JP2010169381A - 非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた非鉄金属溶解炉 - Google Patents

非鉄金属溶湯ポンプ及びそれを用いた非鉄金属溶解炉 Download PDF

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Abstract

【課題】渦電流を生じさせないようにすることで、電磁力による非鉄金属溶湯の運動が妨げられることなく、ポンプ効率を高く維持できる非鉄金属溶湯ポンプを提供する。
【解決手段】非鉄金属溶湯Mを入り口5から渦室6に流入させ、渦室で駆動力を与えて、渦室から出口7へ流出させる、渦室体と、前記渦室の底面の外部に配置されて、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を与える、移動磁界発生装置50とを備え、前記渦室体においては、前記入り口と前記底面が第1の方向に沿って対向しており、前記出口は前記第1の方向とほぼ直交する第2の方向に開口しており、前記移動磁界発生装置は、前記渦室内の非鉄金属溶湯をほぼ前記第1の方向に貫通する貫通磁力線MFを発生する複数の永久磁石56を有し、前記渦室への流入方向と、前記貫通磁力線の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うよう構成された非鉄金属溶湯ポンプ1。
【選択図】図8A

Description

本発明は、非鉄金属溶湯ポンプおよびそれを用いた非鉄金属溶解炉に関し、特に、いわゆる羽根車のない非鉄金属溶湯ポンプおよびそれを用いた非鉄金属溶解炉に関する。
従来、非鉄金属溶湯を非鉄金属溶湯ポンプによって搬送等することが行われている。このような非鉄金属溶湯ポンプとしては、非鉄金属溶湯中に直接羽根車を挿入しこれを回転することにより溶湯に運動エネルギーを与え搬送する方式のものや、溶湯の通路の外側から溶湯に移動磁界を作用させ、溶湯内に発生する渦電流を利用した方式のもの等があった。
前者には、羽根車の損傷が激しくランニングコストが大きいことや、運転管理が難しいこと等の問題があった。
一方、後者には、装置が大型化することや、装置が高価で高いランニングコストが必要なこと、メンテナンスが複雑となること等の種々の無視できない問題があった。
また、溶解炉との組み合わせという観点でみると、前者の方式が唯一ある。しかし、前者のポンプの諸問題が解決されていない現時点においては、溶解炉との組合せるために、多くの技術者が日夜努力を重ねているというのが実情である。
このように、溶解炉と組み合わせて使用するのに好適な非鉄金属溶湯ポンプが現状では得られていないという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、溶解炉と組み合わせて使用するのに好適な非鉄金属溶湯ポンプおよびそれを用いた非鉄金属溶解炉を提供することを目的とするものである。
本発明は、
非鉄金属溶湯を入り口から渦室に流入させ、渦室で駆動力を与えて、渦室から出口へ流出させる、渦室体と、
前記渦室の底面の外部に配置されて、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を与える、永久磁石製磁場装置と、
を備え、
前記渦室体においては、
前記入り口と前記底面が第1の方向に沿って対向しており、
前記出口は前記第1の方向とほぼ直交する方向に開口しており、
前記底面は前記第2の方向に沿った平面を有し、
前記底面の内側に第1の電極を配置し、
前記底面の前記内側と前記第1の方向に対向する、前記渦室の上面の内側に、前記第1の電極との間に電流が流される、第2の電極を配置し、
前記永久磁石製磁場装置は、前記渦室体の前記渦室の前記底面の外部に、前記底面と対向するように、配置され、
前記非鉄金属溶湯の前記渦室への流入方向と、前記永久磁石製磁場装置からの磁束の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うようにした、
ことを特徴とする非鉄金属溶湯ポンプ
として構成される。
さらに、本発明は、
非鉄金属溶湯を入り口から渦室に流入させ、渦室で駆動力を与えて、渦室から出口へ流出させる、渦室体と、
前記渦室の底面の外部に配置されて、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を与える、移動磁界発生装置と、
を備え、
前記渦室体においては、前記入り口と前記底面が第1の方向に沿って対向しており、前記出口は前記第1の方向とほぼ直交する第2の方向に開口しており、
前記移動磁界発生装置は、
前記渦室内の非鉄金属溶湯をほぼ前記第1の方向に貫通する貫通磁力線を発生する複数の永久磁石を有し、前記非鉄金属溶湯の前記渦室への流入方向と、前記移動磁界発生装置からの前記貫通磁力線の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うよう構成されており、前記永久磁石の回転に伴って上記貫通磁力線が前記非鉄金属溶湯をほぼ第1の方向に貫通した状態で移動することにより、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を加えるように構成されており、
前記移動磁界発生装置は、
軸受によって前記第1の方向に走る軸線の回りに回転可能に軸受けされた回転板としてのマグネットベースと、
前記マグネットベース上に、前記渦室の前記底面に対向する面側に交互に異なる極がくるように、周状に、配置されている前記複数の永久磁石と、
を備えたものとして構成された、
ことを特徴とする非鉄金属溶湯ポンプ
として構成される。
本発明によれば、渦電流が生じないようにしたので、電磁力による非鉄金属溶湯の運動が妨げられることなく、ポンプ効率を高く維持することが出来る。
本発明の実施形態について説明する前に、本発明の動作原理について簡単に説明する。
本発明の基本的な動作原理は、簡単には、非鉄金属溶湯中に流れる電流と外部から印加される磁場とによって生ずる電磁力により、非鉄金属溶湯を運動させるものである。このような動作原理を用いた発明として、本発明者は先に攪拌装置付溶解炉及び溶解炉用撹拌装置(特開2006−349293号公報)を提案している。本発明もこの公報に記載の動作原理と同様の原理に基づくものである。
而して、本発明では、特に、磁場領域に流入してくる非鉄金属溶湯の運動方向と磁場方向とを一致させて、渦電流を生じさせないように工夫した点を1つの特徴とするものである。このように渦電流を生じさせないようにしたのは、渦電流が非鉄金属溶湯中に発生すると、電磁力により非鉄金属溶湯の運動が妨げられ、ポンプ効率が著しく低下してしまうからである。渦電流により発生する電磁力は、導電体(本件の場合は非鉄金属溶湯)が磁場と直角に交わるように運動する場合に生じ、その大きさは交わる速度に比例するものである。ポンプについて考えた場合、一般に、ポンプ性能は時間当たりの吐出量と吐出圧力で決まり、いずれも高いほうがよい。本発明のポンプの場合、後述するように、いわゆる渦巻き型の流路を有する渦室2内においては、外部磁場領域内であるため、非鉄金属溶湯M中の磁場には変化は生じない。したがって、非鉄金属溶湯が高速で運動しても、非鉄金属溶湯M内に渦電流は生じない。一方、入り口5側は、磁場方向と非鉄金属溶湯Mの流入方向が一致しているため、非鉄金属溶湯Mが高速で磁場領域に入ってきても渦電流は生じない。
さて、渦室6内で高速で回転する非鉄金属溶湯Mは遠心力で外側へと連続的に移動し、渦室6の外壁に沿って出口7に向かう。一方、渦室6の中央部は非鉄金属溶湯Mの回転により負圧となる。これにより、連続的に効率よく溶湯Mの搬送が行われる。
さらに、本発明の実施形態の非鉄金属溶湯ポンプ1を、入り口5を上にした向きとした図2の状態で、図5に示すように入り口5と出口7をホッパー状の溶解炉25とそれぞれ連通状態に繋ぐと、溶解炉25からの非鉄金属が入り口5から流入し、その下部の出口7より高速で非鉄金属溶湯Mとして排出される。このため、溶解炉25内では非鉄金属溶湯Mが激しく渦を生じさせる。よって、入り口5に通じる溶解炉25に非鉄金属原料を投入可能な状態としておき、非鉄金属を投入すると、非鉄金属は短時間で非鉄金属溶湯M中に引き込まれ、迅速に溶解されることとなる。
以下に、本発明の実施形態についてより詳しく説明する。
図1は本発明の実施形態としての、いわゆる羽根車のない、非鉄金属溶湯ポンプの平面図である。図2はその正面図である。
図1および図2に示すように、非鉄金属溶湯ポンプ1は、中空の渦室体2とその外側に設置される永磁式磁場装置(永久磁石式磁場装置)3とを備える。
渦室体2は耐火材で、例えば窒化珪素等で、作られており、入り口5、渦室6及び出口7を備えている。後述するように、この入り口5から非鉄金属溶湯が入り、渦室6で回転駆動されることにより、出口7に至り、出口7から外部に流出するように構成されている。この渦室6は、いわゆる渦巻き型の流路を有するもので、入り口5から出口7に向かって渦巻き状の流路が形成されている。そして、この渦室6は、出口7に向かって流路の横断面積が大きくなるように構成されている。渦室6は、図2の紙面の上下方向に厚さを有する薄型の有底円筒状のものとして構成されている。この渦室6の上面に形成された開口6aに、筒状体10が連通状態に取り付けられて、この筒状体10の上端が前記入り口5とされている。また、渦室6の側面の一部が図1の紙面の右方向に筒状に伸びて出口部7aとなっており、この出口部7aの先端が前記出口7となっている。
図1からわかるように、平面的に見て渦室6に対して筒状体10は偏芯した位置に取り付けられている。また、出口部7aは基端よりも先端が太くなるような形状に構成されている。これにより、入り口5に入った非鉄金属溶湯Mからみると、渦室6及び出口部6aは、入り口5から出口7に向かって、非鉄金属溶湯Mが通る流路の断面積が大きくなる、偏芯形構造に構成されていると言える。
図2から分かるように、渦室6の上面の内部に複数の上側電極12、12、・・・が一部埋設状態に付設されている。これらの上側電極12、12、・・・は、図1から分かるように、筒状体10の外周よりもやや大きい周に沿って、円を描くような位置に、いわゆるリング状に、配置されている。
また、図2から分かるように、渦室6の下面の内部に、下側電極13が一部埋設状態に付設されている。
なお、上側電極12、12、・・・は下側電極13と上下に対向する位置であれば良く、必ずしもリング状に配置する必要はなく、また配置する位置も、図1において、入り口5の外周付近でなくてもよい。
これら上側電極12、12、・・・と下側電極13は、ケーブル15、15で直流電源16に接続される。これにより、直流電源16の正負の端子間に、ケーブル15―上側電極12、12、・・・―非鉄金属溶湯M―下側電極13―ケーブル15を介して、電流Iが流れることになる。非鉄金属溶湯M中を電流Iの流れる経路については追って説明する。
直流電源16は出力電流可変式が好ましく、また当然電流計、電圧計その他安全運転管理上必要な諸機能を具備したものとする。
このような渦室体2の図2における紙面に沿った下側に配置される永磁式磁場装置3は、渦室6の内部における非鉄金属溶湯Mに磁場を印加するものとして構成されている。永磁式磁場装置3は、図2に示されるように、上下両面側が磁極となるように磁化されている。図2では、上側がN極、下側がS極に構成されている。よって、この永磁式磁場装置3のN極からの磁束MFが、図2に示すように、下から上に、非鉄金属溶湯Mを通ることになる。
この渦室体2の外壁と永磁式磁場装置3との間には断熱材が挿入され、高熱から永磁式磁場装置3が保護されている。勿論、図示してないが渦室6の周囲も断熱材で保温している。
次に、非鉄金属溶湯Mを通る、電流Iと磁束MFの流れ方及び相互の関係について説明する。
図3Aに、電流の流れ方を示す。本発明者の知得するところによれば、上側電極12、12、・・・と下側電極13との間には、非鉄金属溶湯Mを通って、渦室6の内面に沿った経路で、流れる。図3Aの3B―3B線に沿った断面で見れば、電流Iは図3Bのように流れる。このことについては、後で詳しく述べる。
上側電極12、12、・・・は必ずしもリング状に配置する必要はない。これらの上側電極12、12、・・・を渦室6の内面の上側の所望の位置に配置すれば、配置位置における上側電極12、12、・・・と下側電極13との間に、渦室6の内面にそった経路に沿って電流Iが流れるからである。
このような電流Iの経路を渦室6との関係で示したものが図4である。この図4に磁束MFの経路を示せば、図示の通りとなる。
即ち、電流Iは渦室6の内面に沿って上側電極12、12、・・・から下側電極13に流れ、磁束MFは非鉄金属溶湯Mを下から上に貫くように通り上側のN極から下側のS極に至る。
この図4からわかるように、電流Iの流れる方向と磁束MFの通る方向とは、図4の紙面に沿った上下方向であり、共に一致していることが分かる。
さらに、より詳しくは、図4において、磁束MFは図中上下方向に走っている。これに対し、電流Iのうち、渦室6の底面に沿って流れて下側電極13に向かう電流Ibottmは図中横向きに走っている。つまり、磁束MFと電流Ibottmとは直交しており、非鉄金属溶湯Mに電磁力が作用することになり、非鉄金属溶湯Mは回転駆動させられることになる。
逆に、本発明者は、電流Iがこの図4の経路で流れることは、先に「本発明者の知得するところによれば」、と述べたが、そのように流れると知得するに至ったのは、以下の理由による。つまり、図4の構成、即ち、磁束MFが図示のように走り、上側電極12、12、・・・と下側電極13を図示のように配置した時に、現実に、非鉄金属溶湯Mが回転させられたのを、本発明者は実験により確認している。このように回転することを鑑みるに、電流I、特に電流Ibottmは図4に示すように流れていると理解するしかない。これは、いわゆる、表皮効果に似た原理によるものとも考えられないこともない。
このような電流Iと磁束MFの流れにより、図1において、渦室6中の非鉄金属溶湯Mは、矢印Aに沿った方向に流れ、出口7から流出することになる。
より詳しくは、今入り口5から渦室6に非鉄金属溶湯Mが入ると、図1に示す矢印Aに沿って、非鉄金属溶湯Mは高速で回転運動を起こす。その結果、非鉄金属溶湯Mは遠心力で外周方向に押しやられ、出口7に向かって流れる。この結果、永磁式磁場装置3の電極12、12、・・・は負圧となる。このため、入り口5からさらに非鉄金属溶湯Mを強引に渦室6の内部に引き込む。こうして、非鉄金属溶湯Mは連続して強制的に搬送される。
ここにおいて、単位時間当たりの非鉄金属溶湯Mの搬送量は、直流電源4の出力電流の強弱により調整可能である。
図5は、上記した非鉄金属溶湯ポンプ1にホッパー状の溶解炉25を取り付けて、非鉄金属溶解炉30となし、この非鉄金属溶解炉30を非鉄金属溶湯の保持炉20に取り付けた、溶解炉システム40を示す。
即ち、非鉄金属溶湯ポンプ1の入り口5にホッパー状の溶解炉25を取り付けて、非鉄金属溶解炉30を構成している。
この溶解炉25の側面の開口25aを、パイプ26を介して、保持炉20の側壁21に開口した流出口22に連通させている。この溶解炉25は、溶解対象の非鉄金属の原料を投入するためのものである。この溶解炉25の開口の形状は、平面的に見て、円形、楕円形あるいは矩形状とすることができる。その一例を図6,図7に示す。即ち、本発明者は種々の溶解実験を行った。その実験結果から、図6および図7に、平面から見て、溶解炉25の上方の開口の形状を矩形および楕円形の形状とした。これらの形状の溶解炉25の場合、いずれも効率よく溶解ができることは確認した。
さらに、非鉄金属溶湯ポンプ1の出口7を、保持炉20の側壁21における流入口23に連通させている。
この図5において、保持炉20中の非鉄金属溶湯Mは、溶解炉25から非鉄金属溶湯ポンプ1に流入する。流入した非鉄金属溶湯Mは、非鉄金属溶湯ポンプ1に前述した動作によって、連続的に出口7から保持炉20内に押し込まれる。このとき、溶解炉25内では図示のごとく、非鉄金属溶湯Mが激しく渦を巻きながら非鉄金属溶湯ポンプ1に吸い込まれていく。
結局、非鉄金属溶湯Mの循環量は、溶解炉25の下に接続された非鉄金属溶湯ポンプ1の吐出量に対応したものとなる。
つまり、この溶解炉25内に上方から原材料としての非鉄金属を投入すると、迅速な溶解が可能となる。原材料の引き込む力の強い渦ほど溶解速度があがる。このため溶解炉25内の渦の形状が重要である。渦の形状は溶解炉25の形状により決まる。
以上に説明した実施形態では、いわゆる静止状態の永久磁石(3)と、上側電極12、12、・・・と下側電極13との間に流れる電流Iと、による電磁力で、渦室6内の溶湯Mを回転させるようにしている。しかし、これに代えて、複数の永久磁石を回転させることにより、前記溶湯Mを回転することもできる。
この実施形態を図8A、8Bに示す。図8Aは部分的に切り欠いた正面図を示し、図8Bはそれにおける回転磁石体の要部の平面図を示す。
図8Aが図8と異なる点は、渦室6内に電極12、13を設けないようにし、且つ、当然電極12、13へ給電する直流電源16も設けないようにしたこと、及び、移動磁界発生装置50を前記渦室6の下方に設けた点にある。
前記移動磁界発生装置50は、各種の形態を採ることができるが、例えば図8Aのように、非磁性のケーシング51の中に回転磁石体52を設ける形態とすることができる。この回転磁石体52おいては、ケース54の中にモータ53を設け、モータ53の軸53aをベアリング54aで軸受し、このモータ53で円盤状のマグネットベース55を回転可能としている。このマグネットベース55上に複数の永久磁石56、56,・・・を90度間隔で固定している。これらの永久磁石56、56,・・・は、上下面側が磁極とされており、且つ、図8Bからわかるように隣り合う永久磁石56、56,・・・は互いの極性が異なるように磁化されている。これらの永久磁石56、56,・・・は非磁性のカバー57で被覆されている。
以上の構成により、永久磁石56、56,・・・からの磁束(磁力線)MFは、図8Aに示すように、渦室6内の溶湯Mを貫き、あるいは、溶湯Mを貫いた磁束MFが永久磁石56、56,・・・に入る。この状態で永久磁石56、56,・・・が回転することにより、磁束MFも溶湯M内を移動し、これにより電磁力により溶湯Mも回転する。
より詳しくは、複数の永久磁石56、56,・・・が、前記渦室6内の非鉄金属溶湯Mをほぼ前記第1の方向(上下方向)に貫通する貫通磁力線を発生する。前記非鉄金属溶湯Mの前記渦室6への流入方向と、前記移動磁界発生装置50からの前記貫通磁力線の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うよう構成されている。前記永久磁石56、56,・・・の回転に伴って上記貫通磁力線が前記非鉄金属溶湯Mをほぼ第1の方向に貫通した状態で移動することにより、前記非鉄金属溶湯Mに前記駆動力を加えるように構成されている。
図9は、図5の装置の変形例で、図8Aの非鉄金属溶湯ポンプ1と移動磁界発生装置50を保持炉20に適用した溶解炉システム40を示す。このシステム40も、図5の装置と同様に、動作する。
図8A、8B、9において、他の図の実施形態と同等の部材には同一の符号を付して詳しい説明は省略している。
上述したところから分かるように、本発明の実施形態によれば、構造が簡単で扱いやすく且つ安価であり、ランニングコストやメンテナンスフリーの非鉄金属溶湯ポンプおよびそれを用いた非鉄金属溶解炉を提供することができる。
以下に、本発明者が行った、本発明の効果を確認するための実験結果を説明する。
即ち、図5に示す実施形態において、上側電極12、12、・・・と下側電極13との間に、1〜2.2Kwの電力を供給した場合、非鉄金属溶湯Mの流速は10〜50m/min、6,75〜40.5T/Hが得られ、原材料飲み込み量は、100〜500Kg/Hが得られた。勿論これら数値は供給電力量を増やせばさらに高い値を得ることは言うまでもない。
本発明の実施形態に係る、いわゆる羽根車のない、非鉄金属溶湯ポンプの平面図。 図1の正面図。 図1の非鉄金属溶湯ポンプにおける電流の流れる経路を示す説明図。 図1の非鉄金属溶湯ポンプにおける電流の流れる経路を部分的に示す説明図。 図1の非鉄金属溶湯ポンプにおける電流の流れる経路と磁束の通る経路を示す説明図。 本発明の実施形態に係る非鉄金属溶解炉の要部説明図。 図5の非鉄金属溶解炉の開口を示す一例の平面図。 図5の非鉄金属溶解炉の開口の他の例の平面図。 永久磁石による移動磁界発生装置の異なる実施形態の一部を切断した正面図。 図8aにおける永久磁石の配列を示す平面説明図。 図8aの移動磁界発生装置を組み込んだ溶解炉システムの要部説明図。

Claims (8)

  1. 非鉄金属溶湯を入り口から渦室に流入させ、渦室で駆動力を与えて、渦室から出口へ流出させる、渦室体と、
    前記渦室の底面の外部に配置されて、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を与える、永久磁石製磁場装置と、
    を備え、
    前記渦室体においては、
    前記入り口と前記底面が第1の方向に沿って対向しており、
    前記出口は前記第1の方向とほぼ直交する方向に開口しており、
    前記底面は前記第2の方向に沿った平面を有し、
    前記底面の内側に第1の電極を配置し、
    前記底面の前記内側と前記第1の方向に対向する、前記渦室の上面の内側に、前記第1の電極との間に電流が流される、第2の電極を配置し、
    前記永久磁石製磁場装置は、前記渦室体の前記渦室の前記底面の外部に、前記底面と対向するように、配置され、
    前記非鉄金属溶湯の前記渦室への流入方向と、前記永久磁石製磁場装置からの磁束の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うようにした、
    ことを特徴とする非鉄金属溶湯ポンプ。
  2. 前記第1の電極を、前記渦室の前記底面のほぼ中央に配置した、ことを特徴とする請求項に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  3. 前記第2の電極を複数設け、これらの第2の電極を、リング状にあるいは任意の形状に配置した、ことを特徴とする請求項に記載1又は2に記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  4. 前記第1の電極及び前記第2の電極の間に、直流電流を流す、直流電流電源をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の非鉄金属溶湯ポンプ。
  5. 請求項1乃至4の何れかに記載の非鉄金属溶湯ポンプを備え、
    前記非鉄金属溶湯ポンプを前記入り口が上向きになるように配置し、この入り口に、原料としての非鉄金属を投入するための開口を有する溶解炉を付設した、
    ことを特徴とする非鉄金属溶解炉。
  6. 前記開口の平面形状を、矩形、楕円形あるいは円形としたことを特徴とする請求項5に記載の非鉄金属溶解炉。
  7. 非鉄金属溶湯を入り口から渦室に流入させ、渦室で駆動力を与えて、渦室から出口へ流出させる、渦室体と、
    前記渦室の底面の外部に配置されて、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を与える、移動磁界発生装置と、
    を備え、
    前記渦室体においては、前記入り口と前記底面が第1の方向に沿って対向しており、前記出口は前記第1の方向とほぼ直交する第2の方向に開口しており、
    前記移動磁界発生装置は、
    前記渦室内の非鉄金属溶湯をほぼ前記第1の方向に貫通する貫通磁力線を発生する複数の永久磁石を有し、前記非鉄金属溶湯の前記渦室への流入方向と、前記移動磁界発生装置からの前記貫通磁力線の方向とが、共に、前記第1の方向に沿うよう構成されており、前記永久磁石の回転に伴って上記貫通磁力線が前記非鉄金属溶湯をほぼ第1の方向に貫通した状態で移動することにより、前記非鉄金属溶湯に前記駆動力を加えるように構成されており、
    前記移動磁界発生装置は、
    軸受によって前記第1の方向に走る軸線の回りに回転可能に軸受けされた回転板としてのマグネットベースと、
    前記マグネットベース上に、前記渦室の前記底面に対向する面側に交互に異なる極がくるように、周状に、配置されている前記複数の永久磁石と、
    を備えたものとして構成された、
    ことを特徴とする非鉄金属溶湯ポンプ。
  8. 請求項7に記載の非鉄金属溶湯ポンプを備え、
    前記非鉄金属溶湯ポンプを前記入り口が上向きになるように配置し、この入り口に、原料としての非鉄金属を投入するための開口を有する溶解炉を付設した、
    ことを特徴とする非鉄金属溶解炉。
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