JP2017030033A - 金属薄帯製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】表面品質に優れ、長時間の連続運転でも、安定して高い表面品質を維持できる金属薄帯の製造装置の提供。【解決手段】高速回転している冷却ロール２の外周面上に溶融した金属３を射出し、急速凝固させて金属薄帯３を製造する単ロール式の金属薄帯製造装置において、溶融金属３を射出する溶湯射出ノズル１の冷却ロール回転方向７上流側に、冷却ロール２表面に沿う気流を遮断する気流遮断装置４と、二酸化炭素ガスを噴射して、気流遮断装置４と溶湯射出ノズル１との間の冷却ロール２外周面上に二酸化炭素ガスの流れ６を形成する、あるいは、気流遮断装置４と溶湯射出ノズル１との間のロール２表面上を二酸化炭素雰囲気とする二酸化炭素ガス噴射ノズル５と、気流遮断装置４のロール回転方向７上流側に、冷却ロール２表面に付着した異物を除去する異物除去装置８が設けられている金属薄帯製造装置。【選択図】図２

Description

本発明は、金属薄帯製造装置に関し、具体的には、表面性状が優れる金属薄帯を製造する単ロール式の金属薄帯製造装置に関するものである。

溶融金属から直接、金属薄帯を製造する方法の一つに、高速回転している１本の冷却ロール外周面（以降、「ロール表面」ともいう）の上に、金属の溶湯をノズルを介して供給し、パドルを形成しつつ急速冷却して凝固させて金属薄帯を製造する単ロール法がある。このような直接製板技術における最も重要な課題は、如何にして板厚の均一性と表面性状に優れる薄帯を得るか、という点である。特に、変圧器の鉄心材料に用いられるアモルファス合金薄帯のように、積層して用いられる金属薄帯では、変圧器の特性に大きく影響するため、表面性状は最も重要な管理項目である。

金属薄帯の表面性状が劣化する原因は、冷却ロールの回転に伴って、ロール表面に空気の境界層が生じてロール表面に沿った空気の流れが発生し、この気流によってロール表面に射出された溶融金属と冷却ロールの間に空気が巻き込まれて閉じ込められ、ポケット状の窪みを形成するためである。

上記表面性状の劣化を防止する技術として、溶湯が射出される部分を真空としたり、一酸化炭素燃焼雰囲気あるいは二酸化炭素雰囲気としたりする技術が知られており、中でも、二酸化炭素雰囲気にする技術は、安全上の問題がなく、大型の設備にも導入しやすいという利点がある。二酸化炭素雰囲気を形成する方法としては、溶融金属が射出されている部分に、二酸化炭素を吹き付ける方法がある。しかし、この方法では、溶融金属を射出するノズルの温度が低下し、ノズル詰まりを起こしたり、吹き付ける二酸化炭素の圧力の変動によって、溶融金属流の表面が不安定となったりするおそれがある。

そこで、特許文献１には、溶融金属が射出される部分をチャンバーで覆って二酸化炭素雰囲気とする方法が開示されている。また、特許文献２には、溶融金属の射出位置よりロール回転方向上流側にカーボンブレードをロール表面の母線と接触させて配置し、該カーボンブレードの溶融金属側（下流側）表面に沿ってロール表面に向けて二酸化炭素ガス（以降、「ＣＯ_２ガス」とも表記する）を噴射して溶融金属の射出位置より上流側のロール表面近傍を二酸化炭素雰囲気に保つ方法が開示されている。

特開平０４−３５６３３６号公報 特開平０６−２９２９５０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示の方法は、装置が大がかりとなり、雰囲気制御が複雑化するという問題がある。また、上記特許文献２に開示の方法は、表面性状の改善にはある程度の効果があるが、長時間、連続運転したときには、カーボンブレードと冷却ロールの表面との間に、粉塵や薄帯の破片等の異物が徐々に蓄積され、上記異物によって冷却ロール表面が損傷を受け、薄帯の表面性状を却って劣化させるという新たな問題を引き起こす。

本発明は、従来技術が抱える上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷却ロール表面と溶融金属との間への空気の巻き込みを抑制して金属薄帯の表面粗さを低減し、表面品質を向上するとともに、長時間の連続運転でも、安定して高い表面品質を維持することができる金属薄帯の製造装置を提供することにある。

発明者らは、上記課題の解決に向けて鋭意検討を重ねた。その結果、溶融した金属を冷却ロール表面に射出する溶湯射出ノズルの上流側に上記冷却ロール表面に沿って流れる気流を遮断する気流遮断装置と、上記気流遮断装置直後に二酸化炭素ガスの流れを形制する二酸化炭素供給ノズルに加えて、上記気流遮断装置の前に、ロール表面に付着した異物を除去する異物除去装置を設けることで、長時間の製造でも安定して高い表面品質を維持できることを見出し、本発明を開発するに至った。

すなわち、本発明は、高速回転している冷却ロールの外周面上に溶融した金属を射出し、急速凝固させて金属薄帯を製造する単ロール式の金属薄帯製造装置において、上記溶融金属を射出する溶湯射出ノズルの冷却ロール回転方向上流側に、上記冷却ロール表面に沿う気流を遮断する気流遮断装置と、二酸化炭素ガスを噴射して、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間の冷却ロール外周面上に二酸化炭素ガスの流れを形成する、あるいは、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間のロール表面上を二酸化炭素雰囲気とする二酸化炭素ガス噴射ノズルが設けられ、さらに、上記気流遮断装置のロール回転方向上流側に、冷却ロール表面に付着した異物を除去する異物除去装置が設けられていることを特徴とする金属薄帯製造装置である。

本発明の金属薄帯製造装置における上記異物除去装置は、上記気流遮断装置に対して冷却ロール回転方向上流側６００ｍｍ以内に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記異物除去装置は、冷却ロール表面に非接触に設置された永久磁石または電磁石であることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記異物除去装置は、冷却ロール表面に気体を噴射するガス噴射装置であることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記異物除去装置は、冷却ロール表面に接触して、機械的に異物を除去するものであることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記気流遮断装置は、冷却ロール表面と接触して、あるいは、冷却ロール表面との間のギャップを２ｍｍ以下として設けられていることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記気流遮断装置は、溶融金属を射出する溶湯射出ノズルに対して冷却ロール回転方向上流側３００ｍｍ以内に設けられていることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記気流遮断装置は、冷却ロール表面より軟質の材質からなることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における二酸化炭素ガス噴射ノズルは、気流遮断装置がロール表面と接する箇所に向け、かつ、上記気流遮断装置のロール回転方向下流側の面に沿って二酸化炭素ガスを噴射するものであることを特徴とする。

また、本発明の金属薄帯製造装置における上記二酸化炭素ガス噴射ノズルは、溶湯射出ノズルと気流遮断装置の間のロール表面に向かって二酸化炭素ガスを噴出するものであることを特徴とする。

本発明の装置によれば、長時間、連続運転しても、異物による冷却ロール表面の損傷を防止することができるので、金属薄帯の表面性状を良好な状態に維持し続けることができるので、品質の向上のみならず、生産性の安定にも大いに寄与する。

従来技術の金属薄帯製造装置の側面図である。 本発明の金属薄帯製造装置の一形態を示す側面図である。 本発明の金属薄帯製造装置の他の形態を示す側面図である。 本発明の金属薄帯製造装置の他の形態を示す側面図である。

図１は、特許文献２に開示の従来技術の金属薄帯製造装置を模式的に示したものである。上記製造装置においては、冷却ロール２が矢印７の方向に高速回転しており、溶湯射出ノズル１から冷却ロール外周面（ロール表面）上に射出された溶融金属（溶湯）３が急速冷却されて薄帯となる。上記溶融金属をロール表面上に射出する溶湯射出ノズル１のロール回転方向上流側には、冷却ロールの回転に伴い、境界層によってロール表面上に形成される、ロール回転方向上流側から下流側に向かう空気の流れを遮断する気流遮断装置として機能するカーボンブレード４が、冷却ロールの表面に接触して設置されている。

また、上記カーボンブレード４と溶湯射出ノズル１との間には、ロール表面に向けて二酸化炭素ガスを吹き付ける二酸化炭素ガス噴射ノズル５が設けられている。ロール表面に吹き付けられた二酸化炭素ガスは、カーボンブレード４と溶湯射出ノズル１との間のロール表面上に境界層を含む新たな流れ６を形成して溶湯３まで達して、あるいは、カーボンブレード４と溶湯射出ノズル１との間のロール表面上（近傍）を二酸化炭素雰囲気として、溶湯流の表面振動を抑制したり、溶湯とロールの間に空気が巻き込まれるのを防止したりすることで金属薄帯の表面品質を改善する。

しかしながら、上記の図１に示した金属薄帯製造装置では、長時間、連続して運転を続けていると、雰囲気中に漂っている粉塵や、金属溶湯の飛沫が凝固した粉末、金属薄帯の微小破片等の異物が、冷却ロール表面に付着して運ばれ、あるいは、冷却ロール表面の境界層に起因した気流に乗って運ばれて、カーボンブレード４と冷却ロール表面との間に徐々に堆積する。

冷却ロールは、一般に熱伝導率の高い銅合金で製造されており、硬度が低いため、硬質の異物によって表面に傷が発生し易い。その結果、上記傷が金属薄帯に転写して表面欠陥を発生したり、上記傷部に閉じ込められていた空気によって、金属薄帯に大きな窪みや穴が発生したりするため、金属薄帯の表面品質に大きな悪影響を与える。また、ロール表面に傷が発生すると、金属薄帯の製造を中断して、冷却ロール表面の手入れ（研削）を行ったり、新たな冷却ロールと交換したりする必要があり、生産性を著しく低下させる。

そこで、本発明の金属薄帯の製造装置は、カーボンブレード４のロール回転方向上流側に、カーボンブレード４に近接して異物除去装置８を配設し、これによって、冷却ロールの表面に付着し、あるいは、冷却ロール表面の気流に乗って運ばれてくる異物を除去し、カーボンブレード４と冷却ロール表面との間への異物堆積を抑止し、冷却ロール表面の損傷を防止することとした。すなわち、本発明の金属薄帯製造装置は、従来技術の気流遮断装置、二酸化炭素ガス噴射ノズルに加えて、異物除去装置を組み合わせることで、長時間の連続運転でも安定して高い表面品質を維持することを可能としたものである。

ここで、上記異物除去装置は、気流遮断装置に対してロール回転方向上流側に配置する必要がある。ただし、上流側であっても、気流遮断装置との間が離れすぎると、作業空間を漂う粉塵等の異物がロール表面に再付着するおそれがあるので、気流遮断装置に対して冷却ロール回転方向上流側６００ｍｍ以内に設置するのが好ましい。より好ましくは２００ｍｍ以内である。

なお、上記異物除去装置には、２つのタイプ、すなわち、ロールに接触せずにロール表面の異物を除去するものと、ロールに接触して異物を物理的（機械的）に除去するものが考えられるが、ロール表面に付着し、あるいは、ロール表面の気流に乗って運ばれてくる異物を除去できるものであれば、いずれのタイプのものでも構わない。

例えば、前者のロールに接触せずに異物を除去する異物除去装置としては、希土類磁石や強磁場を生じる電磁石をロール表面に近接させ、磁力で異物を吸引し、除去するものがある。この装置は、異物の多くが、金属溶湯の飛沫が凝固した鉄粉や金属薄帯の破片、製造装置等から生じた鉄系の粉塵等であり、磁石に吸着することを利用したものである。なお、冷却ロール表面が非磁性（銅合金）であることも、異物除去装置としての磁石が冷却ロール表面に吸着することがないので、この装置の利用に対して有利に働く。

また、ロールに接触せずに異物を除去する他の異物除去装置としては、ロール表面に気体（ガス）を高速で吹き付けるガスジェットによって異物を除去するガス噴射式の装置も有効である。この装置は、油分や水分、ダスト等を含まない清浄な空気や窒素ガス、アルゴンガス、二酸化炭素ガス等を、ロール表面に近接したノズルから高速で吹き付けて異物を吹き飛ばすもので、上記の磁力では除去できない異物に対して有効な手段である。

一方、後者のロールに接触して異物を除去する異物除去装置としては、冷却ロールの表面に接触させて、異物を機械的、物理的に除去するものがある。なお、上記ロール表面に接する部分の形態は、異物を機械的、物理的に除去できるものであれば、ブレード状、ブラシ状、ロール状、プレート（板）状、ブロック状、ベルト状等いずれでもよい。
また、上記異物除去装置の材質、特に、ロール表面に接する部分の材質は、後述する気流遮断装置と同様、ロール表面に傷が付くのを防止する観点から、ロール表面より軟質なものであることが好ましく、例えば、フェルトや不織布、ガーゼ等の布類や、カーボン、樹脂、合成ゴム等を好適に用いることができる。ただし、ロール表面に傷を付けない形態のもの（例えば、弾力性に富んだブレードを弱い圧力で押し当てた場合）であれば、ロール表面より硬質のものであってもよい。

なお、ロールに接触して異物を除去するタイプの異物除去装置を用いる場合には、異物除去装置によって捕捉された異物が一箇所に留まらないようにするため、例えば、ブレード状や、プレート状、ベルト状、ブロック状等のものは、金属薄帯の幅方向位置を連続的に、あるいは、定期的に移動させたり、また、ロール状のものは、低速で常時回転させたり、あるいは、定期的に回転させたりして、異物を除去したり、異物の位置を変化させることが好ましい。

ここで、図２〜図４は、本発明の金属薄帯の製造装置の一例を示したものであり、図２は、図１の金属薄帯の製造装置に、異物除去装置として、フェルト製のパッドをロールに巻き付けたフェルトロール８を配設した例である。また、図３は、異物除去装置として、希土類磁石１０をロール表面に近接して配設した例、図４は、異物除去装置として、ドクターブレード１２を配設した例である。

次に、本発明の金属薄帯製造装置の気流遮断装置について説明する。
本発明の金属薄帯製造装置の気流遮断装置は、回転する冷却ロール表面の境界層によって形成されるロール表面に沿った気流を遮断するため、ロール表面に接触して、あるいは、ロール表面に近接して設置することが好ましい。なお、気流遮断装置をロール表面に近接させる場合には、境界層による気流を効果的に遮断する観点から、ロール表面と気流遮断装置との間のギャップは２ｍｍ以下とすることが好ましい。より好ましくは１ｍｍ以下である。

ここで、上記気流遮断装置の設置位置は、金属溶湯を冷却ロール表面に射出する溶湯射出ノズルの設置位置から、ロール回転方向上流側に向かって３００ｍｍ以内とするのが好ましい。３００ｍｍを超えると、ロール表面上に空気流が再び形成されてしまうからである。なお、より好ましくは、２００ｍｍ以内である。

また、上記気流遮断装置の幅（冷却ロール胴長方向の長さ）は、冷却ロール表面に沿って流れる気流が金属薄帯に及ぼす悪影響を抑止する観点から、金属薄帯の幅以上とすることが好ましく、冷却ロールの胴長以上とするのがより好ましい。

また、上記気流遮断装置の形態は、気流を遮断できる限り、ブレード状、プレート状（板状）、ブロック状、ブラシ状およびロール状等いずれの形態でもよい。また、上記気流遮断装置は、同等の効果が得られる限り、一体ものである必要はなく、幅方向に複数に分割し、組み合わせたものであってもよい。

また、上記気流遮断装置の材質、特に、ロール表面と接触する部分の材質は、冷却ロールの表面に傷を発生させないようにするため、ロール表面よりも軟質のものであることが好ましい。また、ロール表面と接触させる場合には、寿命を延長させる観点から、弾性を有し、摺動性や耐摩耗性に優れるものであることや、耐熱性に優れるものであることが好ましい。斯かる観点から、気流遮断装置の材質としては、カーボンや樹脂、合成ゴム、フェルトや不織布等の布類などが好適である。

なお、前述した図２は、図１と同様、気流遮断装置として、カーボンブレードを用いた例を、図３は、気流遮断装置として、フッ素樹脂製のブロックを用いた例を、また、図４は、気流遮断装置として、先端部分がアラミド繊維製のブラシを用いた例を示したものである。

次に、本発明の金属薄帯製造装置の二酸化炭素ガス噴射ノズルについて説明する。
本発明の上記二酸化炭素ガス噴射ノズルは、上記した気流遮断装置と溶湯射出ノズルとの間に二酸化炭素ガスを噴射し、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間の冷却ロール外周面上に二酸化炭素ガスの流れを形成する、あるいは、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間のロール表面上（近傍）を二酸化炭素雰囲気とすることによって、溶湯流の表面振動を抑制し、溶湯とロールの間に空気が巻き込まれるのを防止し、金属薄帯の表面品質を改善するものである。

上記のように気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間の冷却ロール外周面上に二酸化炭素ガスの流れを形成するためには、二酸化炭素ガス噴射ノズルから、気流遮断装置がロール表面と接する箇所に向け、かつ、上記気流遮断装置のロール回転方向下流側の面に沿って、二酸化炭素ガスを噴射することが好ましい。

また、上記のように気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間のロール表面上（近傍）を二酸化炭素雰囲気とするためには、二酸化炭素ガス噴射ノズルから、溶湯射出ノズルと気流遮断装置の間のロール表面に向けて大量の二酸化炭素ガスを噴出するものであることが好ましい。ここで、上記大量とは、少なくとも気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間のロール表面上近傍の空気を二酸化炭素でほぼ完全に置換することができる量であることを意味する。

なお、前述した図２および図３は、図１と同様、二酸化炭素ガス噴射ノズルから、カーボンブレード（気流遮断装置）がロール表面と接する箇所に向けて、かつ、カーボンブレードのロール回転方向下流側側面に沿って二酸化炭素ガスを噴射することによって、カーボンブレードと溶湯射出ノズルとの間のロール表面上に、冷却ロール表面に沿った新たな二酸化炭素ガスの流れを形成し、該気流を溶湯射出部まで到達するようにした例である。また、図４は、二酸化炭素ガス噴射ノズルから、アラミド繊維製ブラシ（気流遮断装置）と溶湯射出ノズルとの間のロール表面に向かって大量の二酸化炭素ガスを噴射し、アラミド繊維製ブラシと溶湯射出ノズルとの間のロール表面上近傍を二酸化炭素雰囲気とする例を示したものである。

冷却ロール表面の気流を遮断する気流遮断装置と、上記気流遮断装置と溶湯射出ノズルとの間に二酸化炭素ガス噴射ノズルと、上記気流遮断装置のロール回転方向上流側に異物除去装置が設けられた単ロール式金属薄帯製造装置で、Ｆｅ−３ｍａｓｓ％Ｂ−５．３ｍａｓｓ％Ｓｉの成分組成を有し、厚さが２５μｍの変圧器巻鉄心用アモルファス金属薄帯を、３０分間にわたって連続して製造する実験を行った。
なお、上記製造装置の冷却ロールには、銅合金製でロール表面が水冷された直径が１０００ｍｍφ、幅（胴長）が４００ｍｍのものを用いた。また、溶融金属を射出する溶湯射出ノズルには、スリット間隔が０．７ｍｍで、スリット幅が２００ｍｍのものを用いた。
また、金属薄帯を製造するときの冷却ロールの回転速度（周速）は２１ｍ／ｓとし、冷却ロール表面と溶湯射出ノズル先端との間の距離（ギャップ）は０．２５ｍｍに設定した。なお、二酸化炭素ガス噴射ノズルは、気流遮断装置の直後に設置し、上記気流遮断装置が冷却ロール表面と接触している箇所に向け、かつ、気流遮断装置のロール回転方向下流側の面に沿って二酸化炭素ガスを噴射した。

その際、気流遮断装置と異物除去装置の種類と設置位置を表１に示したように種々に変化させ、金属薄帯の表面品質を調査した。なお、金属薄帯の表面品質は、３０分連続運転後の金属薄帯の冷却ロール接触面における表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１（１９９４）に規定された算術平均粗さ）を金属薄帯の幅方向に１０ｍｍ間隔で各１０点ずつ測定してそれぞれの幅方向位置における平均値を求め、その平均値の最大値（Ｒａ_ｍａｘ）で評価した。

上記表面品質の評価結果を、製造条件と併せて表１に示した。この結果から、本発明に適合する条件で製造した金属薄帯は、いずれもＲａ_ｍａｘが０．７μｍ以下と良好であるのに対して、本発明に適合しない条件で製造した金属薄帯は、いずれもＲａ_ｍａｘが１．０μｍ以上となっている。この結果から、本発明の金属薄帯製造装置を用いることにより、３０分という長時間の連続運転にも拘わらず、安定して表面品質に優れる金属薄帯を製造することができることが確認された。

１：溶湯射出ノズル
２：冷却ロール
３：溶湯パドルおよび薄帯
４：カーボンブレードを用いた気流遮断装置
５：二酸化炭素ガス噴射ノズル
６：二酸化炭素ガスの流れ
７：冷却ロール回転方向
８：フェルトロールを用いた異物除去装置
９：フッ素樹脂ブロックを用いた気流遮断装置
１０：希土類磁石を用いた異物除去装置
１１：アラミド繊維製ブラシを用いた気流遮断装置
１２：ドクターブレードを用いた異物除去装置

Claims (10)

1. 高速回転している冷却ロールの外周面上に溶融した金属を射出し、急速凝固させて金属薄帯を製造する単ロール式の金属薄帯製造装置において、
   上記溶融金属を射出する溶湯射出ノズルの冷却ロール回転方向上流側に、上記冷却ロール表面に沿う気流を遮断する気流遮断装置と、
   二酸化炭素ガスを噴射して、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間の冷却ロール外周面上に二酸化炭素ガスの流れを形成する、あるいは、上記気流遮断装置と上記溶湯射出ノズルとの間のロール表面上を二酸化炭素雰囲気とする二酸化炭素ガス噴射ノズルが設けられ、さらに、
   上記気流遮断装置のロール回転方向上流側に、冷却ロール表面に付着した異物を除去する異物除去装置が設けられていることを特徴とする金属薄帯製造装置。
2. 上記異物除去装置は、上記気流遮断装置に対して冷却ロール回転方向上流側６００ｍｍ以内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の金属薄帯製造装置。
3. 上記異物除去装置は、冷却ロール表面に非接触に設置された永久磁石または電磁石であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属薄帯製造装置。
4. 上記異物除去装置は、冷却ロール表面に気体を噴射するガス噴射装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の金属薄帯製造装置。
5. 上記異物除去装置は、冷却ロール表面に接触して異物を除去するものであることを特徴とする請求項１または２に記載の金属薄帯製造装置。
6. 上記気流遮断装置は、冷却ロール表面と接触して、あるいは、冷却ロール表面との間のギャップを２ｍｍ以下として設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の金属薄帯製造装置。
7. 上記気流遮断装置は、溶融金属を射出する溶湯射出ノズルに対して冷却ロール回転方向上流側３００ｍｍ以内に設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の金属薄帯製造装置。
8. 上記気流遮断装置は、冷却ロール表面より軟質の材質からなることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の金属薄帯製造装置。
9. 上記二酸化炭素ガス噴射ノズルは、気流遮断装置がロール表面と接する箇所に向け、かつ、上記気流遮断装置のロール回転方向下流側の面に沿って二酸化炭素ガスを噴射するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属薄帯製造装置。
10. 上記二酸化炭素ガス噴射ノズルは、溶湯射出ノズルと気流遮断装置の間のロール表面に向かって二酸化炭素ガスを噴出するものであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の金属薄帯製造装置。
    
    

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