DE1815359A1 - Verfahren und Anordnung zur Regelung des Vorschubs von Abschmelzelektroden in Lichtbogenoefen - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Verfahren und Anordnung zur Regelung des Vorschubs von Abschmelzelektroden in lichtbogenofen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung des Vorschubs von Abschmelzelektroden in lichtbogenofen, insbesondere Vakuum-Lichtbogenöfen, durch Erfassung der während des Schnelzprozesses auftretenden Lichtbogenspannung einschließlich der ihr überlagerten Spannungsimpulse, wobei die Lichtbogenspannung fortlaufend mit einer Sollspannung verglichen und die Spannungsdifferenz Integriergliedern zugeführt wird, die ihrerseits Regelsignale für eine Vorschubeinrichtung erzeugen.

Aufgrund der Unmöglichkeit, die Länge des Lichtbogens auf direktem Wege zu bestimmen, ist man gezwungen, den Abstand der Abschmelzelektrode vom Sohmelzsee auf indirektem Wege zu ermitteln. Zu diesem Zwecke wendet man bereits seit einiger Zeit die Messung der Lichtbogenspannung und ihre Umsetzung in Regelsignale an. Dabei hat sich gezeigt, daß der Lichtbogenspannung gewisse, im allgemeinen unregelmässig auftretende Spannungsimpulse überlagert sind, deren Amplitude, Häufigkeit und Vorzeichen gewisse Rückschlüsse auf die Bogenlänge zulassen.

So ist beispielsweise durch die deutsche Patentschrift 1 169 ein Verfahren zur Regelung des Vorschubs einer Abschmelzelektrode in einem Vakuumlichtbogenofen bekannt _s 'boi dsm nur die während des Sohmelsproaesses auftretenden Impedansimpulse herangezogen werden. Amplitude und/oder Häufigkeit der Impulse wird bzw. werden ssur Erregung eines Regelsignals auf elektrischem Wege ausgewertet. Diesem Verfahren lag die Erkenntnis zugrunde, daß sowohl die frequenz der Impuls© als auch ihre Häufigkeit

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mit kleiner werdender Bogenlänge zunehmen und umgekehrt.

Durch die deutsche Aualegeschrift 1 212 651 ist es ferner bekannt, neben einer Regelung durch Auswertung der Impulse auoh eine Regelung durch Erfassung der reinen Lichtbogenspannung vorzusehen, falls keine Impulse, beispielsweise wegen eines zu großen Elektronenabstandes, mehr auftreten·.-

Bei beiden bekannten Regelverfahren können Häufigkeit und/oder Amplitude der Spannungsimpulse durch nachfolgende Integrierglieder erfaßt bzw. gezählt werden. Die Ausgangssignale der Integrierglieder können schließlich als Eingangssignal für eine Verstellvorrichtung der Elektrodenstange verwendet werden.

Obwohl sich die bekannten Regelverfahren auch in der Praxis durchaus bewährt haben, wohnen ihnen noch gewisse Mängel inne, die sie für eine breite Anwendung bei Lichtbogenöfen für das Schmelzen von Metallen aller Art nicht in jedem Falle geeignet erscheinen lassen. Es wurde nämlich festgestellt, daß nicht immer ein aus Impulsen gewonnenes Regelsignal eine eindeutige Punktion des Abstandes der Abschmelzelektrode vom Schmelzsee darstellt. Dies trifft vorwiegend dann zu, wenn der Lichtbogen instabil ist und Impulssignale unabhängig von der relativen Elektrodenlage auftreten. Ausserdem ist die Grosse des Impulssignals vom jeweils vorhandenen Schmolzstrom abhängig, was die Zuverlässigkeit solcher Signale nicht erhöht. Solche unregelmässig auftretenden Impulse, deren Frequenz, Amplitude und Vorzeichen keine Punktion der relativen llektrodenlage darstellen, seien nachfolgend als Störimpulse bezeichnet.

Es hat sich nun überraschend gezeigt, daß sich Störimpulse, wenn man sie hinsichtlich ihres Vorzeichens miteinander vergleicht, gegenseitig aufheben. Impulse hingegen, die aus

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Änderungen der relativen Slektrodeniage resultieren, zeigen, je nachdem, ob der Abstand der Elektrode vom Schmelssee au kurz oder 2SU latig ist» eine deutlich überwiegende Tendenz zu negativem bzw. positivem Anteil, Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu-j gründe, ein Regelve^fahren zu schaffen, bei dem zwischen Störimpuls en und Abstandsimpulsen unterschieden wird und bei dem nur solche Impulse für eine Regelung benutzt werden, die eine Funktion des Elektrodenabetandes darstellen. Hierdurch soll eine ansonsten eintretende ungenaue Regelung der lichtbogenlänge vermieden

Die BeseitigUYig des? den bekannten Verfahren anhaftenden Nachteil® und jäie lösung der gestellten Aufgabe erfolgt erfindungsgernäB dadurch^ daß die Biffereazen zwischen der Lichtbogenspannung und der Sollspannung in Abhängigkeit von ihrer Polarität getrennt ©rfait und integriert v/erden, und daß die Differenz &©£ integriertem SgaKraraigea als Regelsignale disnt, welches je naoii seiner Polarität eis® Hub- bzw. Senkbewegung der Abschmelzelektrode bewirkt. Mit dem erfindungsgeiaässen Verfahren sind die Vorteile verbunden, daß die Störimpulse vor ihrer Beeinflussung des Regelvorgangs eliminiert werden und daß der Regelvorgang ausschließlich von solchen Impulsen beeinflußt wird, die eindeutige Rückschlüsse auf die Bogenlänge zulassen. Durch die angegebene Differensonbildung der integrierten Spannungen wird erreicht, daß der für eine Regelhandlung benutzte Heßwert weit über dem Pegel der Störsignale angehoben wird.

Eine für die Durchführung des erfindungsgeiaässen Verfahrens besonders vorteilhafte Anordnung, wobei der Lichtbogenspannung U₁ eine Sollspannung U_ entgegengeschaltet ist, die der aittleren Lichtbogenspannung entspricht besteht darin, daß die Spannungsdifferenz sviisehen Lichtbogen- und Sollspannung in Abhängigkeit von ihrer Polarität an zwei die Impulsdurcagabe bevorzugende Filternetzwerke angelegt ist, die mit awei Schaltgliedern in Verbindung stehen, welche je nach Polarität der ;:_ui;ui-.-.fcrens eins ... 0 09827/0869

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von zwei einander entgegengeschalteten Integriergliedern an Spannung legen, und daß die in jedem Augenblick am gemeinsamen Ausgang der gegeneinander geschalteten Integrierglieder ansteheti-r de positive oder negative Differenz der integrierten Spannungen als Regelsignal einer Verstellvorrichtung für die Abschmelzelektrode zugeführt wird.

Die die Impulsdurchgabe bevorzugenden Filternetzwerke, welche die Impulssignale klar von einer geringfügigen und ggf. zulässigen langzeitigen Abweichung der Spannungsdifferenz unterscheiden sollen, werden besonders vorteilhaft als RC-Glieder ausgebildet und derart dimensioniert, daß impulsartige Änderungen der Spannungsdifferenz sofort an den Schaltgliedern anliegen, !einseitige Änderungen jedoch erst nach Überschreiten eines bestirnten Schwellenwortes. Die RC~Glieder haben gleichzeitig die Rolle von Empfindlichkeitsadaptern, die bewirken, daß Impulse mit unterschiedlicher Amplitude in gleicher Größe an den Schaltgliedern anstehen.

Ausführungübeispiele für Anordnungen zur Durchführung dea erfindungsgenäascn Verfahrens seien nachfolgend an Hand der Figuren 1 und 2 näher beschrieben.

In Fig. 1 ist ein Schaltplan einer rioß- und regeltechnischen Einrichtung zur Erfassung der lichtbogenspannung einschließlich dor ihr überlagerten Spannungsimpulse und zur Umsetzung in Regelsignale dargestellt. Die Bogenspannung des Lichtbogenofens liegt an den Klemmen 1 und 2 an und wird über ein Filter 3 geleitet, wolchea unerwünschte Frequenzen, wie z.B. die Od er;,¹ eil en des Gl3ichrichters, ausfiltert. Zwischen den Ausgangsklemmen dc-3 Filters liegt der ohm'sche Widerstand 4· An den Kleinen 5 und 6 ist eine Gegenspannung angeschlossen, die mittels des' Potentiometers 7 auf einen solchen Wert eingestellt wird, der dor Mittleren Spannung am Widerstand 4 entspricht. Diese Spannung ist die Sollspannung do3 Lichtbogens. Durch die Dioden 8 und 9 und die mit ihnen in Reihe liegenden Widerstände 10 und 11 flie.3t nun co lange kein Strom, wie am Widerstand

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und am Potentiometer 7 Spannungsgleichheit besteht, d.h., daß die Istspannung des Lichtbogens mit seiner Sollspannung übereinstimmt.

Auftretende Abweichungen der Lichtbogenspannung, d.h. sowohl langzeitige Abweichungen ala auch Impulse,erzeugen jedoch einen Stromfluß über die Dioden und Widerstände. Positive Abweichungen der Lichtbogenspannung können, bedingt durch die Diode 8, nur einen Strom über den Widerstand 11 fHessen lassen, während negative Abv/eichungen der Lichtbogenspannung infolge der Diode 9 nur einen Stromfluß über den Widerstand 10 erzeugen können-r' .

Die infolge der Spannungεabweichungen in den Zweigen 9/10 und 8/11 fliessenden Ströme mit positivem oder negativem Vorzeichen werden nunmehr getrennt erfaßt und den RC-G-liedern 12/13 und "14/15 zugeführt.

Da, wie bereits gesagt, auGh langzeitige Abweichungen der Lichtbogenspannung Ströme in den Kreisen 9/10 oder 8/11 fliessen lassen, sind die RC-Glieder 12/13 und 14/15 so'aufgelegt, daß Impulse nur einen geringen Widerstand finden und die als Relais ausgebildeten Schaltglieder 16 und 17 ansprechen lassen. Langzeitig an den Widerständen 10 bzw. 11 anstehende Spannungen bewirken jedoch einen Spannungsabfall an den Widerständen 13 bzw. 15 demzufolge die Schaltglieder 16 und 17 nicht anziehen. Falls die Widerstände 13 und 15 als Stellwiderstände ausgebildet sind, kann von Pail zu Fall ein unterschiedlicher oberer oder unterer Schwellenwert eingestellt werden, bei dem die Schaltglieder 16 und 17 ansprechen.

Die Kontakte 18 und 19 der Schaltglieder 16 und 17 sind über die Klemmen 20 und 29 mit einer Gleichsxjannungsquelle verbunden Es werden zwei Stromkreise gebildet, in denen die Widerstände 20 und 21 liegen. Da über daa RC-Glied 12/13 nur negative Ab-

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weichung der Lichtbogenspannung erfaßt und dem Schaltglied auge führt werden, fließt in dem Stromkreis mit den Kontakten 18 und dem ohm-'sehen Widerstand 20 auch nur dann ein Strom, wenn die Abweichung der Lichtbogenspannung negativ ist und die übrigen Voraussetzungen für einen Durchgang durch das RG-GIied erfüllt. Analog fließt im Stromkreis mit den Kontakten 19 und dem ο hinsehen Widerstand 21 nur dann ein Strom, wenn die Abweichung der Lichtbogenspannung positiv ist; mit anderen Worten: die getrennte Erfassung positiver und negativer Abweichungen der Lichtbogenspannung bleibt auch hinter den Schaltgliedern 16 und 17 erhalten.

Ist einer der Kontakte 18 und 19 geschlossen,"so liegt an dem ihm zugeordneten Widerstand 20 oder 21 die Spannung der Stromquelle 28/29·an. Die3e Spannung wird abgegriffen und liegt an den Integriergliedern 22/23 oder 24/25 an, durch die 3ie stark zeitverzögert an den Klemmen 26 und 27 erscheint. Die Zeitverzögerung durch die Integrierglieder ist so ausgelegt, daß sie groß ist im Verhältnis zur erwarteten Impulsfolge. Ein Schließe und Öffnen der Kontakte 18 und 19 ruft infolge der konstanten Spannung an den Klemmen 2ö und 29 an den Widerständen 20 bzw. 2 Rechteckimpulse hervor, deren Höhe stets gleich ist, deren Länge der Dauer der Impulsdauer der Eingangsimpulse entspricht. Nach der Verzögerung durch die Kondensatoren bzw. Widerstände 22, 23, 24 und 25 entsteht eine kontinuierliche Signalspannung an den Kondensatoren 23 bzw. 25_} deren Höhe von der Anzahl und Dauer der Eingangsimpulse abhängig ist. Infolge der Gegeneinander schaltung der Kondensatoren 23 und 25 wird an den Klemmen 26 und 27 die Differenz der beiden Signal spannungen abgenommen'. Naturgemäß kann eine Differenz nur dann auftreten, wenn zwischer Anzahl und Dauer von positiven Impulsen und der Anzahl und Dauei von negativen Impulsen ein Unterschied besteht. Das Ausgangssignal wird von den Klemmen 26 und 27 in an sich bekannter Weise einer Stellvorrichtung für die Bewegung^der Abschmelzelektrode zugeführt. Die Stellvorrichtung kann ein P-Verhalten

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besitzen, bei Verwendung eines Stellmotors für die Elektrode besitzt sie zwangsläufig ein I- oder Pl-Verhalten..

Die Y/irkungsweise der Anordnung gemäß Fig. 1 sei an Hand von Pig. 2 näher beschrieben. In Fig. 2a sind die Kurvenverläufe der Lichtbogenspannung U-, für drei verschiedene Betriebszustände eines Lichtbogenofens grafisch dargestellt. Sie sind in bezug gesetzt zur sogenannten Sollspannung U₈, die am Potentiometer 7 (Fig. 1)'abgegriffen wird. Die linke Kurvendarstellung charakterisiert den Verlauf der Lictfbogenspannung, viie er bei einem zu kurzen Slektrodenabstand auftritt. Abgesehen davon, daß die negativen Impulse überwiegen, ist auch eine über längere Zeit anstehende negative Spannungeabweichung - ο U vorhanden. Die mittlere Kurve zeigt einen Lichtbogcnspannur^vorlauf, wie er für den Betriebszustand bei richtiger Bogenlänge charakteristisch ist. Obwohl in einem solchen Fall keine Regelhandlungen erforderlich sind, würde infolge der Impulse bei deren Auszählung oder I-.-. bo^intiou ohne Rücksicht auf das Vorzeichen gemäß den bekannten Verfahren büie Re5?lhandlung herbeigeführt, die nicht nur unnütz sondern sogar unsinnig ware. Die rechte Kurve zeigt άεη Verlauf der Lichtbogencpannung, wie er für das Betriebeverhalten bei zu grosser Bogenlänge kennzeichnend ist. lieben dem überwiegen der positiven Impulse in besug auf Häufigkeit und Amplitude ist eine langzeitig anstehende Abweichung der Lichtbo^enspannung ->/. U vorhanden.

Fig. 2b zeigt nun, wie der Spannungsverlauf am Ausgang nach Verlassen der RG-Glieder 12/13 und 14/15 aussieht. In allen i'ällen ist die lan.-soitig anstehende Spannungsdifferenz £·■·'. U aufgrund der Auslegung der RC-ulieder eleainiert worden und hat infolgedessen keinen Einfluß ηehr auf die nachfolgenden Schalt- I glieder 16/17. Die positive Spannung, dargestellt durch den über} der Abszisse liegenden Seil des Kurvensuges, liegt an Schaltglied 17 an, während die negative Spannung, dargestellt durch den unterhalb der Abszisse liegenden Teil des Kurvenzuges, am Schaltglied 16 anliegt. _ßAD ' I

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Fig. 2c zeigt den Spannungsverlauf in den beiden Stromkreisen 18/20 bzw. 19/21. Infolge des Anliegens einer konstanten Spannung an den Klemmen 28 und 29 werden in Abhängigkeit von der Schließungsdauer der beiden Kontakte 18 und 19 Rechteckinipul.se konstanter Höhe erzeugt, die je nach Polarität an den Widerständen 20 und 21 abgegriffen werden können. Diese Rechteckimpulse v/erden den Integriergliedern 22/23 bzw. 24/25 aufgeschaltet, die eine Summation unter Berücksichtigung der Yorzeichen vornehmen. Bei zu kurzem Elektrodenabstand (linker Kurvenzug in Pig. 2) überwiegen die negativen Impulse, «so daß sich an den Ausgangsklemmen 26 und 27 eine negative Spannung einstellt, die auf ein Stellglied im Sinne einer Yergrösserung des Elektrodenabutandes einwirkt. Bei korrektem Elektrodenabstand (mittlerer Kurvenzug in Fig. 2) hält sich die Dauer von positiven und negativen Impulsen die Waage. An den Ausgangsklemmen 26 und 27 erscheint in diesem Falle keine Spannung. Dies entspricht den Erfordernissen der Regeleinrichtung, da eine Regelhandlung überflüssig ist. Anders ist dies hingegen beim Überwiegen der positiven Impulse (rechter Kurvenzug in Fig 2) bei einem zu grossen Elektrodenabstand. In diesem Fall liegt an den Klemmen 26 und 27 infolge des zuständigen Integriergliedes eine positive Spannung an, die eine Regelhandlung im Sinne einer Verkürzung des Elektrodenabstandes herbeiführt.

Beispiel:

Bei einem Vakuum-Lichtbogönofen, der mit einer mittleren Lichtbogenspannung U_T = 25 YoIt betrieben v/urde, betrug die Ampli-

+ 40

tude der Impulse bis zu - 5 Volt. Es wurden etwa Impulse/Minute gezählt. Die beiden RC-Glieder hatten folgende Auslegungsdaten: ^R^_QV = ²5 000 0hm, C = 100 -.F. Die verwendeten Relais be-

UiCtJt

saßen eine Ansprechspannung von 0,5 Volt. Die beiden Integrierglieder weisen folgende Auslegungsdaten auf: 5,6 K.Q, , 250 ■ :F + 3,3 K '?, , 25 .·_.? und besaßen infolgedessen eine Zeitkonstante von ca. 2 Sekunden.

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Fig. 3 zeigt als Ausführungsbeispiel eine Variante der Anordnung gemäß Pig. 1 mit kontaktieren Schaltelementen. Die Lichtbogenspannung ist an die Klemmen 1 und 2 angeschlossen, und wird mittels des Filters 3 von unerwünschten Oberwellen befreit. Die Ausgangsklemmen des Filters sind durch den Widerstand 4 überbrückt. An den Klemmen 5 und 6 liegt eine Gegenspannung an, die mittels des Potentiometers 7 regelbar ist. Der Abgriff ain Potentiometer 7 entspricht der Sollspannung U₃, die der lichtbogenschaltung.entgegengeschaltet ist. Solange SoIl- und Mchtbogenspannung einander gleich sind, fließt kein Strom. Treten .jetzt in der Mchtbogenspannung bzw. am Widerstand 4 Impulse auf, so werden diese durch den Kondensator 30 kurzgeschlossen und können infolgedessen am Potentiometer 31 ihrer Richtung entsprechend abgegriffen werden. Langzeitige Spannungsänderungen dagegen führen zu einer Aufladung des Kondensators 3Oj und können am Potentiometer 32 abgegriffen werden. Das Potentiometer 32 ist wesentlich hochomiger als das Potentiometer 31. Durch Einstellen des Potentiometers 32 können Spannungsgrenzwerte eingestellt werden, bei denen die nachgeschalteten elektronischen Schaltelemente ansprechen sollen. Mit dem Potentiometer 33 können die Impulse durch Ableitung über dem Kondensator 34 in ihrer Wirkung abgeschwächt werden. Werden die Potentiometer 32 und 33 auf eine gemeinsame Achse gesetzt, dann ist es besonders einfach, jede3 beliebige Verhältnis zwischen der Stärke des Impulsesund der Stärke langzeitiger Spannungsänderungen einzustellen.

Die Ausgangsspannung des Potentiometers 31, welches zur Einstellung der Ansprechempfindlichkeit dient, wird auf zwei elektronische Schaltelemente geleitet. Die elektronischen Schaltelemente in Form von Transistoren 35 bis 40 sind so eingerichtet, daß bei einer bestimmten Spannung am Eingang die volle Spannung an den Ausgangswiderständen 4I bis 46 auftritt. Es schaltet zur gleichen Zeit immer nur eine Seite, nämlich die an der die Basis des ersten Tranaistoren positiv ist. Mit den Integriergliedern 47/49 bzw. 48/50 wird da3 Ausgangssignal so

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weit verzögert, daß ein kontinuierliches Signal entsteht. Eine Rückführung mit den Widerständen 51 und 52 vergrössert die benötigte Schaltspannung, wenn ein relativ grosses Ausgangssignal erscheint. Die Differenzen der integrierten Spannungen erschein an den Ausgangsklemmen 53 und 54 und kann von hieraus auf ein Stellglied für die Abschmelzelektrode geschaltet werden. Die Widerstände 55 und 56 dienen als Spannungsteiler für die Rückkopplung der Rückführungswiderstände 51 und 52. Als zusätzliche Maßnahmen ist noch die Möglichkeit der Anordnung eines Verstärkers zwischen dem Ausgang des Potentiometers 31 und dem Eingang der elektronischen Schaltelemente zu nennen sowie die Anordnung eines Verstärkers zwischen den Ausgangsklemmen 53/54 und dem Stellglied.

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3. Figuren 0 0 9 827/0869 ⁵ Patentansprüche

Claims (3)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Regelung des Vorschubs von Abschmelzelektroden in Lichtbogenofen, insbesondere Vakuum-Lichtbogenö'fen, durch Erfassung der während des Schmelzprozesses auftretenden Licht bogenspannung einschließlich der ihr überlagerten Spannungsimpulse, wobei die Lichtbogenspannung fortlaufend mit einer Sollspannung verglichen und die Spannungsdifferenz Integriergliedern zugeführt wird, die ihrerseits Regelsignale für eine Vorschubeinrichtung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferenzen in Abhängigkeit von ihrer Polarität getrennt erfaßt und integriert werden und daß die Differenz der integrierten Spannungen als Regelsignal dient und je. nach ihrer Polarität eine Hub- bzw. Senkbewegung der Abschmelzelektrode bewirkt.

2. Anoianung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei der Lichtbogenspannung Ut eine Sollspannung Ug entgegengeschaltet ist, die der mittleren Lichtbogenspannung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsdifferen zwischen Lichtbogen- und Sollspannung in Aoiiängigkeit von ihrer Polarität an zwei die Impulsdurchgabe bevorzugende Filternetzwerke (12/13. bzw. H/I5)angelegt ist, die mit zwei Schaltgliedern (16, 17) in Verbindung stehen, welche je nach Polarität der Spannungsdifferenz eins von zwei einander entgegengeschalteten Integriergliedern (22/23 bzw. 24/25) an Spannung legen, und daß die in jeden Augenblick am gemeinsamen Ausgang (26, 27) der gegeneinander geschalteten Integrierglieder anstehende positive oder negative Differenz der integrierten Spannungen als Regelsignal einer Verstellvorrichtung für die Abschmelzelektrode aufgeschaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennaeichnet, daß die die Impulsdurchgabe bevorzugenden Fiiternetswerke (12/13 bzw. H/15) als RC-Glieder (12/13 bzw. H/15) ausgebildet und derart dimensioniert sind, daß inpulsartige Änderungen der Spannungsdifferenz sofort an den Sehaltgliedern (16, 17) anliegen, langseitige Änderungen jedoch erst nach Über-

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