DE2746339B2 - - Google Patents
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- Continuous Casting (AREA)
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung eines Gasgemischs beim Stranggießen von Stahldrähten
durch Ausspritzen einer Stahlschmelze mit einem Silicium- und Mangangehalt, welcher im Gleichgewichtsdiagramm Fe-Si-Mn-O im Bereich der
SiO2-Bildung liegt, in ein Sauerstoff lieferndes Kühlmedium. Bei einem solchen Verfahren, wie es in der DE-AS
22 963 beschrieben ist, spritzt man einen Stahlstrahl, dessen Siliciumgehalt so ist, daß, gegebenenfalls in
Anwesenheit von Mangan, das erste sich in dem reaktionsfähigen Kühlmedium bildende Oxidationsprodukt Siliciumdioxid (SiO2) ist, wobei das Kühlmedium so
eine solche Zusammensetzung aufweist, daß es gegenüber dem flüssigen Stahlstrahl ein Oxidationsvermögen
besitzt, das zur Bildung eines stabilisierenden Films aus Siliciumdioxid rund um den Strahl ausreicht, was die
Umwandlung des Strahls in endlosen Draht ermöglicht. e>5
Die Einrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens bestehen im wesentlichen aus einem Flüssigstahl
enthaltenden, mit mindestens einer Düse versehenen
Tiegel, Mitteln, um auf das flüssige Metall den zum
Ausspritzen in Form eines Strahls durch die Düse in das Kühlmedium erforderlichen Druck auszuüben, sowie
einem das reaktionsfähige Kühlmedium enthaltenden Behälter, in welchem der flüssige Strahl sich in festen
Draht umwandelt
Wendet man die in der genannten DE-AS vorgesehenen Verfahrensbedingungen ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen an, so stellt man in bestimmten Fällen eine
Abnutzung der Spritzdüsen fest, die sich mit einem rentablen technischen Betrieb nicht vereinbaren läßt
Diese Abnutzung erscheint auf der Wand der Düse auf der Seite des Kühlbehälters und bedingt eine
Veränderung der geometrischen Eigenschaften des L-rahts; am Austrittsende der Düse wird eine verhältnismäßig starke, glasig aussehende Abscheidung sichtbar.
Diese Abscheidung enthält Oxide und Silikate von Eisen und Mangan.
Diese Abnutzung ist darauf zurückzuführen, daß aus dem Strahl losgelöste Metallpartikelchen und die
Grenzschichten sich in dem Kühlmedium in Nähe der
Düse ausreichend lange aufhalten, daß ihre Oxidation zur Bildung von gegenüber den die Düse bildenden
Stoffen aggressiveren Verbindungen (Oxiden und/oder Silikaten) als das Siliciumdioxid bei der in Nähe der
Düsenöffnung herrschenden Temperatur führt
Zur Vermeidung Czr Abnutzung der Düsenöffnung
wurde bereits vorgeschlagen (US-Patentschriften 36 45 657 und 36 13 158), den Kühlbehälter in zwei
aufeinanderfolgende Räume zu unterteilen. Der an die Düse angrenzende erste Teil enthält ein von oxidierenden Bestandteilen freies neutrales Gas, während der
zweite, sich an den ersten anschließende Teil ein mit einem Oxidationsmittel versetztes Medium enthält Auf
diese Weise wird die Bildung von Oxidationsprodukten in dem an die Düse angrenzenden Teil des Strahls
vermieden.
Diese Anordnung besitzt jedoch Nachteile. Unter bestimmten Betriebsbedingungen wh J immer noch eine
Abnutzung der Düsenöffnung in Form einer Ausweitung festgestellt obwohl die an der Austrittsfläche und
an den Wänden der Düsenöffnung haftenden Spuren einer glasigen Abscheidung verschwunden sind. Um
jegliches Rückdiffundieren der oxidierenden Gase aus dem zweiten Teil des Kühlbehälters in den ersten Teil,
der ein völlig inertes Gas enthalten soll, zu vermeiden, sind Bauelemente mit sehr genauen Abmessungen, die
dadurch kostspielig sind, erforderlich. Außerdem stellt man eine zunehmende Häufigkeit von Drahtbrüchen
fest.
Zur Erhöhung der Lebensdauer der Düsen wird nun gemäß der Erfindung ein Gasgemisch als Kühlmedium
verwendet, das am Austrittsende der Stranggießdüse beim thermochemischen Gleichgewicht gegenüber dem
Stahl ein solches Oxidationsvermögen, bestimmt durch den Gehalt an durch das Medium in dem Stahl gelöstem
Sauerstoff, besitzt, daß als Oxidationsprodukt des Stahls bei dem der am Austrittsende der Düse herrschenden
Temperatur entsprechenden thermochemischen Gleichgewicht nur Siliciumdioxid erscheint.
Im Rahmen der Erfindung wird das Oxidationsvermögen des Kühlmediums auf folgende Weise näher
definiert:
Zwischen einem Kühlmedium mit einem gewissen Oxidationsvermögen und einem flüssigen Stahl mit
gegebener Zusammensetzung stellt sich bei einer Temperatur Tein thermochemisches Gleichgewicht ein.
In diesem Gleichgewichtszustand enthält der Stahl eine
IO
15
20
25
bestimmte Menge gelösten Sauerstoff (O), dessen Aktivität Aa mittels einer geeigneten elektrochemischen
Zelle gemessen werden kwn (A, Svensson, An Oxygen
activity measuring system for molten steel, in The Institute of Measurement and Control, Sheffield, 19-20
Oktober 1972),
Die Oxidation des Stahls nimmt mit dem Oxidationsvermögen des Kühlmediums zu und umgekehrt
Ein erfindungagemäß verwendetes Kühlmedium mit
gegenüber einem flüssigen Stahl mit gegebener Ausgangszusammensetzung geregeltem Oxidationsvermögen bei einer Temperatur 7Tst so erhältlich, daß man
in definierten Anteilen ein inertes Gas (Stickstoff, Argon, Helium) oder ein reduzierendes Gas (Wasserstoff) mit einem für den Stahl oxidierenden Gas
(Kohlenoxid, Kohlendioxid, Wasserdampf, Sauerstoff) mischt
So wirkt ein beispielsweise aus einem Gemisch von Helium (He) und Kohlenmonoxid (CO) gebildetes
Kühlmedium schematisch auf ein Teilchen Flüssigstahl bei 1500* C das ursprünglich 0,4% Kohlenstoff (C), 3,5%
Silicium (Si) und 0,8% Mangan (Mn) enaiält, auf
folgende Weise ein.
Bei einem ausreichenden CO-Partialdruck (Pa,) in
dem Kühlmedium erscheint auf diesem Teilchen Siliciumdioxid (SiO2). Die Zusammensetzung desselben
entwickelt sich je nach dem Oxidationsvermögen so, daß die chemischen Gleichgewichte
sich einstellen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Gleichgewichtsdiagramms Si, Mn, O eines Stahls,
Fig.2 eine vereinfachte Teilschnittansicht einer Einrichtung zur erfindungsgemäßen Verwendung des
Kühlmediums,
F i g. 3 ein Gleichgewichtsdiagramm Si, Mn, O eines
Stahls, ähnlicii wie Fig. 1, worin die Gehalte an in dem
Stahl gelöstem Sauerstoff auf der Kurve angegeben sind, welche den Bildungsbereich des Siliciumdioxids
von demjenigen der Silikate abgrenzt, und
F i g. 4 ein Gleichgewichtsdiagramm Si, Mn, O eines
Stahls, ähnlich wie F i g. 1 und 3, das einem Diagramm der Gehalte an gelöstem Sauerstoff gegenübergestellt
ist, wobei beide Diagramme sich auf gleiche Siliciumgehalte beziehen.
In F i g. 1 zeigt die Abszisse die zunehmenden Gehalte des Stahls an Silicium (% Si), die Ordinate
diejenigen von Mangan (% Mn). Die Abszisse und die Gleichgewivhtskurve 3 umgrenzen den Bereich 1 der
Siliciumdioxidbildung (SiO2), während die Ordinate und
die Kurve 3 den Bereich 2 der Silikatbildung begrenzen. Wenn ein Teilchen dieses Stahls mit dem Punkt Ä\ des
Bereichs 1 entsprechenden Gehalten an Silicium und Mangan in ein oxidierendes Medium eingebracht wird,
bedeckt es sich mit Siliciumdioxid. Dieser für die Zusammensetzung der Oberflächenschicht typische, an
Silicium verarmende und sich an Siliciumdioxid anreichernde Punkt verschiebt sich auf einer zur
Abszisse parallelen Achse bis zum auf der Gleichgewichtskurve 3 gelegenen Punkt B. Wenn das Medium
noch immer eine Oxidation erlaubt, erscheint von diesem Punkt B an Mangansilikat. Die Reaktion kann
bis zu einem Gleichgewichtszustand weitergehen, der dem in dem Medium bei u'er herrschenden Temperatur
möglichen Oxidationspotential entspricht, wobei die
30
35
40
50
55
60
ί·,5
Zusammensetzung des Metalls des Teilchens gleichzeitig sowohl f η Silicium als such an Mangan abnimmt
Hingegen wird auf dem Strahl selbst, welcher
innerhalb einiger Zehntelsekunden vom flüssigen Zustand bei etwa 1500°C in den festen Zustand bei
Raumtemperatur übergeht, die Oxidation sehr schnell abgestoppt, so daß nie die Gleichgewichtszustände
erreicht werden.
Die folgende Tabelle I zeigt angenähert die sich entsprechenden Werte des Gehalts an Silicium, des
Partialdrucks des Kohlenmonoxids und des Gehalts an gelöstem Sauerstoff in verschiedenen Oxidationsstadien.
Tabelle I |
Pco
(Atmosphäre) |
(O)
(ppm) |
%Si |
0,13
0,33 0,50 |
10
16 18 |
3,5
2 1,6 |
||
Ein solches Kühlmedium besitzt somit bei einem CO-Partialdruck von 0,13 at ein Oxidationsvermögen
für den Stahl, das durch einen Gehalt vor 10 ppm in dem Stahl gelöstem Sauerstoff definiert wird.
In einem Gleichgewichtsdiagramm Si, Mn, O (F i g. 3)
für den gleichen flüssigen Stahl mit 150O0C, welches
dem schematischen Diagramm von F i g. 1 gleicht bedeutet Ai den Punkt des Gleichgewichts für einen
Sauerstoffgehalt (O) von 10ppm. In Fig.3 trennt die
entsprechende Kurve des Desoxidationsvermögens 30 den Bereich 10 der Bildung von Siliciumdioxid von dem
Bereich 20 der Bildung der Silikate.
Entsprechend Tabelle I ist bei Erhöhung des Oxidationsvermögens des Kühlmediums durch Anstieg des
Partialdrucks Pm auf 033 at das Oxidationsvermögen
durch einen Sauerstoffgehalt (O) definiert, der bei 16 ppm verläuft; der darstellende Punkt für diesen
neuen Gleichgewichtszustand ist Si (% Si = 2). Ein Teil
des Siliciums hat mit dem Sauerstoff reagiert und die Siliciumdioxidschicht des Teilchens hat sich verdickt In
gleicher Weise wird das Oxidationsvermögen dieses Kühlmediums bei einem CO-Partialdruck von 0,5 at
durch einen Gehalt an gelöstem Sauerstoff von 18 ppm definiert, wobei S2 der typische Punkt für dieses
Gleichgewicht ist. Die Menge an auf dem Teilchen gebildetem Siliciumdioxid hat sich auf Kosten des
Siliciufgehalts des Stahls noch weiter erhöht.
Mit einem Kühlmedium, dessen Oxidationsvermögen höher ist als die verstehend angegebenen, kann der
typische Punkt der Stahlzusammensetzung den Punkt B auf der Kurve 30 erreichen, von dem ab dann
Mangansilikat auftritt. Die chemischen Gleichgewichte
stellen sich für die folgenden, dem Punkt 3 entsprechenden Werte ein:
% Mn = 0,8, % Si - 0,4, (O) - 35 ppm.
35 ppm ist dann der Sauerstoffgehalt, welcher den kritischen Wert des Oxidationsvermögens darstellt, von
dem ab auf Höhe der Düsenöffnung Mangansilikat auftritt.
Jenseits der dem Punkt B entsprechenden Werte kann die Oxidation unter Abscheidung von Mangansilikat auf
dem Stahlteilchen auf Kosten sowohl der Gehalte an Mangan als auch an Silicium des Stahls fortschreiten.
Für ein Oxidationsvermögen des Kühlmediums, das durch einen Sauerstoffgehalt in dem Stahl von 45 ppm
im Gleichgewichtszustand definiert ist, nimmt somit der Gehalt an Silicium des Stahls auf 0,2% und derjenige des
Mangans auf 0,65% ab.
F i g. 4 zeigt einmal schematisch eine Kurve 40 für das Desoxidationsvermögen, die analog den Kurven 3 und
30 in Fig. I und 3 ist, für Silicium und Mangan. Zum andern zeigt F i g. 4 die entsprechende Kurve 41 für den
Gehalt in in dem Stahl gelöstem Sauerstoff als Funktion des Siliciumgehalts des Stahls.
Ein Stahlteilchen mit Ausgangsgehalten m % an Silicium und n\ % an Mangan, das durch den Punkt A* im
Bildungsbereich von Siliciumdioxid 42 der Einwirkung eines rnirliprpnrlpn KühlmpHiiimc auccrpcpt7t ic) hpHprl-i
sich zuerst mit Siliciumdioxid, z. B. bis ?u einem dem
Punkt S entsprechenden Gleichgewicht (p °/o Silicium und ri\ % Mangan in dem Stahl), wobei das
Oxidationsvermögen des Kühlmediums durch einen Gehalt uan gelöstem Sauerstoff definiert ist.
Für einen Anfangsgehalt an Mangan von nt wird das
dem Punkt Ba auf der gleichwertigen Kurve 40 des
Desoxidationsvermögens entsprechende kritische Oxidationsvermögen durch den kritischen Sauerstoffgehalt
y\ definiert.
Für eine solche Ausgangszusammensetzung (m % Si, Π] % Mn) des Stahls kann man das Oxidationsvermögen
des Kühlmediums erfindungsgemäß zwischen den beiden durch den Ausgangsgehalt λτ und den kritischen
Gehalt y\ an gelöstem Sauerstoff definierten Grenzwerten variieren lassen. Man verfügt somit für das
erfindungsgemäße Kühlmedium über einen Regelbereich mit einer Breite Δ \. Die F i g. 4 zeigt außerdem, daß
man diesen Regelbereich verbreitern und somit die Steuerung des Oxidationsvermögens erleichtern kann,
indem man den Ausgangsgehalt des Stahls an Mangan herabsetzt. So wird der Regelbereich des Oxidationsvermögens des erfindungsgemäßen Kühlmediums für
einen Stahl mit einem gleichen Ausgeangsgehalt m % an Silicium wie vorstehend angegeben, jedoch mit
einem geringeren Ausgangsgehalt an Mangan von ni %
durch einen Bereich der Gehalte an gelöstem Sauerstoff definiert, dessen Breite Δι = y-t — x wesentlich breiter ist
Ein weiterer, sich aus der Erfindung ergebender Vorteil besteht in der verringerten Häufigkeit von
Drahtbrüchen. Das ist darauf zurückzuführen, daß erfindungsgemäß sich am Austrittsende der Düse nur
Siliciumdioxid bildet. Dieses Siliciumdioxid haftet an der Innenwand und auf der Austrittsfläche der Düse.
Die Arbeiten von G. K. Sigworth und J. F. Elliott (The
conditions for nucleation of oxides during the silicon deoxydation of steel, in Metallurgical Trans, Band 4,
1/1973, Seiten 105-113) betreffend die Bedingungen
der homogenen Keimbiidung von Siliciumdioxid während der Desoxidation von Siliciumstähler. zeigen, daß
diese Keimbiidung eine Sauerstoffaktivität in dem Stahl und somit ein Oxidationsvermögen des den Stahl bei
einem Oxidationsverfahren wie dem erfindungsgemäßen umgebenden Gases erfordert welches wesentlich
höher als die theoretische Aktivität beim thermodynaiTiiSChen
Gleichgewicht iSt
Wenn daher am Austrittsende der Stranggießdüse das Kühlmedium vollständig inert, d.h. ohne jedes
Oxidationsvermögen ist, werden dem Stahlstrahl Siliciumdioxidkeime entzogen. Um anschließend außerhalb
dieses Bereichs die homogene Keimbildung des Siliciumdioxids, die zur Erzielung eines Drahts unerläßlieh
ist, zu erzielen, muß man über eine wesentlich höhere Sauerstoffaktivität verfügen als sie im thermochemischen
Gleichgewicht herrscht. In diesem Fall stellt man dann instabilere Herstellungsbedingungen fest.
Wenn hingegen ein Kühlmedium mit gesteuertem
Wenn hingegen ein Kühlmedium mit gesteuertem
ίο Oxidationsvermögen am Austrittsende der Düse die
Ausbildung eines dünnen Siliciumdioxidfilms nicht nur auf dem Strahl, sondern auch durch Haftung auf der
Düse an der Stelle, wo der Strahl mit dem Kühlmedium in Kontakt kommt, zuläßt, spielt der Siliciumdioxidfilm
ι-, auf der Düse die Rolle eines Initiators für die Keimbildung des Siliciumdioxidfilms auf dem Strahl.
Obwohl das Oxidationsvermögen des Kühlmediums mindestens am Austrittsende der Stranggießdüse
prfinHiindCcrptnaR auf pinpm Qr\lnht*n Miirpoii irohahon
in wird, daß jede Gefahr einer Überoxidation des Stahls
vermieden wird, erfolgt auf diese Weise doch die Bildung des Films auf dem Strahl gleichmäßiger und der
Strahl ist stabiler.
Man kann auch noch die Häufigkeit der Drahtbrüche bei gleichzeitig zufriedenstellender Düsenleistung dadurch
verringern, daß man das Oxidationsvermögen des Kühlmediums mit zunehmendem Abstand vom Austrittsenc*.·;
der Stranggießdüse zunehmen läßt, wobei diese Zunahme in vorteilhafter Weise stufenweise
}» erfolgen kann. Zu diesem Zweck genügt der Zusatz von
Kohlenoxid und/oder Kohlendioxid und/oder vorzugsweise Wasserdampf außerhalb dieses Bereichs und an
mindestens einer geeigneten Stelle zu dem erfindungsgemäß verwendeten Kühlmedium, welches vorzugsweise
se aus einem inerten Gas (Stickstoff, Argon, Helium) und/oder einem reduzierenden Gas (Wasserstoff) und
Kohlenmonoxid und/oder Wasserdampf besteht.
Dadurch wird rund um den in dem Kühlmedium vorrückenden Flüssigstahlstrahl eine Schichtung des
Oxidationsvermögens (zunehmend) dieses Kühlmediums geschaffen.
Ein weiterer Vorteil, der sich aus dem erfindungsgemäßen Arbeiten in einem Kühlmedium mit geregeltem
Oxidationsvermögen und der eventuellen Verbreite-
l, rung des Steuerungsbereichs dieses Oxidationsvermögens
durch Begrenzung des Mangangehalts des verwendeten Siliciumstahls ergibt, besteht in einer
erleichterten Herstellung und Anwendung der Mittel zur Ausübung dieser Kontrolle.
5n So kann man leicht am Austrittsende der Düsenöffnung einen Bereich mit gesteuertem Oxidationsvc .nögen
erzeugen, indem man in dem Kühlmedium einen auf diese Zone beschränkten dynamischen Überdruck
ausübt und/oder indem man angrenzend an die Düse 23 einen Raum 22 vorsieht (F i g. 2), der z. B. für einen
Strahl mit einem Durchmesser von 150 bis 200 μπι eine
axiale Ausdehnung E und einen Durchmesser D der Durchtrittsöffnung 24 des Strahls 25 in der Größenordnung
von 1 mm besitzt Die Ausführung und die Anbringung einer solchen Vorrichtung sind nicht
kostspielig.
Die Erfahrung zeigt, daß man bezüglich der Lebensdauer der Düsen und der Kontinuität des Drahts
bei Verwendung von Kohlenstoffstählen mit Mangangehalten von maximal 0,5% und vorzugsweise unter
0,25% zufriedenstellende Ergebnisse erzielt
Nach achtstündiger Betriebsdauer unter den nachstehend angegebenen erfindungsgemäßen Bedingungen
zeigte eine: Düse keinerlei sichtbare Abnützung der
Düsenöffnung, außer einer leichten Spur von Kieselsäureglas auf der Peripherie der Düsenöffnung.
C = 0.4%, Mn = 0,10%,
Si - 3,5%, Cr = 0,8%.
An die Düse angrenzender Raum 22:
Kühlmedium:
165 μπι. 15 m/sec. D = 1,5 mm,
E= 2 mm.
man führt an den an die Düse 23 angrenzenden Raum 22 bei 26 ein Gemisch aus Wasserstoff
(I l/min) und Kohlenmonoxid (0,5 l/min) ein; außerhalb des an die Düse 23 angrenzenden Raums
22 führt man auf der Höhe 27 in einem Abstand von
1,5 cm von der Düse 23 Kohlenmonoxid (0,7 l/min) ein und auf der Höhe 28 in einem Abstand von 40 cm
von der Düse führt man Wasserdampf (0,08 kg/min) und Wasserstoff (251/niin) ein.
Die gleiche Lebensdauer der Düse erzielt man, wenn man in den an die Düse 23 angrenzenden Raum 22 eines
der folgenden Gemische einführt:
- Stickstoff (1,6 l/min) und
Kohlenmonoxid (0,2 l/min),
— Wasserstoff (1 l/min) und
Wasserdampf (8 mg/min).
Wasserdampf (8 mg/min).
Anstatt außerhalb des an die Düse 23 angrenzenden Raums 22 ein Gemisch aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid
und anschließend Wasserdampf zuzuführen, kann man auch dort nur ein Gemisch aus Wasserstoff
(25 l/min) und Kohlendioxid (0,6 l/min) zuführen.
icr/u 1 Matt Zcichnunccii
Claims (7)
1. Verwendung eines Gasgemischs als Kühlmedium beim Stranggießen von Stahldrähten durch
Ausspritzen einer Stahlschmelze mit einem Silicwm-
und Mangangebalt, welcher im Gleichgewichtsdiagramm Fe-Si-Mn—O im Bereich der SiOrBiI-dung liegt, in ein Sauerstoff lieferndes Kühlmedium,
bei der das Gasgemisch am Austrittsende der Stranggießdüse beim thermochemischen Gleichgewicht gegenüber dem Stahl ein solches Oxidationsvermögen, bestimmt durch den Gehalt an durch das
Medium in dem Stahl gelöstem Sauerstoff, besitzt, daß als Oxidationsprodukt des Stahls bei dem der am
Austrittsende der Düse herrschenden Temperatur entsprechenden thermochemischen Gleichgewicht
nur Siliciumdioxid erscheint
2.
Verwendung eines Gasgemischs nach Anspruch
1, bei demJos Oxidationsvermögen mit zunehmendem Abstand vom Austrittsends dsr Stranggießdüse
zunimmt
3. Verwendung eines Gasgemischs nach Anspruch
2, bei der das Oxidationsvermögen stufenweise zunimmt
4. Verwendung eines Gasgemischs nach Anspruch
1, bei der das Gasgemisch aus einem inerten Gas (Stickstoff, Argon, Helium) und/oder einem reduzierenden Gas (Wasserstoff) und Kohlenmonoxid
und/oder Wasserdampf besteht
5. Verwendi!T5g eines Gasgemischs nach Anspruch
2, bei der die Zunahme des Oxidationsvermögens durch Zugabe von Kohlenmonoxid und/oder Kohlendioxid und/oder Wasserdampf erzielt wird.
6. Betriebsweise bei einer verwendung nach J5
einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch am Austrittsende der
Stranggießdüse unter höherem Druck zugeführt wird als in entfernteren Bereichen.
7. Verwendung eines im Gleichgewichtsdiagramm Fe- Si — Mn — O liegenden Kohlenstoffstahls mit
maximal 0,50 Gew.-%, vorzugsweise maximal 0,25 Gew.-%, Mn bei einer Verwendung nach einem der
Ansprüche 1 bis 6.
45
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Legal Events
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