DE3324548C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Kühlen von Bandstahl
mit Hilfe von Kühlrollen und betrifft insbesondere ein Verfahren
zum Kühlen von Bandstahl mittels Rollen in einer
Wärmebehandlungsstraße, insbesondere während einer kontinuierlichen
Glühbehandlung oder einer kontinuierlichen
Plattierungsbehandlung.
Aus der JP-PS 10 973/81
ist es bereits bekannt, Bandstahl kontinuierlich durch
Entlangführen an einer hohlen Rolle durch Wärmeübergang
zwischen dem Bandstahl und einem Kühlmittel zu kühlen,
welches einen inneren Hohlraum der Rolle durchfließt.
Der mit Hilfe eine derartigen Kühlrolle
gekühlte Bandstahl ist jedoch häufig nach dem
Kühlen nicht mehr eben und neigt zu Fehlern, wie wellenförmigen
Deformationen, Schrumpfung und Faltungen, wodurch
die Handelsqualität des Bandstahls unzulässig herabgesetzt
ist.
Es gibt zwei Faktoren, welche die Gestalt und/oder das
Aussehen des Bandstahles beeinträchtigen. Der eine Faktor
bezieht sich auf die Genauigkeit einer Vorrichtung, wie
die Unregelmäßigkeiten von Kühlrollenoberflächen, schmutzige
Oberflächen der Kühlrollen, unrichtiges Einstellen
der Kühlrollen und dergleichen. Der andere Faktor bezieht
sich auf die Art und Weise des Kühlvorganges, wie
ungeeignete Auswahl der Kühlrollendurchmesser, das Einwirken
von Zugkräften in Längsrichtung auf den Bandstahl,
die Kühlungsintensität des Bandstahls, der Aufwickelwinkel
des Bandstahls, bei welchem es sich um einen
zentralen Winkel an den Mittelpunkten der Rollen handelt,
welche überlagert sind von Teilen des um die Rollen herum
gewickelten Bandstahles, und dergleichen.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren
zum Kühlen von Bandstahl mit Hilfe von Kühlrollen zu
schaffen, welches die Art und Weise der Durchführung eines
solchen Verfahrens auf vorbestimmte Bereiche begrenzt, um
auf diese Weise die Ursache für mangelnde Qualitätseigenschaften
des Bandstahles zu beseitigen und den Bandstahl
nach Abkühlen eben zu halten.
Zum Erreichen des vorstehend genannten Zieles wird erfindungsgemäß
das Kühlen eines Bandstahles mit Hilfe einer
hohlen Kühlrolle durch Wärmeübergang vermittels der Rolle
zwischen einem durch einen Innenraum der Kühlrolle fließenden
Kühlmittel und dem um die Kühlrolle herumgeführten
Bandstahl derart ausgeführt, daß die folgende Beziehung
(1) erfüllt ist, wobei die Kühlrolle einen Durchmesser
D<600 mm aufweist und die Dicke h des Bandstahles gegeben
ist durch 0,2≦h<0,6 mm,
Δ T S < 2,12 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,75 (1)
und daß ferner die folgende Beziehung (2) erfüllt ist,
wobei die Kühlrolle einen Durchmesser D von mehr als
1000 mm aufweist, und die Dicke h des Bandstahles gegeben
ist durch 0,6 mm≦h≦2,3 mm
Δ T S < 3,42 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,83 (2)
wobei Δ T S die Temperaturverminderung (°C) für eine Kühlrolle
bezeichnet, σ T die Zugbeanspruchung (N/mm²) in Längsrichtung des
Bandstahles bezeichnet und R den Wicklungswinkel (°) um die
Kühlrolle bezeichnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben.
In dieser zeigt
Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung
eines mit Hilfe einer teilweise weggebrochenen
hohlen Rolle gekühlten Bandstahles,
Fig. 2 eine Temperaturverteilung in Querrichtung eines
mittels einer Rolle gekühlten Bandstahles,
Fig. 3 eine Spannungsverteilung in Querrichtung des
in Fig. 2 dargestellten Bandstahles,
Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines durch
Spannungen fehlerhaft verformten Bandstahles,
Fig. 5 eine Skizze zur Erläuterung eines Wicklungswinkels
R₁ und eines Kontaktwinkels R₂ eines
um eine Kühlrolle geführten Bandstahles,
Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung
der Kontaktwinkelverteilung eines um eine
Kühlrolle geführten Bandstahles,
Fig. 7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung
der Beziehung zwischen der Temperaturabnahme
Δ T S je Kühlrolle und dem mittleren Wicklungswinkel
R für Bandstahl mit einer Dicke von
0,4 mm bei Rollendurchmessern von 600 mm,
Fig. 8 eine mit Fig. 7 vergleichbare graphische Darstellung,
welcher jedoch Bandstähle mit einer
Dicke von 1,0 mm und Kühlrollen mit Durchmessern
von 1000 mm zugrundeliegen,
Fig. 9 eine graphische Darstellung eines verwendbaren
Zugspannungsbereiches in Längsrichtung von
Bandstählen mit einer Dicke h von 0,2 bis 0,6
mm bei Kühlrollen mit Durchmessern von 1000 mm,
Fig. 10 eine mit Fig. 9 vergleichbare graphische Darstellung,
welcher jedoch Bandstähle mit einer
Dicke h von 0,6 bis 2,3 mm bei Rollendurchmessern
von 1200 mm zugrundeliegen,
Fig. 11 eine graphische Darstellung der Beziehungen
zwischen der Temperaturverminderung ΔT S je
Kühlrolle und Zugbeanspruchungen σ T , wobei
Bandstähle mit einer Dicke von 0,4 mm mit
mittleren Wicklungswinkeln R von 30°, 60°,
90° und 120° zugrundegelegt sind,
Fig. 12 eine graphische Darstellung der Beziehungen
zwischen der Temperaturverminderung Δ T S je
Kühlrolle und der Dicke h von Bandstählen,
die mit mittleren Wicklungswinkeln R von 30°,
60°, 90° und 120° darumgewickelt sind und
einer Zugbeanspruchung von 9,8 N/mm² unterworfen
wurden,
Fig. 13 eine mit Fig. 11 vergleichbare graphische
Darstellung, jedoch unter Zugrundelegung
von Bandstählen mit 1 mm Dicke, und
Fig. 14 eine mit Fig. 12 vergleichbare graphische
Darstellung, welcher jedoch Bandstähle mit
größerer Dicke als in Fig. 12 zugrundegelegt
sind.
Wird ein Bandmaterial geringer Steifigkeit um eine
Kühlrolle geführt, so ergibt sich ein Umschlingungswinkel,
d. h. der sog. Wicklungswinkel R₁, der zwischen
den sich im Mittelpunkt der Kühlrolle schneidenden
Verbindungslinien zwischen dem Punkt des Anlaufens
des Bandmaterials an der Kühlrollenoberfläche und
dem Ablaufpunkt des Bandmaterials von der Kühlrollenoberfläche
gebildet wird. Bei einem recht steifen
Bandmaterial, also einem steifen Bandstahl sind die Verhältnisse
anders, da ein vergleichsweise steifes Material bestrebt
ist, sich von der Oberfläche der Kühlrolle wegzubiegen.
Demzufolge ist bei einem steifen Bandmaterial ein kleinerer
Umschlingungswinkel, d. h. der sog. Kontakt-Winkel R₂
zu beobachten, da bei einem steifen Bandmaterial der
Anlaufpunkt des Bandmaterials an der Kühlrollenoberfläche und
der Ablaufpunkt des Bandmaterials von der Kühlrollenoberfläche
dichter beieinander liegen.
Es hat sich herausgestellt, daß die Ebenheit eines Bandstahls
beeinflußt wird durch die Temperaturverteilung im Bandmaterial
in Querrichtung, welche ihrerseits abhängt von dem tatsächlichen
Umschlingungswinkel, d. h. dem sog. Kontakt-Winkel
sowie von der Kühlleistung der Kühlrolle.
Die Erfinder haben ferner den die Art und Weise der Kühlung
betreffenden Faktor untersucht, welcher die Gestalt oder
das Aussehen des Bandstahles im gekühlten Zustand nachteilig
beeinflußt, wobei das Kühlen mit Hilfe eines in
Pfeilrichtung (Fig. 1) durch eine hohle Kühlrolle 2
hindurchfließenden Kühlmittels 3 mit einem Bandstahl 1
durchgeführt wird, welcher entlang der Rollenoberfläche
geführt wird. Als Ergebnis dieser Untersuchungen wurde
folgendes ermittelt.
Die fehlerhafte Deformation des Bandstahles geht in erster
Linie darauf zurück, daß die Temperaturverteilung im
Bandstahl 1 in Querrichtung ungleichmäßig ist, wie in
Fig. 2 dargestellt, so daß sich eine Spannungsverteilung
in Längsrichtung gemäß Fig. 3 ergibt. Mit anderen Worten
treten Kompressionsspannungen in demjenigen Abschnitt des
Bandstahles auf, in welchem die Temperatur vergleichsweise
hoch ist, wie in Fig. 3 dargestellt. Überschreiten
die Kompressionsspannungen einen vorbestimmten Wert, so
vermag der Bandstahl nicht länger seine Ebenheit aufrechtzuerhalten
mit der Wirkung, daß Verwerfungen auftreten,
die zu einem verformten Bandstahl führen, wie in Fig. 4
dargestellt.
Die Temperaturdifferenz in Querrichtung des Bandstahles
wird durch die Tatsache hervorgerufen, daß beim Aufwickeln
des Bandstahles 1 um die Wickelrolle 2 der Kontaktwinkel
R₂ im allgemeinen kleiner ist als der Wicklungswinkel
R₁, welcher ein geometrischer Winkel ist.
Das Bezugszeichen 5 in Fig. 5 bezeichnet Tangenten an
einem von der Wickelrolle 2 gebildeten Kreis. Die Wickelungs- und
Kontaktwinkel R₁ bzw. R₂ haben die folgenden Beziehungen
zueinander.
(1) Werden die Zugkräfte in Längsrichtung des Bandstahls
gesteigert, so nähert sich der Kontaktwinkel R₂
dem Wicklungswinkel R₁.
(2) Mit zunehmendem Durchmesser der Kühlrollen nähert
sich der Kontaktwinkel R₂ dem Wicklungswinkel R₁.
(3) Mit abnehmender Dicke des Bandstahles nähert sich
der Kontaktwinkel R₂ dem Wicklungswinkel R₁.
Die vorstehend genannten Beziehungen (1), (2) und (3)
lassen sich durch die folgende Gleichung (A) ausdrücken.
worin bedeutet
h:die Dicke des Stahles (mm)σ T :Zugspannung (N/mm²) in Längsrichtung
des Bandstahles,D:Durchmesser der Kühlrolle (mm),I:ein positiver Koeffizient,a, b und c:positive Faktoren.
Sind außerdem die Zugspannungen σ T in Längsrichtung des
sich um die Kühlrolle 2 windenden Bandstahles 1′ nicht
gleichmäßig in Querrichtung des Bandstahles, so sind
die Kontaktwinkel R₂ in höheren Zugspannungen ausgesetzten
Bereichen des Bandstahles größer als in Bereichen des
Bandstahles, welche niedrigen Zugspannungen unterworfen
sind. Sind z. B. die Zugkräfte im Bereich der Kanten des
Bandstahles höher als im Bereich der Mitten des Bandstahles,
so sind die Kontaktwinkel R′₂ an den Kanten
größer als die Kontaktwinkel R′′₂ in der Mitte des Bandstahles,
wie in Fig. 6 dargestellt. In dem Fall, daß
die Kontaktwinkel R₂ in Querrichtung des Bandstahles
voneinander verschieden sind, so werden die größere Kontaktwinkel
R₂ aufweisenden Abschnitte des Bandstahles
für einen längeren Zeitraum in Kontakt mit der Kühlrolle
stehen als die Abschnitte kleinerer Kontaktwinkel R₂,
so daß die Temperaturverminderung in den erstgenannten
Bandabschnitten größer ist als in den letztgenannten
Bandabschnitten, woraus sich eine Temperaturdifferenz
in Querrichtung des Bandstahles ergibt. Die (bereits zuvor)
erwähnte Temperaturdifferenz in Querrichtung wird
auf diese Weise hervorgerufen.
Wird die Temperaturdifferenz in Querrichtung des Bandstahles
mit ΔΔ T S bezeichnet, so ergibt sich die folgende
Gleichung (B) mit der Temperaturverminderung Δ T S des Bandstahles
je Kühlungsrolle, einem mittleren Kontaktwinkel R
aus in Querrichtung ausgewählten Kontaktwinkeln und einer
Differenz ΔR zwischen den Kontaktwinkeln.
worin K eine Konstante ist.
Wie aus der Gleichung (B) ersichtlich, versteht sich, daß
(1) mit größerer Temperaturverminderung Δ T S des Stahles
die Temperaturdifferenz ΔΔ T S in Querrichtung größer
wird, daß (2) mit größerer Differenz ΔR des Kontaktwinkels
die Temperaturdifferenz ΔΔ T S größer wird und
daß (3) mit kleinerem mittlerem Kontaktwinkel R die
Temperaturdifferenz ΔΔ T S größer wird.
Die Kontaktwinkeldifferenz ΔR entspricht dem Differenzwinkel
R₁-R₂ in Fig. 5. Folglich ist der Wert ΔR bestimmt
durch die Zugspannung σ T in Längsrichtung des
Bandstahles, den Durchmesser D der Kühlrolle sowie die
Dicke h des Bandstahles, wie oben beschrieben.
Das Verbeulen (Verziehen) des Bandstahles wird durch die
Kompressionskräfte im Stahl als Folge der Temperaturdifferenz
in Querrichtung des Stahles, wie oben beschrieben,
hervorgerufen. Der Bandstahl erfährt folglich
häufig ein Ausbeulen in dem Fall, daß eine große Temperaturdifferenz
ΔΔ T S in Querrichtung vorliegt. Demzufolge
kann eine Ausbauchungs-Begrenzung für einen rollengekühlten
Bandstahl entsprechend der Temperaturdifferenz
ΔΔ T S in Querrichtung betrachtet werden.
Wie vorstehend erörtert, sind die die Temperaturdifferenz
ΔΔ T S bestimmenden Faktoren die Temperaturverminderung
Δ T S je Kühlrolle, der mittlere Kontaktwinkel R sowie
die Kontaktwinkeldifferenz ΔR in Querrichtung. Auf der
anderen Seite sind die Kontaktwinkeldifferenz ΔR
bestimmenden Faktoren die Zugspannung σ T in Längsrichtung
des Bandstahles, der Durchmesser D der Kühlrolle sowie
die Dicke h des Bandstahles. Die Temperaturdifferenz
ΔΔ T S ist durch die folgende Gleichung (C) gegeben, indem
die Gleichung (A) mit der Beziehung ΔR=R₁-R₂ in
die Gleichung (B) eingesetzt wurde.
Liegt der Wert ΔΔ T S unterhalb einem vorgegebenen Wert,
so kann kein Ausbeulen im Bandstahl auftreten. Wird
ein solcher vorgegebener Wert mit J bezeichnet, so läßt
sich die Bedingung J<ΔΔ T S zum Vermeiden des Ausbeulens
des Bandstahles durch die folgende Beziehung (D) aus
der Gleichung (C) wie folgt entwickeln
Wird nun der Durchmesser D der Kühlrolle auf die Beziehung
begrenzt, so läßt sich die
Gleichung (D) vereinfachen zu einer Beziehung (E)
Δ T S < F · σ T a · R · h -c (E)
Die Bedingungen für das Rollenkühlen zum Vermeiden eines
Ausbeulens des Bandstahles kann erhalten werden durch Bestimmen
der Faktoren F, a und c. Die Erfinder haben die
Beträge dieser Faktoren durch die folgenden Experimente
ermittelt.
Bandstähle mit Dicken von 0,2 bis 0,6 mm wurden mit Hilfe
von Kühlrollen mit einem Durchmesser von 600 mm unter
Anwendung von Zugspannungen von 0 bis 39,2 N/mm² gekühlt.
Fig. 7 illustriert einen Teil der Versuchsergebnisse,
wobei die Bandstähle mit einer Dicke von 0,4 mm einer
Zugspannung σ T von 9,8 N/mm² unterworfen wurden, um die
Werte R und Δ T S zu studieren und um die Grenzen für
annehmbar gekühlte Stahl-Erzeugnisse festzulegen.
Fig. 11 erläutert Beziehungen zwischen der Temperaturverminderung
Δ T S und der Zugspannung σ T an Bandstählen
mit einer Dicke von 0,4 mm, welche um Kühlrollen mit
Wicklungswinkeln von 30°, 60°, 90° sowie 120° herumgewickelt
worden waren. Bereiche unterhalb der jeweiligen
geraden Linien in Fig. 11 sind Bereiche guter Formgebung.
Fig. 12 zeigt Beziehungen zwischen der Temperaturverminderung
Δ T S und der Dicke h des eine Zugspannung
von 9,8 N/mm² unterworfenen Bandstahles bei Wicklungswinkeln
R. Flächenbereiche unterhalb der jeweiligen
Geraden sind Bereiche, in welchen eine gute Gestalt
(des Bleches) vorliegt. Die Faktoren in der Beziehung
(E) wurden bestimmt, indem die vorstehenden Versuchsergebnisse
zwecks Erzielen einer Beziehung (1) bestimmt
wurden.
Δ T S < 2,12 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,75 (1)
In diesem Fall bezeichnet R "Wicklungs"-Winkel, weil der
Unterschied zwischen den Kontakt- und den Wicklungswinkeln
sehr gering ist im Vergleich mit den tatsächlichen Wicklungswinkeln
von 30 bis 120°. Die tatsächliche Betriebsweise
sollte gesteuert werden über die Wicklungswinkel
anstelle der theoretischen Kontaktwinkel. Der "Wicklungs"-
Winkel R wird deshalb anstelle des "Kontakt"-Winkels im
Rahmen dieser Beschreibung sowie in den Patentansprüchen
benutzt.
Bandstähle mit Dicken von 0,6 bis 2,3 mm wurden mit
Hilfe von Kühlrollen mit einem Durchmesser von 1000 mm
sowie unter Zugspannungen von 0 bis 39,2 N/mm² gekühlt.
Fig. 8 erläutert einen Teil der Versuchsergebnisse, wobei
die Bandstähle mit einer Dicke h von 1,0 mm einer
Zugbeanspruchung σ T von 9,8 N/mm² unterworfen wurden, um
die Werte R und Δ T S sowie die Grenzen verwertbar gekühlter
Stahlerzeugnisse zu studieren.
Fig. 13 erläutert Beziehungen zwischen der Temperaturverminderung
Δ T S und der Zugspannung σ T anhand von
Bandstählen mit einer Dicke h von 1,0 mm, welche um Kühlrollen
mit Wicklungswinkeln von 30°, 60°, 90° sowie
120° gewickelt worden waren. Flächenbereiche unter den
jeweiligen Geraden in Fig. 13 sind Bereiche gut geformter
Erzeugnisse (good shape areas). Fig. 12 zeigt
Beziehungen zwischen der Temperaturverminderung Δ T S
und der Dicke der einer Zugbeanspruchung von 9,8 N/mm²
unterworfenen Bandstählen bei den jeweils angegebenen
Wicklungswinkeln R. Flächenbereiche unterhalb der jeweiligen
Geraden sind Flächenbereiche gut geformter Erzeugnisse.
Die Faktoren in der Beziehung (E) wurden bestimmt
durch Verwenden der vorstehenden Versuchsergebnisse
zwecks Erzielung einer Beziehung (2)
Δ T S < 3,42 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,83 (2)
Für Kühlrollen mit größeren Durchmessern als bei den
vorstehenden Experimenten verwendet, wird der Bereich
der Temperaturverminderung Δ T S größer, wie aus der
Beziehung (D) hervorgeht. Liegt die Temperaturverminderung
Δ T S innerhalb der Bereiche der Beziehungen (1)
und (2), und sind die spezifizierten Stahlbanddicken
sowie Kühlungsrollendurchmesser eingehalten, so kann
der Bandstahl gekühlt werden, ohne daß die Bandmaterialien
ihre gute Formgestalt verlieren.
Fig. 9 zeigt Beziehungen zwischen der Zugspannung σ T
und den restlichen Faktoren
für Bandstähle mit Dicken von 0,2 bis 0,6 mm und Kühlrollen
mit Durchmessern von 1000 mm. Fig. 9 zeigt, daß
die Zugspannung die Gestalt der gekühlten Bandstähle
beeinflußt. Diese Rechenvorschrift drückt im wesentlichen dieselbe
Beziehung aus wie die Beziehung (1).
Fig. 10 erläutert ähnliche Beziehungen wie Fig. 9 mit
der Ausnahme, daß die Dicke der Bandstahlmaterialien
0,6 bis 2,3 mm beträgt und daß die Kühlrollen einen Durchmesser
von 1200 mm aufweisen.
Die folgende Schlußfolgerung wurde aus den vorstehenden
Experimenten mit Kühlrollen gewonnen.
1. Werden Bandstähle mit Dicken von 0,2 bis 0,6 mm verarbeitet,
so kann das Kühlen mit Rollen ohne einen nachteiligen
Einfluß auf die Formgestalt des Bandstahles
durchgeführt werden, wenn die Bedingung der Beziehung (1)
erfüllt ist, nämlich
Δ T S < 2,12 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,75
welche für Kühlrollen mit Durchmessern von mehr als
600 mm gilt.
2. Werden Bandstähle mit Dicken von 0,6 bis 2,3 mm verarbeitet,
so kann das Kühlen vermittels Rollen ohne nachteilige
Veränderung der Formgestalt der Bandstähle durchgeführt
werden, wenn die Kondition der Beziehung (2) erfüllt
wird, nämlich
Δ T S < 3,42 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,83
welche für Kühlrollen mit Durchmessern von mehr als
1000 mm gilt.
Die Fig. 9 und 10 erläutern deutlich die Beziehungen
zwischen den Hauptfaktoren unter Einschluß der Bandstahldicke,
welche die Formgestalt beim Abkühlen nachteilig
beeinflussen, so daß Bedingungen für das Abkühlen
vermittels Walzen ohne Hervorrufen von unerwünschten
Formgestaltsänderungen des Bandmaterial leicht in Abhängigkeit
von der Dicke zu kühlenden Bandstahles aufgestellt
werden können.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, können
mit Hilfe der Erfindung Bandstähle mit Hilfe von Kühlrollen
gekühlt werden, ohne daß die Stähle dabei fehlerhafte
Verformungen erfahren.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten
Ausführungsformen beschränkt, da diese lediglich
zur Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen.
Claims (1)
- Verfahren zum Kühlen von Bandstahl mittels einer hohlen Kühlrolle durch Wärmeleitung durch die Rolle zwischen einem in einem Innenhohlraum der Kühlrolle strömenden Kühlmittel und dem mit der Kühlrolle in Kontakt stehenden Bandstahl, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren so durchgeführt wird, daß die folgende Beziehung (1) erfüllt wird, wenn die Kühlrollen einen Durchmesser D von mehr als 600 mm aufweisen und die Dicke h des Bandstahles 0,2 bis 0,6 mm beträgt, Δ T S < 2,12 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,75 (1)und daß das Verfahren so durchgeführt wird, daß die folgende Beziehung (2) erfüllt wird, wenn die Kühlrolle einen Durchmesser D von mehr als 1000 mm aufweist und die Dicke h des Bandstahles 0,6 bis 2,3 mm beträgt,Δ T S < 3,42 · 10-2 · σ T 1,5 · R · h -0,83 (2)wobei Δ T S die Temperaturverminderung in °C für eine Kühlrolle bezeichnet, σ T die Zugspannung in N/mm² in Längsrichtung des Bandstahles bezeichnet und R den Wicklungswinkel in ° um die Kühlrolle bezeichnet.
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