EP0340057B1 - Dispositif de protection des pôles d'inducteurs et inducteur pourvu de ce dispositif - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for protecting the poles of inductors, in particular used for heating or reheating metallic products by induction.
- electromagnetic inductors with traversing field.
- Such inductors are described in particular in document FR 2583249.
- they comprise a C- shaped magnetic yoke, the ends of the C forming the two poles of the inductor, carrying the induction coils, being placed on either side of the product to be heated.
- the poles must be as close as possible to the product. This causes the poles and the induction coils they carry to be subjected to the strong thermal radiation of the hot product.
- the inductors and especially their poles are subjected to chemical and mechanical attack, for example heavy watering, deposit of scale, risk of shock with the heated product.
- the object of the present invention is to ensure the protection of the inductor poles subjected to thermal, mechanical and chemical stresses, in a reliable and durable manner, without causing loss of heating efficiency.
- Another aim is to solve the various problems mentioned above.
- the present invention has for object a device for protecting, in particular thermal, the poles of an electromagnetic inductor.
- this device comprises a heat exchanger formed by one or more non-magnetic metal tubes substantially coplanar arranged to allow the circulation of a cooling fluid and in an arrangement such that there is at most a single electrical junction between any two tubes or tube elements, so as to limit the electrical loops between tubes or portions of adjacent or non-adjacent tubes.
- electrical junction here relates to direct contact or low resistance connections, to the exclusion of high resistance connections existing in materials which are not perfect insulators.
- the exchanger is shaped according to a succession of alternately inverted hairpins.
- the exchanger is shaped in a spiral to one branch or more.
- the exchanger is supported and fixed on a rigid electrically insulating plate, and coated with refractory concrete, the assembly forming a composite panel of small thickness, of dimensions sufficient to cover the pole face of each pole.
- the device according to the invention in fact makes it possible to reconcile two functions of divergent incidence: on the one hand, the thermal protection of the pole by forced cooling by means of a metal tube exchanger, on the other hand, the conservation of a good heating efficiency of the inductor.
- a set of metal tubes interposed between pole and product generally forms a screen which opposes the passage of the magnetic flux and in which can be generated high intensity electric currents which have the effect of opposing the passage of the flow and heat up the circuit where they are created.
- the arrangement of the tubes according to the invention makes it possible to avoid these effects and to ensure maximum "transparency" of the intense magnetic field created by the inductor.
- the subject of the invention is also an inductor provided with the pole protection device as described above, which will then advantageously be dimensioned and placed opposite each of the pole faces whose shape it matches so as to cover them as well. as the induction coils and the insulators and cowlings, so as to achieve good sealing of the entire pole and its circuits.
- Figure 1 a pole of a C- type inductor with articulated yoke, as described in document FR 2583249 to which reference may be made for more details on the general construction of the inductor. It is simply recalled here that in this type of inductor, intended in particular for reheating the edges of blanks of generally flat metal products, a second pole, similar to that shown in FIG. 1, is arranged opposite the latter, the two poles forming the ends of a "C" shaped magnetic yoke which connects them.
- the intense magnetic field created by the inductor has the effect of heating the product which passes between the two facing poles.
- the induced powers are of the order of several hundred KW, which, brought to the surface of the cylinder head, corresponds to powers which can exceed 5 MW / m2.
- the pole of Figure 1 includes an induction coil 2 surrounding the end of the magnetic yoke 1.
- a protective cover 3 surrounds the entire polar end (yoke and coil), a heat shield can be interposed between coil 2 and cover 3.
- the composite plate 4 forming the protection device according to the invention is formed of a support plate 5 of rigid non-metallic material, electrically insulating, such as a material based on glass fiber, for example in "sillirite 64120" , a few millimeters thick.
- the nut 8 of the screw 7 is placed in a counterbore made in the support plate 5, so as not to protrude from the surface of the latter.
- a sheet 9 of insulating material is glued under the plate 5, concealing the nuts 8 and thus guaranteeing electrical isolation between the fixing screws 7.
- the tubes 6 of the exchanger are coated in a refractory concrete 10, (for example the concrete based on silicon carbide marketed under the name of "morgan montex CIM 02").
- a refractory concrete 10 for example the concrete based on silicon carbide marketed under the name of "morgan montex CIM 02". This concrete completely covers the tubes 6 and its low electrical conductivity makes it possible to limit any looping currents between neighboring pins.
- this concrete is covered on one side with a plate of vitro-ceramic material 11, or any other similar material, which has great resistance to heat and especially to thermal shock, combined with good mechanical resistance.
- a plate of vitro-ceramic material 11 or any other similar material, which has great resistance to heat and especially to thermal shock, combined with good mechanical resistance.
- a ceramic textile fabric or an insulating coating (type coating) based on alumina or silica.
- the composite plate 4 is fixed to the pole of the inductor by bolting, either directly on the cylinder head, or on additional supports arranged between coil and cowling.
- the thickness of the plate 4 is approximately 15 mm and its dimensions and shape are determined so as to cover the entire pole, up to the casing 3, a joint cover 12 being placed around the plate 4 to prevent water infiltration or the ingress of dust or other solid bodies inside the enclosure 3.
- FIG. 2 schematically represents a preferred arrangement of the tubes of the exchanger. This is here carried out in three independent circuits, which allows for example to adapt the intensity of cooling according to the areas covered by adjusting the flow rate of the cooling fluid, usually water.
- This arrangement in "pins" makes it possible to cover the surface of the pole as well as possible, since it is easy to adapt the number and the length of the pins according to the shape of the surface to be covered.
- the exchanger can have a spiral configuration as shown in Figures 3 and 4.
- Figure 4 schematically shows a double inverted spiral arrangement with a single tube; the coolant supply and return are indicated by the arrows A and R.
- the arrangement in Figure 3 shows four spirals powered by a central power supply.
- the supply is made by a pipe in the axis of the pole, through the cylinder head 1.
- a central supply can also be produced in the case of the arrangements in FIGS. 2 and 4, and has the advantage of participating in the cooling of the magnetic yoke.
- the tubes are preferably made of non-magnetic stainless steel and for simplicity, of circular section. It is possible, in particular to reduce the thickness of the composite protection plate 4, to use tubes of flattened section, or even possibly of practically rectangular section.
- Tubes of reduced thickness will be chosen, always with the aim of reducing any electrical currents generated by the magnetic field, by increasing the electrical resistance of said tubes.
- the tubes which can moreover, instead of being coated with epoxy resin, as indicated above, be coated with an insulating film or coated with another insulating resin (polyester for example).
- the role of the protection device being essentially to form a heat shield protecting the pole and its accessories from the radiation of the heated product, we will try to bring the tubes as close as possible to each other.
- the use of a concrete having a fairly good thermal conductivity allows a diffusion in its mass of the heat received by its surface and therefore allows to obtain cooling of the said ceramic hob, which can thus be maintained at a temperature close to 700 ° C. for example, while the reheated product is at more than 1000 ° C.
- These blocks have a width equal to the distance between two neighboring tubes 6 and they have on their two longitudinal sides concavities 14 matching the section of the tubes so that they can be inserted between them to reconstitute the concrete coating overall 10
- several of these adjacent blocks will be placed in the same space between tubes. This arrangement in separate blocks allows differential expansions between different areas of the device without the risk of cracking existing in the case of monobloc concrete 10.
- the first block 13 ′ of each row has an extension 15 of its flat upper part.
- the invention is not limited to the device and to its variants described above only by way of example.
- provision may be made to have, in the same area, two or more tubes having this configuration, but arranged in parallel, each pin of a tube being nested in a pin formed by the other tube, and this in turn, all the pins of course remaining coplanar.
- This arrangement makes it possible to reduce the pressure losses in the tubes, in particular because the hairpin curvature of the tube located, at the point of curvature, towards the outside, is less than the curvature of the tube located at this point towards the interior.
- the invention also applies to inductors of different configuration, in particular in the shape of a "U".
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Description
- La présente invention concerne un dispositif de protection des pôles d'inducteurs, notamment utilisés pour le chauffage ou le réchauffage de produits métalliques par induction.
- Il est connu d'utiliser à cette fin des inducteurs électromagnétiques à champ traversant. De tels inducteurs sont notamment décrits dans le document FR 2583249. D'une manière générale, ils comportent une culasse magnétique en forme de C, les extrémités du C formant les deux pôles de l'inducteur, portant les bobines d'induction, étant placés de part et d'autre du produit à réchauffer.
- Pour conserver un bon rendement, les pôles doivent être le plus proche possible du produit. Ceci fait que les pôles et les bobines d'induction qu'ils portent se trouvent soumis au fort rayonnement thermique du produit chaud. De plus, dans des conditions d'exploitation industrielle, par exemple lors du réchauffage des rives de brames ou produits laminés, les inducteurs et surtout leurs pôles sont soumis à des agressions chimiques et mécaniques, par exemple arrosage important, dépôt de calamine, risque de choc avec le produit réchauffé.
- On connait un dispositif de protection des pôles consistant en une plaque en réfractaire poreux placée sur la face du pôle en regard du produit, ce réfractaire étant refroidi par circulation interne d'air. Ces dispositifs constituent une bonne protection thermique, mais présentent toutefois l'inconvénient de s'oxyder et de se colmater facilement, et d'être attaqués par la calamine provenant du produit réchauffé. Il en résulte la nécessité de remplacer ce réfractaire poreux assez fréquemment, ce qui nécessite l'arrêt de l'installation, entraînant des coûts d'exploitation qui s'ajoutent au coût élevé dudit réfractaire.
- Le but de la présente invention est d'assurer la protection des pôles d'inducteurs soumis à des contraintes tant thermiques que mécaniques et chimiques, de manière fiable et durable, sans entraîner de perte de rendement du réchauffage.
- Un autre but est de résoudre les divers problèmes évoqués ci-dessus.
- Avec ces objectifs en vue, la présente invention a pour objet un dispositif de protection, notamment thermique, des pôles d'un inducteur électromagnétique.
- Conformément à l'invention, ce dispositif comporte un échangeur thermique formé par un ou plusieurs tubes métalliques amagnétiques sensiblement coplanaires agencés pour y permettre la circulation d'un fluide de refroidissement et selon une disposition telle qu'il y ait au plus une seule jonction électrique entre deux tubes ou éléments de tubes quelconques,de façon à limiter les bouclages électriques entre tubes ou portions de tubes voisins ou non.
- Il est précisé que le terme jonction électrique concerne ici le contact direct ou des liaisons de faible résistance, à l'exclusion de liaisons de résistance élevée existant dans des matériaux qui ne sont pas des isolants parfaits.
- Selon une disposition particulière de l'invention, l'échangeur est conformé selon une succession d'épingles à cheveux alternativement inversées.
- Selon une autre disposition, l'échangeur est conformé en spirale à une branche ou plus.
- Selon une autre disposition particulière, l'échangeur est soutenu et fixé sur une plaque rigide électriquement isolante, et enrobé de béton réfractaire, l'ensemble formant un panneau composite de faible épaisseur, de dimensions suffisantes pour couvrir la face polaire de chaque pôle.
- Le dispositif selon l'invention permet en fait de concilier deux fonctions d'incidences divergentes : d'une part, la protection thermique du pôle par refroidissement forcé au moyen d'un échangeur à tubes métalliques, d'autre part, la conservation d'un bon rendement de chauffage de l'inducteur.
- En effet, un ensemble de tubes métalliques interposés entre pôle et produit, forme généralement un écran qui s'oppose au passage du flux magnétique et dans lequel peuvent être engendrés des courants électriques de forte intensité qui ont pour effets de s'opposer au passage du flux et d'échauffer le circuit où ils se créent.
- La disposition des tubes conforme à l'invention permet d'éviter ces effets et d'assurer une "transparence" maximale du champ magnétique intense créé par l'inducteur.
- L'invention a aussi pour objet un inducteur pourvu du dispositif de protection des pôles tel que décrit ci-dessus, qui sera alors avantageusement dimensionné et placé en regard de chacune des faces polaires dont il épouse la forme de façon à recouvrir celles-ci ainsi que les bobines d'induction et les isolants et capotages, de manière à réaliser une bonne étanchéité de l'ensemble du pôle et de ses circuits.
- D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va être faite à titre d'exemple, d'un dispositif conforme à l'invention.
- On se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 est une vue simplifiée d'un pôle d'inducteur pourvu de son dispositif de protection et montrant celui-ci en coupe ;
- la figure 2 est un schéma du circuit de l'échangeur dans sa configuration en "épingle" ;
- les figures 3 et 4 sont deux schémas du circuit de l'échangeur dans la configuration en spirale.
- la figure 5 est une vue de détail partielle d'une variante utilisant des blocs réfractaires au lieu d'un enrobage de béton monobloc.
- A la figure 1 est représenté un pôle d'un inducteur du type en C à culasse articulée,tel que décrit dans le document FR 2583249 auquel on pourra se reporter pour plus de détails sur la constitution générale de l'inducteur. Il est simplement rappelé ici que dans ce type d'inducteur, destiné notamment au réchauffage des rives d'ébauches de produits métalliques généralement plats, un deuxième pôle, similaire à celui représenté figure 1, est disposé en regard de celui-ci, les deux pôles formant les extrémités d'une culasse magnétique en forme de "C" qui les relie. Le champ magnétique intense créé par l'inducteur a pour effet de réchauffer le produit qui passe entre les deux pôles en regard. Les puissances induites sont de l'ordre de plusieurs centaines de KW, ce qui, ramené à la surface de la culasse, correspond à des puissances qui peuvent dépasser 5 MW/m².
- Le pôle de la figure 1 comporte une bobine d'induction 2 entourant l'extrémité de la culasse magnétique 1. Un capotage de protection 3 entoure l'ensemble de l'extrémité polaire (culasse et bobine), un écran thermique pouvant être interposé entre la bobine 2 et le capotage 3.
- La plaque composite 4 formant le dispositif de protection conforme à l'invention est formée d'une plaque support 5 en matériau non métallique rigide, électriquement isolant, tel qu'un matériau à base de fibre de verre, par exemple en "sillirite 64120", de quelques millimètres d'épaisseur.
- Un échangeur en tube inox 6 enrobé de résine époxyde est fixé sur la plaque support 5. Cet échangeur a une configuration en "épingles à cheveux" successives alternées ainsi que réprésenté à la figure 2. La fixation de l'échangeur 6 sur la plaque support 5 est assurée par des vis 7 placées au creux de chacune des "épingles" du circuit, ainsi qu'indiqué schématiquement sur la figure 2. Cette disposition est essentiellement destinée à éviter le bouclage électrique entre deux épingles adjacentes qui se produirait si des pièces conductrices étaient en contact simultané avec deux épingles, successives ou non, à un autre endroit que celui indiqué.
- L'écrou 8 de la vis 7 est placé dans un lamage réalisé dans la plaque support 5, de manière à ne pas dépasser de la surface de celle-ci. Une feuille 9 en matériau isolant est collée sous la plaque 5,dissimulant les écrous 8 et garantissant ainsi l'isolement électrique entre les vis de fixation 7.
- Les tubes 6 de l'échangeur sont enrobés dans un béton réfractaire 10,
(par exemple le béton à base de carbure de silicium commercialisé sous le nom de "morgan montex CIM 02"). Ce béton recouvre totalement les tubes 6 et sa faible conductivité électrique permet de limiter d'éventuels courants de bouclage entre épingles voisines. - Avantageusement, mais non nécessairement, ce béton est recouvert sur une face d'une plaque de matériau vitro-céramique 11, ou tout autre matériau similaire, qui présente une grande résistance à la chaleur et surtout aux chocs thermiques, alliée à une bonne résistance mécanique. On peut également utiliser à la place de cette plaque un tissu textile céramique, ou un revêtement isolant (type coating) à base d'alumine ou silice.
- La plaque composite 4 est fixée sur le pôle de l'inducteur par boulonnage, soit directement sur la culasse, soit sur des supports annexes disposés entre bobine et capotages.
- Quels que soient les moyens de fixation, ceux-ci sont isolés électriquement des tubes 6 de l'échangeur.
- L'épaisseur de la plaque 4 est d'environ 15 mm et ses dimensions et sa forme sont déterminées de manière a couvrir l'ensemble du pôle, jusqu'au capotage 3, un couvre-joint 12 étant disposé autour de la plaque 4 pour empêcher des infiltrations d'eau ou la pénétration de poussières ou autres corps solides à l'intérieur du capotage 3.
- La figure 2 représente schématiquement une disposition préférentielle des tubes de l'échangeur. Celui-ci est ici réalisé en trois circuits indépendants, ce qui permet par exemple d'adapter l'intensité du refroidissement selon les zones couvertes par réglage du débit du fluide de refroidissement, couramment de l'eau. Cette disposition en "épingles" permet de couvrir au mieux la surface du pôle, car il est aisé d'adapter le nombre et la longueur des épingles en fonction de la forme de la surface à couvrir.
- En variantes, l'échangeur peut avoir une configuration en spirale telle que représentée aux figures 3 et 4.
- La figure 4 montre schématiquement une disposition en double spirale inversée avec un tube unique ; l'alimentation et le retour de fluide de refroidissement sont indiqués par les flèches A et R.
- La disposition de la figure 3 montre quatre spirales alimentées par une alimentation centrale. Dans ce cas, l'alimentation se fait par une tuyauterie dans l'axe du pôle, à travers la culasse 1.
- Une alimentation centrale peut également être réalisée dans le cas des dispositions des figures 2 et 4, et présente l'avantage de participer au refroidissement de la culasse magnétique.
- Une caractéristique essentielle de ces échangeurs est que deux tubes ou éléments de tube se joignent au maximum en un point, de manière à éviter tout bouclage électrique dans l'échangeur.
- Les tubes sont de préférence en acier inoxydable amagnétique et par simplicité, de section circulaire. Il est possible, notamment pour réduire l'épaisseur de la plaque composite de protection 4, d'utiliser des tubes de section aplatie, ou même éventuellement de section pratiquement rectangulaire.
- On choisira des tubes d'épaisseur réduite, toujours dans le but de réduire les éventuels courants électrique engendrés par le champ magnétique, par augmentation de la résistance électrique desdits tubes. Les tubes pouvant par ailleurs, au lieu d'être enrobés de résine époxyde, ainsi qu'indiqué précédemment, être revêtus d'un film isolant ou enrobés d'une autre résine isolante (polyester par exemple).
- Le rôle du dispositif de protection étant essentiellement de former un écran thermique protégeant le pôle et ses accessoires du rayonnement du produit réchauffé, on recherchera à rapprocher au maximum les tubes les uns des autres. De plus, et plus particulièrement dans le cas du dispositif comportant la plaque de matériau vitrocéramique 11, l'utilisation d'un béton présentant une conductibilité thermique assez bonne permet une diffusion dans sa masse de la chaleur reçue par sa surface et de ce fait permet d'obtenir un refroidissement de la dite plaque vitrocéramique, qui peut ainsi être maintenue à une température voisine de 700°C par exemple, alors que le produit réchauffé est à plus de 1000°C.
- On pourra aussi, dans la mesure ou les caractéristiques mécaniques du béton utilisé le permettent ne pas utiliser de plaque support.
- Dans une autre variante, notamment dans le cas de l'échangeur en "épingles", au lieu de noyer les tubes 6 dans le béton réfractaire 10, on pourra remplacer celui-ci par une pluralité de blocs 13 en matériau isolant de caractéristiques similaires (béton réfractaire, céramique, quartz, etc...) de manière à reconstituer l'ensemble de l'enrobage de béton 10.
- Ces blocs ont une largeur égale à l'entraxe entre deux tubes 6 voisins et ils comportent sur leurs deux côtés longitudinaux des concavités 14 épousant la section des tubes de manière à pouvoir être insérés entre ceux-ci pour reconstituer globalement l'enrobage de béton 10. On déposera de préférence plusieurs de ces blocs adjacents dans un même espace entre tubes. Cette disposition en blocs séparés autorise des dilatations différentielles entre différentes zones du dispositif sans les risques de fissuration existant dans le cas du béton monobloc 10. Afin de recouvrir les zones courbes des épingles, le premier bloc 13′ de chaque rangée comporte un prolongement 15 de sa partie supérieure plane.
- L'invention n'est pas limitée au dispositif et à ses variantes décrits ci-dessus uniquement à titre d'exemple. En particulier dans le cadre de la disposition des tubes en "épingles à cheveux", il peut être prévu de disposer, dans la même zone, deux ou plusieurs tubes ayant cette configuration, mais disposés en parallèle, chaque épingle d'un tube étant imbriquée dans une épingle formée par l'autre tube, et ceci alternativement, toutes les épingles restant bien sûr coplanaires.
- Cette disposition permet de réduire les pertes de charge dans les tubes, notamment du fait que la courbure en épingle du tube situé, au point de courbure, vers l'extérieur, est plus faible que la courbure du tube situé en ce point vers l'intérieur.
- Il peut également être prévu de disposer un tube supplémentaire entourant l'ensemble des tubes disposés en épingle à cheveux, ceci afin d'homogénéiser le refroidissement dans la zone proche des extrémités des épingles, et/ou d'éviter un échauffement des cornières formant le couvre-joint 12.
- L'invention s'applique aussi à des inducteurs de configuration différente, notamment en forme de "U".
Claims (14)
- Dispositif de protection d'un inducteur électromagnétique, comportant un échangeur thermique formé par un ou plusieurs tubes métalliques amagnétiques (6) disposés dans un même plan ou sensiblement dans un même plan pour constituer un écran entre l'inducteur électromagnétique et un produit métallurgique chaud chauffé par cet inducteur, ce ou ces tubes étant agencés pour y permettre la circulation d'un fluide de refroidissement d'une extrémité d'entrée à une extrémité de sortie de l'échangeur, caractérisé en ce que ces tubes/ce tube sont/est disposés/disposé de façon que deux tubes ou éléments de tube quelconques (6) soient en contact électrique au plus en un point.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (6′) est conformé selon une succession d'"épingles à cheveux" alternativement inversées.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (6˝, 6′′′) est conformé en spirale à une branche ou plus.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (6′, 6˝, 6′′′) est totalement enrobé dans un béton réfractaire (10).
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que des blocs (13) en matériau réfractaire électriquement isolant sont insérés entre deux tubes voisins (6), les côtés longitudinaux de ces blocs étant conformés de manière à épouser la forme des tubes et à recouvrir globalement l'ensemble de l'échangeur.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (6′, 6˝, 6′′′) est fixé sur une plaque support rigide (5) électriquement isolante, et enrobé de béton réfractaire (10), l'ensemble formant un panneau composite (4) de faible épaisseur et de dimensions suffisantes pour couvrir la face polaire du pôle.
- Dispositif selon au moins l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte une plaque en matériau vitro-céramique ou similaire (11) recouvrant une face du béton réfractaire (10) du panneau (4).
- Dispositif selon au moins l'une des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que les tubes (6) sont en acier inoxydable amagnétique.
- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de fixation des tubes (6) sur la plaque support (5) sont électriquement isolés entre eux.
- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur (6˝) comporte une alimentation centrale en fluide de refroidissement en vis-à-vis de l'un des pôles de l'inducteur.
- Inducteur électromagnétique pour le réchauffage de produits métalliques par induction par champ magnétique traversant ces produits, du type comportant une culasse (1) en forme de "C" ou de "U", caractérisé en ce que chacun des pôles de l'inducteur est pourvu du dispositif selon au moins l'une des revendications 1 à 10, placé en regard de la face polaire dont il épouse la forme.
- Inducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif de protection (4) couvre toute la surface du pôle de manière étanche.
- Inducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de fixation du dispositif de protection sur le pôle de l'inducteur sont prévus et sont électriquement isolés des tubes (6) de l'échangeur.
- Inducteur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte un passage axial réservé dans l'extrémité de la culasse pour l'alimentation de l'échangeur en fluide de refroidissement.
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