JP2005272981A - 鋼の転炉精錬方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プラスチックの燃焼熱を転炉内のスラグ或いは溶銑に効率良く着熱させることによって、プラスチックを熱源として有効利用した鋼の転炉精錬方法を提供する。
【解決手段】 プラスチックと冷却材とからなる混合物を吹錬中に転炉１内に装入して行う精錬方法であって、混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重がスラグ１２の比重と同等か又はそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも高い質量比となるように調整した混合物Ａと、混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重がスラグの比重と同等か又はそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも低い質量比となるように調整した混合物Ｂとを準備し、昇熱材として使用する場合には混合物Ａを使用し、冷却材として使用する場合には混合物Ｂを使用する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラスチックの含有する炭化水素を熱源として利用した鋼の転炉精錬方法に関するものである。

鋼の転炉精錬では、主原料を溶銑と鉄スクラップとし、この溶銑の有する顕熱と溶銑中に含まれる［Ｃ］や［Ｓｉ］の酸化による発熱とを熱源として、次工程の要求する溶鋼温度を確保している。そして、主原料中の溶銑の比率（「溶銑配合率」という）を、生産量の変動や鉄スクラップ価格の変動などから常時最適条件となるように変動させている。

しかし、溶銑配合率を低くすると転炉精錬における熱源が減少し、その結果、次工程の要求する溶鋼温度の確保が困難となる場合には、熱源としてＦｅ−Ｓｉ合金或いはコークスなどの炭材を炉内に追加装入し、熱源の不足を補ってきた。特に、近年の脱珪や脱燐を目的とした溶銑予備処理による溶銑中［Ｃ］及び［Ｓｉ］の低下に伴って、転炉精錬における熱源の不足が一層顕著になってきた。

しかし、Ｆｅ−Ｓｉ合金の追加装入は、スラグ中のＳｉＯ₂ 量を増加させるので、このＳｉＯ₂ の増加分に対応してスラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）を調整するために、生石灰やドロマイトなどのフラックス装入量が増大する。その結果、炉内スラグ量の増加を招き、鉄歩留まりの低下などが発生する。また、コークスなどの炭材の追加装入は、炭材中に含有される［Ｓ］及び［Ｎ］の溶鋼への汚染があるため、対象鋼種や使用量が制限される。

このように、鋼の転炉精錬における熱源不足を補うのに、都合のよい装入物や精錬方法はなく、止むなく溶銑配合率を高め、生産量の確保は断念した操業が行なわれてきた。

一方、廃プラスチック及び廃ゴムなどの炭化水素系物質の廃物回収処理が社会問題となっており、その処理方法について鉄鋼精錬においても種々の試みがなされている。

例えば、特許文献１には、転炉精錬初期に石灰石などの熱分解によってＣＯ₂ ガスを発生する物質と同時にプラスチックを添加し、プラスチックを、発生するＣＯ₂ ガスの還元剤として利用する方法が提案され、また、特許文献２には、転炉を用いてコークスの燃焼熱で鉄スクラップを溶解する際に、プラスチックをコークスの助燃剤として利用する方法が提案されている。
特開昭５３−５３５０４号公報 特開平２−２２５６１０号公報

プラスチックは、プラスチック１ｋｇ当たり４，０００〜１０，０００ｋｃａｌ（１６，７４７〜４１，８６８ｋＪ）もの高発熱量の燃焼熱を有しており、また、ポリプロピレンやポリエチレンなどのプラスチックは、主成分が［Ｃ］と［Ｈ］であり、［Ｓ］を含有しておらず、鋼の転炉精錬工程における熱源として十分に使用可能である。但し、このプラスチックの燃焼熱を有効に利用するためには、発生する燃焼熱を転炉内のスラグ或いは溶銑に有効に着熱させなければならない。

プラスチックの比重は０．９〜１．０程度であり、鋼の転炉精錬工程における溶銑或いはスラグなどの主原料及び副原料の比重に比べて極めて小さい。そのため、プラスチックを単体で添加した場合には、比重差から、例えば溶融スラグの上でプラスチックが燃焼するのみで、燃焼熱は排ガスと共に炉外に排出され、転炉内のスラグ或いは溶銑への燃焼熱の着熱は期待できない。上記従来技術は、この点に関して考慮しておらず、プラスチックの燃焼熱を有効に利用しているとはいいがたい。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、プラスチックの燃焼熱を転炉内のスラグ或いは溶銑に効率良く着熱させることによって、プラスチックをＦｅ−Ｓｉ合金或いはコークスなどの炭材に代わる熱源として有効利用した鋼の転炉精錬方法を提供することである。

上記課題を解決するための第１の発明に係る鋼の転炉精錬方法は、プラスチックと精錬用の冷却材とからなる混合物を酸素吹錬中に転炉炉口から転炉内に装入して行う鋼の転炉精錬方法であって、前記混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重が転炉内の溶融スラグの比重と同等かまたはそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも高い質量比となるように調整した混合物Ａと、混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重が転炉内の溶融スラグの比重と同等かまたはそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも低い質量比となるように調整した混合物Ｂと、を準備し、混合物を昇熱材として使用する場合には混合物Ａを使用し、混合物を冷却材として使用する場合には混合物Ｂを使用することを特徴とするものである。

第２の発明に係る鋼の転炉精錬方法は、第１の発明において、酸素吹錬終了時の溶鋼の温度が所定の温度となるように、混合物Ａ及び混合物Ｂの投入量を調整することを特徴とするものである。

使用するプラスチックの種類はポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンなどの［Ｓ］を含有せず、且つ熱可塑性のプラスチックであれば特に制限はなく、廃物回収されたプラスチック（「廃プラスチック」という）であっても何ら支障はない。これらプラスチックは［Ｃ］、［Ｈ］、［Ｏ］から構成されるものが主である。

鋼の転炉精錬では、主原料である溶銑及び鉄スクラップの他に、副原料として、生石灰、蛍石、ドロマイトなどの造滓材と、鉄鉱石、マンガン鉱石、クロム鉱石、ニッケル鉱石、ミルスケール、製鉄ダスト、磁選屑、及び機械工場で発生する鋼の切削屑などの温度調整用の精錬用冷却材と、更に成分調整用の各種合金鉄とを使用する。尚、マンガン鉱石、クロム鉱石、ニッケル鉱石は、成分調整材としての役割も有しているが、成分調整用の各種合金鉄と異なり酸素吹錬中に添加され、鉄鉱石と同様に顕熱のみならず還元熱をも奪い、著しい冷却効果を有していることから、本発明では精錬用冷却材に分類する。

これらの副原料とプラスチックとの比重を比較すると、プラスチックの比重が０．９〜１．０であるのに対して、生石灰は３．０〜３．２、鉄鉱石、ミルスケール及び製鉄ダストなどの酸化鉄形状の冷却材は４．８〜５．３、マンガン鉱石は５．１、クロム鉱石は５．２、ニッケル鉱石は６．９、磁選屑や切削屑の金属鉄形状の冷却材は６．５〜７．５であり、また、炉内のスラグは約３．０程度であり、プラスチックの比重が相対的に小さいことが分る。尚、これらの比重は真比重の値であり、スラグがフォーミングした場合には、その比重は３．０よりも低くなる。

プラスチックの燃焼熱を転炉内の溶融スラグまたは溶銑に有効に着熱させなければ、プラスチックの炉内装入の効果は発揮されない。プラスチックを単体で装入すると、プラスチックは比重が小さいため、溶融スラグ上で浮遊して燃焼してしまい、溶融スラグまたは溶銑への着熱は期待できず、溶銑の熱源不足の解消にはならない。そこで、溶融スラグより比重の大きい上記の精錬用冷却材と混合した混合物として転炉炉口から投入して装入することで、プラスチックは冷却材と共に溶融スラグ中に巻き込まれ、溶融スラグ中で燃焼するので、溶融スラグへの着熱効果が高くなる。そして、転炉内では、上吹きされる酸素ガス或いは底吹きされる攪拌用ガスによって溶融スラグは溶銑と攪拌されているので、溶融スラグの熱は溶銑に迅速に伝達され、熱源不足が迅速に補われる。また、転炉精錬後の溶鋼中［Ｓ］の増加を殆ど考慮する必要がなく熱源不足を補うことができる。

生石灰などの造滓材の比重は溶融スラグと同等であり、溶融スラグ中を貫通する推進力が小さく、また、合金鉄は酸素吹錬終了後に炉内に装入されるので、どちらもプラスチックを装入する媒体とするには不適当である。

プラスチックを冷却材との混合物として添加した場合、転炉精錬の熱バランスの観点から見れば、プラスチックの質量比が低い場合は、冷却材による冷却効果がプラスチックの燃焼熱よりも大きく冷却材代替となり、逆に、プラスチックの質量比が高い場合は、プラスチックの燃焼熱が冷却材の冷却効果に優り、Ｆｅ−Ｓｉ合金などの昇熱材代替となる。本発明者等の研究結果から、混合物中のプラスチックの質量比が約３３質量％のときに、冷却材代替と昇熱材代替との境界になることが確認されている。即ち、混合物中のプラスチックの質量比が３３質量％を超えれば昇熱材となり、一方、混合物中のプラスチックの質量比が３３質量％未満になると、冷却材として機能する。

但し、混合物中のプラスチックの質量比が高くなり過ぎると、混合物の比重が小さくなり、溶融スラグに巻き込まれなくなるため、単体のプラスチックを添加した場合と同様に溶融スラグ或いは溶銑への燃焼熱の着熱は期待できない。本発明者等の研究結果から、混合物中のプラスチックの質量比が８０質量％を超えると、着熱効率が急激に低下することが確認された。これは、転炉内のスラグはフォーミングしており、見掛け比重は真比重（約３．０）に比べて小さくなるものの、混合物中のプラスチックの質量比が８０質量％を超えると、混合物の比重が溶融スラグの見掛け比重よりも小さくなるためである。即ち、プラスチックの質量比が８０質量％を超える混合物は昇熱材代替とはならないことが確認できた。

従って、プラスチックの質量比が３３質量％未満の混合物と、プラスチックの質量比が３３質量％を超え８０質量％以下の混合物との２つの混合物を予め準備し、２つの混合物の配合比を適宜選択することで、種々の操業条件に対処して酸素吹錬終了時の溶鋼温度を任意の温度に調整することが可能となる。プラスチックの質量比が余りに低いと、転炉精錬に及ぼす熱影響が冷却材と大差ないのみならず、混合物を製造するためのコストを回収できなくなるので、プラスチックの質量比は５質量％以上とすることが好ましい。

また、本発明においては、混合物はプラスチックをバインダーとした成形体とする。使用するプラスチックは熱可塑性を有しているので、例えば、プラスチックと冷却材とを混練する、或いは、プラスチックと冷却材との混合体を押し出し成形することで、混練の際或いは押し出し成形の際に発生する摩擦熱を利用してプラスチックを溶融させ、容易に成形体とすることができる。当然ながら外部から加熱することでプラスチックを溶融させることもできる。成形体とすることで、ミルスケール、製鉄ダストなどの粉体状の冷却材の飛散ロスが減少し、装入歩留まりが向上すると共に、成形体はプラスチック単体の比重より大きくなるので、プラスチック燃焼熱の着熱効率が向上する。

本発明によれば、プラスチックの燃焼熱を確実に転炉内の溶融スラグ及び溶銑に着熱させることができると同時に、プラスチックの質量比の異なる２種類の混合物を準備して、一方を昇熱材とし、他方を冷却材として使用するので、熱源としてＦｅ−Ｓｉ合金或いはコークスなど炭材を使用しなくても、溶鋼中の［Ｓ］及び［Ｎ］のピックアップを懸念することなく、転炉の操業条件に応じて適切に溶鋼温度の調整を行なうことが可能となり、鉄歩留まりの向上や排ガスの回収増が達成され、合わせてプラスチックの廃物処理も行うことができ、工業上有益な効果がもたらされる。

以下、添付図面を参照して本発明を具体的に説明する。図１は、本発明を実施した上底吹き型転炉設備の縦断面の概要図である。

転炉設備は、転炉１と、転炉１の炉口２から転炉１内へと上下移動可能な上吹き酸素ランス３と、炉口２を覆うダクト７を介して転炉１からの発生ガスを回収するガス回収装置（図示せず）と、ホッパー８、８ａ、切り出し装置９、９ａ及びシュート１０にその一部を示す原料装入装置とから構成される。尚、シュート１０はダクト７を貫通して炉口２の直上に至り、炉口２から原料が炉内に装入される。また、転炉１には、炉底を貫通する底吹き羽口４と、側壁を貫通する出鋼口６とが設置されている。底吹き羽口４からは、ガス導入管５を介してＡｒガスや窒素ガスなどの攪拌用ガスや精錬用酸素ガスが底吹きガスとして吹き込まれる。

プラスチックの質量比が異なる、プラスチックと精錬用冷却材とからなる２種類の混合物を予め準備し、一方の混合物をホッパー８へ収納し、他方の混合物をホッパー８ａへ収納する。この２種類の混合物は、一方の混合物のプラスチックの質量比を３３質量％を超え８０質量％以下の範囲の任意の値とし、他方の混合物のプラスチックの質量比を３３質量％未満の任意の値とする。ここでは、プラスチックの質量比が３３質量％を超え８０質量％以下の範囲の混合物を混合物Ａと称し、一方、プラスチックの質量比が３３質量％未満の混合物を混合物Ｂと称し、混合物Ａをホッパー８に収納し、混合物Ｂをホッパー８ａに収納することとする。

混合物Ａ及び混合物Ｂを形成するプラスチックとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレンなどの［Ｓ］を含有せず、且つ熱可塑性のプラスチックであれば特に制限はなく、これらの混合物であっても、また、廃プラスチックであっても使用できる。冷却材としては、鉄鉱石、マンガン鉱石、クロム鉱石、ニッケル鉱石、ミルスケール、製鉄ダスト、磁選屑、及び機械工場で発生する鋼の切削屑のいずれか１種以上を適宜選択して使用する。尚、冷却材は炉内で還元されそれぞれＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｎｉとなるので、資源の有効活用がなされる。

混合物Ａ及び混合物Ｂを成形する方法としては、プラスチックと冷却材とを混合して強い押出し力で多孔ダイスあるいは金網などから押出して成形する押出し成形方法、これらを混合して一定の容器内で強く圧縮して成形する圧縮成形方法、これらの混合物を加熱してプラスチックを溶融して成形する溶融成形方法などがあり、どの方法を用いても構わない。但し、ブリケットマシンに代表される圧縮成形方法では、プラスチックはバインダーとして作用し、プラスチックの配合量を多くし過ぎると成形することが困難であり、一方、押出し成形方法では、逆にプラスチックの配合量が少ないと成形化が困難であるので、プラスチック質量比の高い混合物Ａを押出し成形方法によって成形し、プラスチック質量比の低い混合物Ｂを圧縮成形方法によって成形することが好ましい。混合物Ａ，Ｂの単体の質量は２０ｇ以上数ｋｇ以下とし、その形状は、空気との抵抗が少ない、球体状、楕円体状、紡錘体状、円柱体状、或いは角柱体状とすることが好ましい。

先ず、転炉１内に主原料として溶銑１１と鉄スクラップとを装入する。溶銑１１は必要に応じて脱硫、脱燐の予備処理を実施する。そして、生石灰、蛍石、ドロマイトなどの造滓材を原料装入装置（図示せず）より装入し、炉内に溶融スラグ１２を形成する。更に、必要に応じて、ホッパー８に収納された混合物Ａ或いはホッパー８ａに収納された混合物Ｂを、切り出し装置９、９ａにより各々所定量切り出し、シュート１０を介して炉口２から炉内に装入する。その後、上吹き酸素ランス３から酸素ガスを吹きつけ、底吹き羽口４から底吹きガスを吹き込んで、酸素吹錬を開始する。そして、酸素吹錬中においても、混合物Ａまたは混合物Ｂを、シュート１０を介して炉口２から適宜炉内に装入する。

混合物Ａは昇熱材代替となり、混合物Ｂは冷却材代替となる。溶銑配合率、精錬前の溶銑１１の成分条件や温度条件、或いは副原料の添加条件などから、酸素吹錬終了時の溶鋼の温度が目標値よりも低くなると予測される場合には、昇熱材代替として混合物Ａを使用し、酸素吹錬終了時の溶鋼の温度が目標値よりも高くなると予測される場合には、冷却材代替として混合物Ｂを使用する。具体的には、原料条件及び酸素吹錬条件から酸素吹錬終了時の溶鋼温度を予測し、予測した温度と目標温度とを対比させ、溶鋼温度が目標の温度になるように、混合物Ａ或いは混合物Ｂの添加量を算出し、算出した量を連続的或いは断続的に転炉１に投入する。

また、混合物Ａ及び混合物Ｂを単独で添加するだけでなく、混合物Ａ及び混合物Ｂを混合して添加してもよい。混合物Ａと混合物Ｂとを所定量切り出し、プラスチック質量比の加重平均が３３質量％を超えれば昇熱材代替となり、プラスチック質量比の加重平均が３３質量％未満であれば冷却材代替となる。プラスチック質量比の加重平均が３３質量％となるように調整すれば、冷却材の冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする範囲に調整することもできる。加重平均が３３質量％を超えて高くなるほど昇熱効果が大きく、逆に、加重平均が３３質量％より低く、少なくなるほど冷却効果が大きくなる。

プラスチック中には水素が含有されているので、炉内装入後、分解して水素ガスが発生する。転炉１からの発生ガスを燃焼ガスとして回収する場合には、ガス組成が爆発範囲に入らないようにするため、精錬中の脱炭反応によるＣＯガスの発生量が多く、発生ガス中のＣＯガス濃度が高位安定し、酸素ガス濃度が低下した時期に、混合物Ａ，Ｂを装入することが必要となる。従来、水素ガスに対する臨界酸素ガス濃度はおよそ５体積％であることが知られており、酸素ガス濃度が５体積％以下であれば問題はない。また、ガスを回収せず、燃焼させる場合には混合物の装入時期を制限する必要はない。

こうして酸素吹錬が終了したら、必要に応じて原料装入装置（図示せず）からＦｅ−Ｍｎ合金やＳｉ−Ｍｎ合金などを装入し、その後、傾動装置（図示せず）にて転炉１を傾動させ、出鋼口６より溶鋼と溶融スラグ１２とを排出して転炉精錬を終了する。

このように、本発明によれば、プラスチックの質量比が高い混合物Ａと低い混合物Ｂの２種類を使用することで、種々の操業条件に対処することができ、また、プラスチックの燃焼熱を確実に転炉内の溶融スラグ１２及び溶銑１１に着熱させることができるので、熱源としてＦｅ−Ｓｉ合金或いはコークスなど炭材を使用しなくても、溶鋼中の［Ｓ］及び［Ｎ］のピックアップを懸念することなく、酸素吹錬終了時の溶鋼の温度を制御することが可能となる。

図１に示す転炉設備における本発明の実施例を以下に説明する。

本実施例で使用した上底吹き型転炉の設備仕様を表１に示す。転炉容量は１チャージ（以下、「ｃｈ」と記す）約２５０トンで、底吹きガスは攪拌用ガスとしてＡｒガスを用いた。

そして本実施例における転炉操業条件及び代表的な溶銑成分の例を表２に示す。溶銑は機械攪拌式脱硫装置を用い、脱硫処理を施してある。尚、本発明の効果を理解し易くするために、転炉操業条件のうちで、表２に示すように、装入時の溶銑温度を１３３０℃、出鋼時の溶鋼温度を１６４０℃、溶銑配合率を９０質量％の一定の条件とし、更に、造滓材装入量、及び合金鉄装入量も一定の条件とした。これに伴い、プラスチックの発熱量とバランスさせるために鉄鉱石の使用量を変化させた。

使用したプラスチックは、廃物回収された高密度ポリエチレンであり、その成分は［Ｃ］が８６質量％、［Ｈ］が１４質量％であった。また、冷却材としては、製鉄ダストの１つである転炉排ガスダスト（以下、「ＯＧダスト」と記す）、鉄鉱石及び切削屑を使用した。表３に冷却材として主に使用したＯＧダストの成分例を示す。

プラスチックと冷却材とからなる混合物は、プラスチックの質量比が３３質量％未満の混合物は圧縮成形方法により球体状に成形し、プラスチックの質量比が３３質量％以上の混合物は押出し成形方法により円柱体状に成形した。合計１１ｃｈの試験操業のうちで、試験Ｎo.１〜４では、予め作製したプラスチックの質量比が１５質量％及び８０質量％の混合物を準備し、これを単独で使用した。また、試験Ｎo.５〜１１では、プラスチックの質量比が１５質量％と８０質量％の２種類の混合物を予め用意し、各ホッパーの切り出し量を調整してプラスチックの質量比を２０〜７０質量％として添加した。

本実施例では発生ガスを回収するために、転炉への混合物の装入時期は、酸素吹錬開始から約５分後の発生ガス中のＣＯガス濃度が約７８体積％で酸素ガス濃度が１体積％になった時点とし、混合物を約１トン／ｍｉｎの速度で装入し、混合物の装入量は１トン／ｃｈ及び５トン／ｃｈの２水準で実施した。

この条件で鋼を溶製した結果を表４に示す。尚、表４に示す鉄歩留まり向上量とは、鉄鉱石や混合物中の冷却材として装入される鉄源の従来例に対する増装入分が還元され、Ｆｅとなった量を示したものである。

表４から明らかように、本発明例（試験Ｎo.１〜１１）では従来例（試験Ｎo.１２）に比較して鉄歩留まりの向上及びガス回収増が得られた。そして混合物中のプラスチック質量比が、３３質量％を境として、３３質量％未満では鉄鉱石の装入量が従来例に比較して減少し、逆に３３質量％を超えると増加すること、即ち、プラスチックの質量比が３３質量％を境に、混合物は冷却材と昇熱材との異なる機能を有することが分かった。そして、本発明例の転炉精錬過程においては、鋼中［Ｓ］及び［Ｎ］のピックアップは全く認められなかった。

本発明例においては、プラスチック中の［Ｃ］及び［Ｈ］を燃焼させるために酸素ガスを余分に使用した結果、操業に支障のない範囲での酸素吹錬時間の延長があったものの、鉄歩留まりが向上し且つガス回収が増加したので、混合物の製造コストと照らし合わせてもメリットがある結果となった。

本発明を適用した上底吹き型転炉設備の縦断面の概要図である。

符号の説明

１ 転炉
２ 炉口
３ 上吹き酸素ランス
４ 底吹き羽口
５ ガス導入管
６ 出鋼口
７ ダクト
８ ホッパー
９ 切り出し装置
１０ シュート
１１ 溶銑
１２ 溶融スラグ

Claims (2)

1. プラスチックと精錬用の冷却材とからなる混合物を酸素吹錬中に転炉炉口から転炉内に装入して行う鋼の転炉精錬方法であって、前記混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重が転炉内の溶融スラグの比重と同等かまたはそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも高い質量比となるように調整した混合物Ａと、混合物中のプラスチックの質量比を、混合物の比重が転炉内の溶融スラグの比重と同等かまたはそれ以上となり且つ冷却材による冷却効果とプラスチックの燃焼熱による昇熱効果とがバランスする質量比よりも低い質量比となるように調整した混合物Ｂと、を準備し、混合物を昇熱材として使用する場合には混合物Ａを使用し、混合物を冷却材として使用する場合には混合物Ｂを使用することを特徴とする、鋼の転炉精錬方法。
2. 酸素吹錬終了時の溶鋼の温度が所定の温度となるように、混合物Ａ及び混合物Ｂの投入量を調整することを特徴とする、請求項１に記載の鋼の転炉精錬方法。

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