JP4492092B2 - 流体噴射ノズル及びそれを用いた鋼材の冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体噴射ノズルに係り、特に、熱延鋼板の圧延プロセスにおいて熱延鋼板の上下面及び端面の冷却に適した流体噴射ノズルの構造に関する。

鋼板の熱間圧延工程では、圧延前後及び圧延途中の鋼板に冷却水を直接噴射して冷却している。即ち、加熱炉から抽出された鋼塊は、粗圧延機、仕上圧延機、矯正機等において、上下の圧延ロールの間を進行する際に冷却水の噴射により冷却され、更に、それらの設備の前後に配置された冷却設備や、仕上圧延機の後段側に設けられたランナウトテーブルにおいても冷却水の噴射によって冷却される。

冷却に使用された水は、スケールピットに集められ、沈殿池や濾過装置によって懸濁物質が除去された後、冷却塔において冷却され、再度冷却水として使用される。しかしながら、鋼板から剥がれ落ちたスケールや、圧延ロールや装置フレームなどの部材から剥がれ落ちた錆などによって、スプレイノズルが閉塞するという問題がある。スプレイノズルが閉塞すると、必要な冷却水量が得られなくなって所定の製造条件から外れ、あるいは、冷却能力が不均一になって製品の品質に影響が及ぶことになる。

特に、熱間圧延終了後の熱延鋼板をランナウトテーブルで均一に強冷却する場合には、従来は、ノズル出口孔からある広がり角度をもって噴射するスプレイノズルや、中空のヘッダー（矩形断面あるいは円形断面）に多数の孔が設けられた多孔板ノズルが使用されて来た。

しかし、スプレイノズルでは、冷却水が広がって噴射されるため、鋼板の搬送速度に対して冷却水衝突時の流速を十分に確保することができず、十分な冷却能力が得られなかった。一方、多孔板ノズルを使用した場合には、特に鋼板下面側の冷却の際、使用された冷却水が多孔板の上に溜まって多孔板ノズルが浸漬してしまうために、実質の冷却水量及び流速を制御することが困難で、圧力損失も大きかった。なお、多孔板ノズルの代わりに、鋼管などをカットした単純な円管ノズルを使用しても、管内径が管入口と管出口で変わらないか、急拡大管型あるいは急縮小管型の構造であると、圧力損失が増加し、所定の流量を噴射するために必要となる送水圧力が増大するという問題があった。

なお、スプレイノズルの内部に装着されるフィルタに関しては、細い針金で構成された目の細かい網状のフィルタが広く用いられている。また、特開２００３−１５９５４９号公報には、ノズル本体への接続側を開口とすると共に他端を閉鎖し、外周面に長さ方向のスリットを周方向に間隔を開けて並べ、これらの縦溝から流体をノズル内部に流入させるように構成されたストレーナーの構造が開示されている（パラグラフ［0040］、図５）。

このようなフィルタのメッシュサイズあるいはスリット幅は、通常、オプションとして種々用意されているものの、比較的小さいために、鋼材の圧延プロセスなどで使用されるとフィルタが詰まり易く、メンテナンスサイクルが短い。また、フィルタは、急縮小・急拡大機構になるから圧力損失が大きくなり、圧力損失を適切な範囲に収めることが容易ではない。

なお、特開２００２−０１１３８３号公報には、エアノズルにおいて、ノズル入口孔と出口孔の面積比、及び、入口孔と出口孔の間を結ぶテーパ状の流路のテーパ角度を１０〜４０度の範囲で調整して、圧力損失の低減を可能にした例が示されている（請求項２、パラグラフ［００１７］、図１）。
特開２００３−１５９５４９号公報 特開２００２−０１１３８３号公報

本発明は、鋼材の圧延プロセスなどで使用されるスプレイノズルについての以上のような問題点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、詰まりが生じにくく且つ圧力損失を小さく抑えることができる流体噴射ノズルを提供することにある。

本発明の流体噴射ノズルは、
円筒状のノズル本体と、その入側に接続された円筒状のフィルタ管とを備えた流体噴射ノズルであって、
前記ノズル本体は、その内部に形成された流路が、入側流路、出側流路、及び入側流路と出側流路の間を結ぶテーパ部により構成され、
前記出側流路の断面積は、前記入側流路の断面積の５０％以下であり、
前記フィルタ管は、その内径が前記入側流路と同じであり、その側壁またはその側壁及び後端面に複数の流入孔が形成され、
前記各流入孔の開口径は、１ｍｍ以上であって、且つ前記出側流路の径以下の寸法であり、
前記複数の流入孔の開口面積の総和は、前記フィルタ管の内部流路の断面積の２倍以上であることを特徴とする。

なお、上記の各流入孔の開口径については、開口の形状が円形であればその直径を、楕円であればその短径を、矩形であればその短辺の長さを指すものとする。

本発明の流体噴射ノズルによれば、外周面に上記のような流入孔が設けられたフィルタ管を使用することによって、詰まりにくく且つ圧力損失が小さい流体噴射ノズルを構成することができる。また、フィルタ管の長さ、流入孔の開口径及びその数を調整することができるので、設計の自由度が高く、目標とする流速及び流量を実現することが比較的容易である。

好ましくは、前記テーパ部のテーパ角度を４０度以上１４０度以下の範囲内で設定する。なお、テーパ角度とは、テーパ部の内壁面により構成される部分円錐面の頂角を意味する。このテーパ角度を大きく取ることによって、ノズルの全長の増大を抑えることができる。

好ましくは、前記ノズル本体の出側流路の長さをその径の１．５倍以上とし、且つ前記ノズル本体の入側流路の長さをその径の５倍以上とする。

好ましくは、前記流入孔を、フィルタ管の外周面に周方向及び軸方向に並べることにより、格子状または千鳥状に配置する。

本発明の流体噴射ノズルは、流体供給管に対して、流体供給管の内部の流路内に前記フィルタ管が突き出される状態で取り付けられる。好ましくは、その流路内に突き出される部分の長さを２０ｍｍ以上とする。

本発明の流体噴射ノズルによれば、詰まりが生じにくく、圧力損失が小さく、且つ設計の自由度の高い流体噴射ノズルを実現することができる。

以下、本発明の流体噴射ノズルについて、図面を用いて詳細に説明する。

図１に、本発明に基づく流体噴射ノズル１の一例を示す。図中、２はノズル本体、３はフィルタ管、８は入側流路、６は出側流路、７はテーパ部、４は流入孔である。

ノズル本体２の内部には、出側から順に、出口孔５、出側流路６、テーパ部７、及び入側流路８が形成されている。ノズル本体２の後端（流入側）にはフィルタ管３が接続されている。ノズル本体２の後端部近傍の外周にはネジが加工され（この部分を取付ネジ部９と呼ぶ）、このネジを介して流体噴射ノズル１が流体供給管（後述）に取り付けられる。

出側流路６の内径ｄ_１の寸法は、出口孔５と同一である。なお、噴射される流体の直進性を確保するため、出側流路６は内径が一定に形成されている。入側流路８の内径ｄ_２は、出側流路６の内径ｄ_１よりも大きい。入側流路８を出側流路６につなぐテーパ部７は、頂角θの部分円錐面により構成され、後方に向かって径が拡大している。フィルタ管３の内径ｄ_３は、入側流路８の内径ｄ_２に等しい。

ここで、ノズル本体２の出側流路の断面積Ｓ_１と入側流路８の断面積Ｓ_２については、次の関係を満たすように設定する：
Ｓ_２／Ｓ_１≧２
フィルタ管３は円筒管で、その側壁面に円形（楕円形または矩形であっても良い）の流入孔４が複数個、設けられている。これらの流入孔４の径ｄ_４（但し、流入孔４の形状が楕円形の場合にはその短径、矩形の場合には短辺の長さを取る）、及び流入孔４の径ｄ_４とノズルの出側流路の径ｄ_１の関係を、次の関係を満たすように設定する：
ｄ_４≧１ｍｍ
ｄ_４／ｄ_１≦１
更に、流入孔４の総開口面積Ｓ_５と、フィルタ管３内の流路の面積Ｓ_３の関係を、次の関係を満たすように設定する：
Ｓ_５／Ｓ_３≧２
これにより、上記のＳ_５がノズルの実質的な流入開口の面積となる。

図２に、上記の流体噴射ノズル１を流体供給管１１に取り付けた状態を示す。流体供給管１１の壁面には、流体噴射ノズル１を取り付けるためのネジ孔が設けられている。これに対応して、ノズル本体２の後端部近傍の外周には、前述のように、ネジが加工されている。流体噴射ノズル１は、このネジを介して流体供給管１１に固定される。流体噴射ノズル１を流体供給管１１に取り付けたとき、図に示されているように、フィルタ管３（長さＬ_３）が流体供給管１１の内部の流路内に突出する。

図３に、フィルタ管３の例を示す。各流入孔の開口径ｄ_４は、いわゆる「フィルタの目」あるいは「メッシュ」に相当する。従来、鋼材の圧延プロセスなどで使用されているノズルフィルタは、その開口サイズが非常に細かく、詰まり易いために、メンテナンスサイクルが短く、あるいは、頻繁にメンテナンスできないから撤去される場合もあった。そして、ノズルの閉塞による冷却不均一や、異物の飛び込みによる製品表面欠陥の発生といった問題に発展する場合があった。そこで、本発明の流体噴射ノズル１では、前述のように、流入孔４の径ｄ_４を１ｍｍ以上とする。また、流入孔４の径ｄ_４は出側流路の径ｄ_１よりも小さいか、最大でも出口径ｄ_１と同じでなければ、フィルタとして機能しない。従って、ｄ_４／ｄ_１≦１とする。

なお、ノズルに至る配管中のストレーナのメッシュサイズやノズル使用環境によって、フィルタが詰まりやすい場合には、ｄ_４／ｄ_１≧０．５の範囲まで、開口径を大きくすることが望ましい。

図４に、図１に示した流体噴射ノズルにおいて、出側流路６の断面積Ｓ_１に対する入側流路８の断面積Ｓ_２の比（Ｓ_２／Ｓ_１：以下、縮流比と呼ぶ）と、ノズルの損失係数λの関係を示す。ここで、ノズルの損失係数λとは、ノズルを組み付ける流体供給管内圧力と、ノズル出口速度から算出される流体の動圧との関係により、次式によって定義される値である。

但し、Ｐ_０：流体供給管内圧力
Ｖ_１：ノズル出口平均速度
ｇ ：重力加速度
図４において、ノズルの損失係数の値は、縮流比２の付近から減少し始め、縮流比３を越えたところで最小値に近付き、そのまま収束する。即ち、ノズルの圧力損失の低減効果は、縮流比が２以上の範囲で得られるが、３を超えると収束してほとんど変化しない。従って、縮流比を３程度に設定することが望ましい。縮流比を３とすることによって、フィルタ管の部分を流体供給管の内部流路内に突出させた状態で、流体噴射ノズルを流体供給管に取り付けても、縮流比１（入側から出側にかけて縮流させていないストレートなノズル）の場合と比較して、ノズルの圧力損失を約７０％低減させることができる。（ただし、後述のフィルタ管流入面積Ｓ_５については最適化してある。）
図５に、フィルタの流入面積とノズルの損失係数の関係について調べた結果を示す。ここで、フィルタの流入面積Ｓ_５とは、フィルタ管の側壁面（但し、流入孔が後端面にも設けられる場合には、フィルタ管の側壁面及び後端面）に設けられた流入孔の開口面積の総和である。

図１に示した流体噴射ノズルを用いて、フィルタ管３の流入孔４（円形開口）の大きさや数を種々変化させ、あるいは、流入孔４を部分的に塞ぐことによって、フィルタ管内の流路の断面積Ｓ_３に対するフィルタの流入面積Ｓ _５ の比を変化させ、ノズルの損失係数に対する上記の面積比（Ｓ_５／Ｓ_３）の影響を調べた。ただし、ノズル損失係数の値は、上記の通り、縮流比によって大幅に変化するので、縮流比の影響を排除するため、図４中の縮流比１、１．９、２．８の各ノズルについて、フィルタ面積比（Ｓ_５／Ｓ_３）が最大である試作フィルタを装着した状態でのノズル損失係数（λ_∞）が１となるように相対値に換算して図示されている。

図５から、フィルタ流入面積は、フィルタ管内流路面積の２倍以上であれば、ノズル損失係数がほぼ下限値に到達する。従って、本発明の流体噴射ノズルでは、上記の面積比（Ｓ５／Ｓ３）を２以上とした。

円管ノズルから吐出された冷却水の直進性が確保されるように、管内の流れを十分に発達させるためには、一般的に、ノズルの流路長を流路径の５倍以上とすることが必要とされている。一方、管摩擦損失は流路長の長さに比例して増大する。

ここで、管摩擦損失は、次に示すダルシー・ワイスバッハの式（２）で表すことができる：

但し、Δｈ：管摩擦損失
λ_f ：管摩擦係数
Ｌ ：流路長
ｄ ：流路径
Ｖ ：流路内平均速度
ｇ ：重力加速度
この式で、管摩擦係数λ_f の値を一定と仮定すると、本発明の流体噴射ノズルにおいては、上記のように入側流路の径ｄ_２を出側流路の径ｄ_１よりも大きく設定しているため、その面積比に応じて入側の平均速度Ｖ_２が出側の平均速度Ｖ_１より小さくなる。すると、この式より、Ｌ／ｄが同程度であれば、入側の管摩擦損失Δｈ_２が出側の管摩擦損失Δｈ_１に対して十分小さくなることが分かる。よって、流体の直進性を確保するために、入側流路の長さＬ_２をその径ｄ_２に対して５倍以上に設定しなければならない。

一方、管摩擦損失を考慮すれば、Ｌ_２／ｄ_２の値を２０以下に抑えることが望ましい。出側流路では流速が速くなるので、できるだけ、Ｌ_１を短くしなければならない。出側流路は、上流に入側流路及び整流効果をもつテーパ部を備えるため、Ｌ_１／ｄ_１≦５としても冷却水の直線性を維持することが可能である。

表１に、入側流路の長さＬ_２とテーパ角を一定にした場合の、出側流路の長さＬ_１と冷却水の直進性に関する調査結果を示す。表中のαは、図６に示す噴射の広がり角度である。この結果より、本発明の流体噴射ノズルにおいて、好ましくは、出側流路の長さＬ_１をその径の１．５倍以上とする。なお、管摩擦損失を考慮して、好ましくは、Ｌ_１／ｄ_１≦１０とする。

ノズル本体２について、テーパ角度θとテーパ部の軸方向長さＬ_４の関係は、次式で表すことができる：

この式により得られる、θとＬ_４の関係を表２に示す。テーパ角度θを大きくすることによりＬ_４を短く抑えることができる。

一方、テーパ部の圧力損失は、１０≦θ≦１４０の範囲ではほとんど変わらないことが一般に知られている。設計上、テーパ部の長さＬ_４をノズル出口の径ｄ_１以下とすれば、テーパ長さＬ_４をほとんど考慮しないでノズルを設計することができ、ノズルの全長に制限がある場合にも問題にならない。具体的には、テーパ部の長さＬ_４をノズル出口の径ｄ_１以下とするために、テーパ角度θを４０〜１４０度と設定する。一般的に、テーパ角度θが小さくなるほど流体の整流効果は増加するので、好ましくは、テーパ角度θを４０〜７０度の範囲内に収める。

本発明の流体噴射ノズルは、先に図２に示したように、フィルタ管３部分を流体供給管１１内に突き出すようにして取り付けられる。フィルタ管３が流体供給管１１内に突出することで、ノズルの圧力損失は増大する。しかし、壁面近傍には流体の流速が下がることにより剥離したスケール等の異物が集まっており、これらによる詰まりを防止する効果がある。そのためには、フィルタ管３の長さは５ｍｍ以上なければならない。更に、本発明のフィルタ管の構造上、壁から５ｍｍ以上離れた位置に流入孔を所定の面積で備えるために、フィルタ管３の長さは２０ｍｍ以上に設定される。流体噴射ノズルを使用中に、壁近傍のフィルタが詰まりやすいことを考慮すれば、フィルタの流入孔の面積を、好ましくは、Ｓ_５／Ｓ_３≧３と設計する。

本発明の流体噴射ノズルによれば、ノズル設計の際、噴射させたい流速及び流量を設定すれば、ノズル出口径、ノズル入口側内径、フィルタ開口断面積を簡単に計算することができ、低圧損型の流体噴射ノズルを容易に設計することができる。

（実施例）
本発明に基づく流体噴射ノズルを製作し、その性能について調べた。

熱延鋼帯の仕上圧延機の後側において、熱延鋼帯上面に冷却水を噴射する複数の上部ヘッダ、及びこれに対向して下面側に配置され熱延鋼帯下面に冷却水を噴射する複数の下部ヘッダに、それぞれ、流体噴射ノズルを取り付けた。これによって、流体噴射ノズルを圧延ライン幅方向及び長手方向に等間隔に配置した。

表３に、使用した流体噴射ノズルの設計諸元及びその使用結果を示す。また、この表に、比較例として用いた３種類の流体噴射ノズルについても、その設計諸元及び使用結果を示した。

なお、この表の中で、ノズル損失係数は、ノズルヘッダ内の圧力を設計最大値（０．２ＭＰａ）に設定したときの噴射水量に基づいて算出された値である。従って、この値は、ノズル詰まり発生前の値である。また、ノズル長さは、設置位置の関係から最適範囲で全て同サイズに設定されている。

表３より、本発明に基づく流体噴射ノズル（実施例１）は、損失係数が小さく、メンテナンスサイクルが長いことが分かる。実施例１の流体噴射ノズルと比べて縮流比の小さい比較例１では、メンテナンスサイクルが同等であることから、ノズル詰まりは少ないものの、損失係数が３倍強と大きい。このため、投入水量を増加させると実績水量が設定水量に達しない問題があった。比較例２では、フィルタ管長さＬ_３を短くしたために、剥離したスケール等の異物によるフィルタ詰まりが早かった。比較例３では、圧力損失は小さいものの、開口径ｄ _４ が小さいため、フィルタの詰まりが発生しやすく、長期間の使用が不可能であった。

次に、本発明の流体噴射ノズルの冷却に対する効果について調べた。ノズルは、上記実施例１の流体噴射ノズルおよび比較例として多孔板ノズル（比較例４）を用いて、鋼板の冷却実験を行った。本発明の例として、実施例１の流体噴射ノズルを、図７に示す通り、矩形断面をもつ中空ヘッダーの一面に高密度かつ規則的に配置し、流体噴射ノズルが設置された側の面を、鋼板の上下に、鋼板と平行に設置して、鋼板面へ冷却水を供給した。一方、比較例の多孔板ノズルは、図８に示すような矩形断面をもつ中空ヘッダーの一面に、多数の穴が上記流体噴射ノズルと同様の配置で開いており、穴の開いた側の面を、鋼板上下に、鋼板に平行に設置して、鋼板面へ冷却水を供給するノズルである。

図１０に示すように、下面側の冷却水ヘッダーは搬送ロール間に設置され、上面側の冷却水ヘッダーは水切り機能を有する水切りロール間に設置され、上記冷却区域を鋼板の長手方向に連続的に設置する。上記構成であるために、特に下面側のノズルでは、噴射した冷却水がヘッダーの上部に溜まってしまう。

本発明例と比較例について、ノズル出口から鋼板の距離（５０ｍｍ）、冷却される鋼板板厚（３．０ｍｍ）、冷却水水量密度（８０００Ｌ／ｍｉｎ．ｍ^２）、搬送速度（１０ｍ／ｓ）、冷却長（１５ｍ）、冷却開始温度（８００℃）は同条件とした。図９には上記条件で冷却したときの、冷却速度Ｖｃを示す。ここで、冷却速度Ｖｃは次式で定義される。

本発明の流体噴射ノズルを使用すると、多孔板ノズルの場合よりも３割冷却速度が向上した。このメカニズムについて、図１０に示しながら説明する。本発明の流体噴射ノズル１の場合、水流の直進性が増強されるために、冷却水溜まりがあっても、鋼板搬送速度に対して相対速度２倍程度の冷却水流速を減衰させることなく供給することができ、鋼板に均一に強冷却を施すことが可能である。また下面側は、ノズル長さの分、使用後の冷却水溜まりの影響を回避することができる点で有利である。一方、多孔板ノズルの場合は、ノズルから噴射された直後から水流が広がると共に、溜まり水の影響で冷却水の流速が急激に低下してしまい、冷却能力が低下する。特に下面側の流速低下が大きいため、上下同一水量密度では、上下冷却能力バランスの変化が大きく、鋼板の歪みを生じる原因となる。

本発明の流体噴射ノズルは、上記の例に示された構造に限定されず、種々の変形を加えて実施することが可能である。

例えば、上記の例では、ノズル本体２とフィルタ管３は一体的に形成されているが、それらを各々に分離できる構造を採用しても良い。但し、ノズル本体の入側流路８の内径ｄ_２とフィルタ管２の内径ｄ_３は、一致していなくてはならない。接合部に段差があって、急拡大あるいは急縮小管になると、余計な圧力損失が発生してしまうからである。

また、フィルタ管３に設けられる流入孔４の形状や寸法は、全て等しくなくとも良い。例えば、側壁面に設けられる流入孔を全て同径、同サイズとし、後端面に設けられる流入孔の開口径を、本発明に基づく出口流路径との関係及び流入孔の開口面積の総和に関する条件を満たす範囲で、他の流入孔より大きくしてもよい。

また、本発明の流体噴射ノズルは、鋼材の冷却のみならず、鋼材のスケール除去、船体の錆や塗料落とし、あるいは、各種洗浄用のノズルとして用いることができる。また、噴射される流体も、水のみではなく、他の流体あるいは固体・気体との混相液体であってもよい。

本発明の流体噴射ノズルの概略を示す断面図。 本発明の流体噴射ノズルを流体供給管に組み付けた状態を示す図。 本発明の流体噴射ノズルのフィルタ管の概略を示す図。 ノズルの入側流路面積と出側流路面積の比（縮流比）とノズル損失係数との関係を示す図。 フィルタ管の流入総面積とノズル損失係数との関係を示す図。 ノズル出口の噴射広がり角度を示す図。 実施例１の流体噴射ノズルを用いた冷却装置の一部を示す図。 比較例３の多孔板ノズルの一部を示す図。 本発明の流体噴射ノズル及び多孔板ノズルを用いて鋼板を冷却した場合の冷却速度を比較した図。 本発明の流体噴射ノズル及び多孔板ノズルを用いて鋼板を冷却するときの水流を説明した図。

符号の説明

１・・・流体噴射ノズル、２・・・ノズル本体、３・・・フィルタ管、４・・・流入孔、５・・・出口孔、６・・・出側流路、７・・・テーパ部、８・・・入側流路、９・・・取付ネジ部、１０・・・フィルタ管内流路、１１・・・流体供給管、１２・・・冷却水ヘッダ、１３・・・搬送ロール、１４・・・水切りロール、１５・・・鋼板、１６・・・多孔板ノズルヘッダ。

Claims (6)

1. 円筒状のノズル本体と、その入側に接続された円筒状のフィルタ管とを備えた流体噴射ノズルであって、
   前記ノズル本体は、その内部に形成された流路が、入側流路、出側流路、及び入側流路と出側流路の間を結ぶテーパ部により構成され、
   前記出側流路の断面積は、前記入側流路の断面積の５０％以下であり、
   前記フィルタ管は、その内径が前記入側流路と同じであり、その側壁またはその側壁及び後端面に複数の流入孔が形成され、
   前記各流入孔の開口径は、１ｍｍ以上であって、且つ前記出側流路の径以下の寸法であり、
   前記複数の流入孔の開口面積の総和は、前記フィルタ管の内部流路の断面積の２倍以上である、
   ことを特徴とする流体噴射ノズル。
2. 前記テーパ部のテーパ角度が４０度以上１４０度以下であることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射ノズル。
3. 前記出側流路の長さがその径の１．５倍以上であり、且つ前記入側流路の長さがその径の５倍以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の流体噴射ノズル。
4. 前記流入孔が、前記フィルタ管の外周面に周方向及び軸方向に並べられ、格子状または千鳥状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の流体噴射ノズル。
5. 前記流体噴射ノズルを流体供給管に取り付ける際、流体供給管の内部の流路内に前記フィルタ管が突き出される状態で取り付けられ、その流路内に突き出される部分の長さが２０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の流体噴射ノズル。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の流体噴射ノズルを、流体供給管に組み付け、熱間圧延工程中の鋼材に対して冷却媒体を噴射することを特徴とする鋼材の冷却方法。

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