熔点较高的材料，如铁、铜或其它合金材料等。具体的，走水组件540包括冷水机组以及多条冷却水管(冷却水管布设在炉体外壳的内壁上)，冷水机组与炉体外壳上的进水孔521和出水孔522(具体见后文阐述)连接，冷水机组内产生的冷却水由进水孔521进入炉体外壳内部的冷却水管，对炉体外壳进行降温，随后流至出水孔522并回流至冷水机组中，通过不断循环的冷却水可以有效降低炉体外壳的温度，延长其使用寿命。

在本申请中，通过保温套筒上的保温层510以及走水组件540，可以在避免造成炉体外壳温度过高的同时实现对样品的加热，从而满足中子散射测量的需求。密封的结构可以有效防止热量损失，从而维持在较高的加热温度。

优选的，炉体机构还包括观测组件400，观测组件400位于炉体外壳的侧壁，用于观测样品在内部的加热情况。具体的，观测组件400包括观测组件石英镜片、观测组件石英垫片、观测组件密封件和观测组件固定件，石英材料具有耐高温、不易磨损、透明度等优点，尤其适用于制作观测组件。通过观测组件固定件将观测组件石英镜片、观测组件石英垫片固定在炉体外壳上，并通过观测组件密封件对观测组件和炉体外壳的连接处进行密封，以使炉体外壳的内部形成密闭腔室。

一种实施例中，如图1～5所示，炉体外壳为圆筒状结构，其表面开设有多个孔位(例如：进水孔521、出水孔522、连接观测组件孔位523、连接热电偶测温组件524、连接样品杆组件孔位525、连接红外线测温组件孔位526、输气孔527、中子射入口529、抽气孔530、连接感应加热组件孔位531等)和接口(标准法兰接口)，孔位可以用于抽真空、进水和排水等，接口可以用于连接样品杆组件、测温组件(见下文所述)等结构，还包括吊耳528，由于该装置质量较重，因此可以通过吊车勾住吊耳而将其移动。

具体实施例中，在炉体外壳的正上方、左上方和右上方均开设接口，分别用于连接样品杆组件100(此处接口为连接样品杆组件孔525)、热电偶测温组件200(此处接口为连接热电偶测温组件524)和红外测温组件300(此处接口为连接红外线测温组件孔526)；在炉体外壳的左右两侧开设接口，用于连接观测组件400(此处接口为连接观测组件孔523)；在炉体外壳的底部开设接口，用于连接感应加热组件600(此处接口为连接感应加热组件孔531)。在炉体外壳的左右两侧开设多个孔位用于连接冷却水管，在炉体外壳的左下方开设进水孔521和出水孔522。在炉体外壳的右下方开设用于连接抽真空泵的抽气孔530，可以对炉体外壳内部进行抽真空；在炉体外壳的上方还开设有用于向炉体外壳内部输送惰性气体的输气孔527，以维持炉体内外的压力平衡，防止空气进入炉体外壳内部。

该感应加热组件600包括变频器610、电极620、感应线圈以及具有中空结构(用于放置样品)的高导电石墨(图中未标出)，高导电石墨位于感应线圈内部。在变频器610产生交变电流时，可以通过电极620将交变电流传导至感应线圈650(通过铜线圈接线柱密封圈630进行密封固定)中，使感应线圈650产生交变磁场，在交变磁场的作用下，高导电石墨的内部产生涡流，通过辐射换热实现对样品的加热。具体的，本申请中的电极可以是铜电极，还可以是其他具有良好导热性能且熔点较高的电极；同样的，感应线圈可以是铜感应线圈，也可以是其他具有良好导热性能且熔点较高的感应线圈。

优选实施例中，将放置高导电石墨的保温套筒内部设计成喇叭口形状，且喇叭口形状的开口沿着中子束流的射出方向逐渐扩大，可以有效增强中子的散射效果。

如图6～7所示，该样品杆组件100可将样品送至高导电石墨内部(先穿过炉体外壳、保温层以及保温套筒)进行加热。具体而言，样品杆组件100至少有一部分可伸入炉体外壳内部的高导电石墨中，并且至少有另一部分位于炉体外壳500外部，可以用于操作而对样品位置进行调整，保证样品处于高导电石墨的中心，实现对样品的快速加热。

具体实施例中，本申请所述样品杆组件100包括样品杆160、旋转角度调整杆140、样品杆密封件150以及样品杆石墨套管170。具体的，样品杆160的一端可连接样品，并伸入于高导电石墨内部，另一端连接旋转角度调整杆140，通过控制旋转角度调整杆140带动样品进行旋转，以保证样品位于中子的入射束流通路上，即中子的入射束流可穿过样品，实现对样品的散射测量。样品杆组件石墨套管170套设在样品杆160的外部，样品杆组件石墨套管170的主要作用是为了隔热，避免高温影响样品杆160的使用寿命。为了进一步实现密封效果，在样品杆组件100和炉体外壳500的连接处还设置有样品杆密封件150，通过样品杆密封件150进行密封，以使闭腔磁感应加热炉内部形成密闭腔室。

样品杆组件100的具体结构如图6～7所示，其主体为圆柱状结构。样品杆160的顶部连接旋转角度调整杆140，旋转角度调整杆140又与转动手柄110相连，通过操作转动手柄110，可以控制旋转角度杆140进行转动，进而带动样品杆进行转动，使样品沿圆周运动。另外，在旋转角度调整杆140上还设置有角度尺130和角度指针120，可用于反馈样品当前的角度位置；样品杆160的底部用于连接样品，在样品杆160进行旋转时，可以带动样品实现位置的调整。

如图8～9所示，本申请所述闭腔磁感应加热炉还包括测温组件，测温组件设置在炉体机构上，用于对样品附近的温度进行实时测量。同样的，在测温组件和炉体机构之间的连接处具有测温组件密封件，可以对炉体外壳内部环境进行密封。

该测温组件包括热电偶测温组件200和/或红外测温组件300。测温组件可以把所测得的温度反馈给控制器，并通过控制可以调节感应加热组件的输出功率，实现对加热温度的调节。其中，热电偶测温组件200的工作温度在800℃以内，红外测温组件300的工作温度在800℃以上，可以根据不同的实际测量需求选择其中一个测温组件，或者，将二者结合起来使用。

一种实施例中，热电偶测温组件210可以通过电机控制的方式实现对测温位置的调整。该热电偶测温组件210包括电机210、滑动设置在电机210上的移动台220、转接件230、热电偶(图中未标出，位于热电偶石墨套管240中)以及套设在热电偶石墨套管240外部用于隔热的热电偶石墨套筒250，热电偶石墨套筒250可以防止热量散失，保证测量的准确性。热电偶石墨套管240通过转接件230固定在移动台220上，在电机210的驱动下，移动平台220带动热电偶进行往返运动，从而将热电偶移送到目标位置进行测温。

一种实施例中，红外测温组件300包括红外测温仪310、转接支架320、红外固定件350以及红外石墨套管370。红外测温仪310通过将样品所发出的红外线辐射能转变成电信号，并根据转变成电信号大小确定样品的温度。在中空结构的红外石墨套管370顶部开设有用红外石英镜片330和红外石英垫片340密封的测温口，红外测温仪通过测温口可以测量出内部样品的温度。转接支架320通过红外固定件350固定在红外石墨套管370上(位于测温口的侧边)，另一端与红外测温仪310连接。

通过上述实施例所制备出的闭腔感应加热装置，其内部为真空密封状态，最高可实现的加热温度为2500～2600℃，可以满足超高温加热的需求。该闭腔磁感应加热炉在中子测量中具有广阔的应用前景。

下面通过具体实施例对本申请方案进一步说明。

实施例一

本实施例一中提供用于中子散射测量的闭腔感应加热装置，请参见图1～9所示。

如图1～9所示，该闭腔感应加热装置包括：样品杆组件100、热电偶测温组件200、红外测温组件300、观测组件400、炉体外壳500、感应加热组件600；

转动手柄110、角度指针120、角度尺130、旋转角度调整杆140、样品杆密封件150、样品杆160、样品杆石墨套管170；

电机210、移动台220、转接件230、热电偶石墨套管240、热电偶石墨套筒250；

红外测温仪310、转接支架320、红外石英垫片330、红外石英镜片340、红外固定件350、红外密封件360、红外石墨套管370；

保温层510、炉体外壳520、走水组件540、变频器610、电极620(此处为铜电极)、感应线圈接线柱密封圈630、保温套筒640(内部放置中空结构的高导电石墨)，感应线圈650(此处为感应铜线圈)以及螺栓、接头等附件。

本实施例中的变频器610提供交变电流，通过电极620传递至感应线圈650中，感应线圈650通过交变电流产生交变磁场，高导电石墨置于感应线圈内部，在交变磁场的作用下，高导电石墨内部产生涡流，样品处于所述高导电石墨中心，在辐射换热的作用下被加热。

保温套筒640、保温层510、样品杆石墨套管170、热电偶石墨套管240、红外石墨套管370的主要作用均为保温隔热，防止热量散失。在800℃以下的实验中，通过电机210驱动移动台220，将固定在热电偶石墨套管240上的热电偶送至目标测温点进行温度测量；在800℃以上的实验，通过红外测温组件300对样品温度进行测量，温度测试结果反馈至控制器中，控制器调节感应加热组件600的功率，从而调节温度。

优选的，一种实施例中，还具有中子射入口和对应的中子射出口，可用于不同的谱仪进行中子散射测量，通过控制转动手柄110，带动旋转角度调整杆140和样品杆160转动，通过角度指针120和角度尺130反馈当前角度位置，可实现样品在不同方向上的测试，冷水机组提供冷却水降温，冷却水由进水孔进入炉体外壳的水流管道，进而进入冷却水管，对炉体外壳500降温，被加热后的水最后流至出水孔进入冷水机组降温。

通过对测温组件上述闭腔磁感应加热炉在使用时的温度进行实时监测，由图10可知，其最高加热温度可以达到2610℃，可以满足中子散射加热测量的需求。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.一种闭腔磁感应加热炉，其特征在于，包括：

炉体机构，所述炉体机构包括炉体外壳、保温套筒、保温层以及走水组件，所述炉体外壳内部形成密闭空间，所述保温套筒位于所述炉体外壳内部，所述保温层填充在所述保温套筒和所述炉体外壳内部之间，所述走水组件用于为所述炉体外壳进行降温；

感应加热组件，所述感应加热组件包括变频器、电极、感应线圈、以及内部用于放置样品的高导电石墨，所述高导电石墨位于所述保温套筒内部，所述感应线圈位于所述保温层中且沿所述保温套筒外部绕制而成；所述变频器产生交变电流并通过所述电极传导至所述感应线圈中，使所述感应线圈产生交变磁场，在交变磁场的作用下，所述高导电石墨内部产生涡流，并通过辐射换热作用实现对样品的加热；

样品杆组件，设置在所述炉体外壳上且可伸入至所述高导电石墨内部，所述样品杆组件用于将样品放入至所述高导电石墨内部进行加热。

2.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，还包括：测温组件，所述测温组件设置在所述炉体外壳上，用于对炉体外壳内部温度进行测量；所述测温组件包括热电偶测温组件和/或红外测温组件；所述热电偶测温组件的工作温度在800℃以内，所述红外测温组件的工作温度在800℃以上。

3.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述炉体机构还包括观测组件，所述观测组件用于观测位于所述高导电石墨内部的样品；所述观测组件包括观测组件石英镜片、观测组件石英垫片、观测组件密封件和观测组件固定件，通过所述观测组件固定件将所述观测组件石英镜片、观测组件石英垫片固定在所述炉体外壳上，并通过所述观测组件密封件进行密封，以使炉体外壳内部形成密闭腔室。

4.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述走水组件包括冷水机组以及多条冷却水管，所述炉体外壳的表面开设多个用于连接所述冷却水管的进水孔和出水孔，所述冷水机组内产生的冷却水经进水孔流经冷却水管，并从出水孔排出回流至所述冷水机组中。

5.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述样品杆组件包括样品杆、旋转角度调整杆、样品杆密封件以及样品杆石墨套管；所述样品杆的一端用于连接样品，且伸入至所述高导电石墨内部，所述样品杆的另一端连接于所述旋转角度调整杆，通过控制所述旋转角度调整杆带样品进行旋转，以使样品对准中子束流中心；所述样品杆石墨套管套设在所述样品杆的外部，用于对所述样品杆进行隔热；通过所述样品杆密封件对样品杆组件和炉体外壳的连接处进行密封，以使炉体外壳内部形成密闭空间。

6.如权利要求5所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述旋转角度调整杆上还设置有角度尺和角度指针，通过所述角度尺和角度指针反馈样品当前的角度位置。

7.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述炉体外壳的表面还开设有用于连接真空泵、对所述炉体外壳内部进行抽真空的抽气孔，以及用于向炉体外壳内部输送惰性气体的输气孔。

8.如权利要求1所述闭腔磁感应加热炉，其特征在于，所述保温层里填充石棉和/或陶瓷。

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