JP4607951B2 - 表面が艶消し仕上げされたオーステナイト系ステンレス帯鋼の製造方法 - Google Patents

表面が艶消し仕上げされたオーステナイト系ステンレス帯鋼の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、非光沢の表面外観を有するオーステナイト系ステンレス帯鋼を連続的に製造するための焼きなまし/酸洗い式のプロセスに関する。
加えられる最終的な熱処理の種類に依存し、オーステナイト系ステンレス帯鋼には、当該帯鋼に予定されている用途に応じて、光沢のある表面外観または非光沢の表面外観のいずれかが与えられる。本発明の目的において、用語「光沢のある表面外観」とは、40を超える輝度、および0.08μm未満の算術平均粗さRaを有する表面を意味するものと理解され、用語「非光沢の表面外観」とは、30未満の輝度および0.12μmを超える算術平均粗さRaを有する表面を意味するものと理解される。本発明によれば、輝度が表面の反射率に相当し、60°の角度で測定される。
光沢のある表面外観を得るためには、オーステナイト系ステンレス帯鋼に、還元性雰囲気が存在する光輝焼きなまし炉において熱処理が加えられる。この目的のため、帯鋼が、外部の雰囲気から完全に遮断された気密室で構成され、不活性ガスまたは還元性ガスが循環する3つの領域、すなわち加熱第1領域、均熱第2領域、および冷却第3領域を有している炉を通過して走間する。このガスは、例えばアルゴン、水素、窒素、または水素/窒素混合物から選択でき、−65〜−45℃の露点を有している。冷間圧延を受けた後、帯鋼が、炉の第1領域にて1050〜1150℃の温度まで加熱される。次いで、鋼が再結晶できるよう十分長い時間にわたって、炉の第2領域においてこの温度に維持される。最後に、炉の気密室から出たときに帯鋼の表面が空気中の酸素によって再び酸化されることがないよう、炉の第3領域において約200℃の温度まで冷却される。
焼きなまし/酸洗い式の表面外観、すなわち非光沢の表面外観を有するオーステナイト系ステンレス帯鋼を得るためには、手順は以下のとおりである。前もって冷間圧延された帯鋼に、酸化雰囲気の炉において、約1100℃の温度で約1分間にわたって連続的な焼きなましを加える。次いで、焼きなましされた帯鋼を、炉外で空気による冷却にさらし、および/または水を噴霧することによって強制的に冷却する。最後に、焼きなましの際に帯鋼の表面に形成された酸化物層を除去することができる溶液を含むいくつかの酸洗いタンクにおいて、酸洗いが加えられる。
光輝焼きなましおよび焼きなまし/酸洗いの設備が専用であるため、非光沢の外観を有するオーステナイト系ステンレス帯鋼を求める顧客の要求に迅速に応えることは、常に可能ではない。結果として、光輝焼きなましされたオーステナイト系ステンレス帯鋼の製造能力が過剰になることがある。
したがって、本発明の目的は、光輝焼きなまし炉において熱処理を受けたオーステナイト系ステンレス帯鋼に非光沢の表面外観を与えることができる、焼きなまし/酸洗い式のプロセスを提供することにある。
この目的のため、本発明の主題は、非光沢の表面外観を有するオーステナイト系ステンレス帯鋼を連続的に製造するための焼きなまし/酸洗い式のプロセスであって、
・冷間圧延されたオーステナイト系ステンレス帯鋼に、不活性ガスまたは還元性ガスから選択され、−15℃よりも高い露点を有しており、場合によっては1容積%未満の酸素または1容積%未満の空気を含むフラッシングガスを内部に循環させてなる光輝焼きなまし炉内で、加熱速度V1での加熱段階と、温度Tでの均熱時間Mにわたる均熱段階とを含んでおり、冷却速度V2での冷却段階が後続する熱処理を加え、酸化物層で覆われた帯鋼を得るステップと、
・上記熱処理を加えた帯鋼を、上記酸化物層をその厚さおよび性質に応じて完全に除去するために適した酸洗い溶液を使用して、酸洗いするステップと、
を含む、プロセスである。
この本発明によるプロセスを実現する前に、本発明者らは、光輝焼きなましを加えたオーステナイト系ステンレス帯鋼に、焼きなまし/酸洗い式の非光沢の表面外観を与えるため、酸洗いを加えることを考えた。しかしながら、本発明者らは、このやり方を進めても、視覚的に満足できる表面外観を得ることができないことを理解した。
そこで、本発明者らは、本発明による条件を適用することによってのみ、すなわち帯鋼の表面に酸化物層を形成すべく、−15℃を超える露点の光輝焼きなまし炉の気密室の中に維持し、続いて適切な酸洗い溶液にて酸洗いを行なうことによってのみ、帯鋼に焼きなまし/酸洗い式の非光沢の表面外観を与えることができることを実証した。
本発明によるプロセスは、さらに以下の特徴を有してもよい。
・フラッシングガスの露点が、−10〜30℃であり、好ましくは、−5〜10℃である。
・フラッシングガスが、アルゴン、水素、窒素、およびこれらの混合物から選択される。
・帯鋼の熱処理が、10℃/秒よりも大きい速度V1、1050〜1150℃の均熱温度T、および1秒〜120秒の均熱時間Mで実行され、この帯鋼が、10℃/秒よりも大きい速度V2で200℃以下の温度まで冷却される。
・熱処理が、抵抗加熱装置を使用して実行され、好ましくは誘導加熱装置を使用して実行される。
・酸洗い溶液が、硝酸、フッ酸、および/または硫酸を含む水溶液から選択され、好ましくは、フッ酸および硝酸を含む水溶液、ならびにフッ酸および鉄イオンFe3+を含む水溶液から選択される。
・酸洗い溶液が、10〜80g/l、好ましくは30〜50g/lのフッ酸と、60〜140g/l、好ましくは80〜120g/lの硝酸とを含む水溶液である。
・酸洗い溶液が、5〜100g/l、好ましくは30〜80g/lのフッ酸と、1〜150g/l、好ましくは30〜50g/lの鉄イオンとを含む水溶液である。
・帯鋼に、酸洗い溶液が噴霧され、あるいは帯鋼が、上記酸洗い溶液を含む酸洗い槽に浸漬される。
・酸洗い溶液の温度が、20〜100℃であり、好ましくは50〜80℃である。
・帯鋼が酸洗い溶液に接している時間が、10秒〜2分間である。
本発明の特徴および利点は、本発明の実行に適していると考えられる設備の概略図を示している添付の図1を参照しつつ、あくまで本発明を限定するものではない例として提示される以下の説明を通じて、よりはっきりと明らかになるであろう。
この設備は、オーステナイト系ステンレス帯鋼3が通過して走間する気密室2と、気密室2へとフラッシングガスを導入するための手段4と、フラッシングガスの露点を調節するための手段5とを有する、光輝焼きなまし炉1を備える。この設備は、光輝焼きなまし炉1の後に、酸洗い溶液を収容した少なくとも1つの耐酸性の酸洗いタンク7を有する酸洗いユニット6を含む。
気密室2は、矢印Fによって示されている帯鋼3の走間方向に、連続する3つの領域、すなわち加熱第1領域、均熱第2領域、および冷却第3領域を有している。加熱第1領域には、帯鋼3を加熱速度V1で温度T1まで迅速に加熱することができる強力な加熱手段(図示せず)が備えられている。帯鋼3は、第2領域において均熱時間Mにわたってこの温度T1に維持され、次いで第3領域において、速度V2で温度T2まで冷却される。
本発明によれば、オーステナイト系ステンレス帯鋼3に非光沢の表面外観を与えるため、−15℃を超える露点を有するフラッシングガスが循環している炉1の気密室2の中で帯鋼3に対して熱処理を行ない、酸化物層で覆われた帯鋼3を得て、この熱処理済みの帯鋼3を酸洗い溶液を使用して酸洗いすることが必要である。酸洗い溶液は、酸化物層の厚さおよび性質に応じて、この酸化物層を完全に除去するために適したものである。
典型的には、酸洗い溶液は、0〜4のpHを有する。
「−15℃を超える露点を有するガス」という表現は、含水量が水2000ppmよりも大であるガスを意味するものと理解される。
フラッシングガスは、例えばアルゴン、水素、窒素、およびこれらの混合物などの不活性ガスまたは還元性ガスから選択され、さらに1容積%未満の酸素または1容積%未満の空気を含んでもよい。
この目的のため、帯鋼3は、10℃/秒を超える加熱速度V1、1050〜1150℃の均熱温度T1、および1秒〜120秒の均熱時間にて行なわれる再結晶焼きなまし操作からなる熱処理にさらされ、その後に10℃/秒を超える速度V2で200℃以下の温度T2まで強制冷却される。
帯鋼3を本発明による条件下で処理することによって、すなわち−15℃を超える露点を有することで、気密室2内を循環するフラッシングガスが、帯鋼3の表面に薄い酸化物層を形成するために十分に酸化性である。この薄い酸化物層は、その性質および厚さは気密室2内の雰囲気に応じて変化するが、0〜4のpHを有する酸洗い溶液を使用して取り除くことが可能である。
フラッシングガスの酸化力を調節するため、フラッシングガス中に存在する水の量が変更される。
好ましくは、十分に厚い酸化物層を形成するために、露点は−10℃よりも高いが、酸化物層の厚さを抑制するために、30℃未満である。酸化物層の厚さを抑制することで、酸化によって消費される金属の量だけでなく、帯鋼3の表面を正しく酸洗いするために必要な酸性溶液の量も抑制することができ、過剰な廃液の再処理を回避することができる。
有利には、露点は−5〜10℃である。
さらに、少なくとも1容積%の酸素または空気をフラッシングガスへと加えることで、フラッシングガスの酸化力を調節することが可能である。しかしながら、1容積%を超えると、フラッシングガスが酸化性になりすぎ、帯鋼の表面に形成される酸化物層の厚さが大きくなりすぎる。さらには、この値を超えると、気密室2内での爆発の恐れが非常に大きくなる。
帯鋼3の再結晶焼きなましは、抵抗加熱装置によって実行され、あるいは好ましくは誘導加熱装置によって実行される。
これは、帯鋼3の誘導加熱が、以下の理由で有利であるためである。第1に、帯鋼3の処理時間が、抵抗加熱を使用する処理時間に比べてきわめて短い。第2に、誘導加熱によって帯鋼を処理するための処理炉の気密室2は、その容積が、抵抗加熱のための処理炉の気密室2に比べてはるかに小さく、したがってこの気密室2内の雰囲気を、産業上の要件に従ってはるかに短い時間で変更することができる。
帯鋼3の強制冷却は、室温〜40℃の温度を有するガスを吹き込むことによって行なわれる。炉1の気密室2内に含まれているガスが冷却手段(図示せず)によって冷却され、次いで気密室2の冷却領域へと再び吹き込まれる。
光輝焼きなまし炉において本発明に従って処理された帯鋼3に非光沢の表面外観を与えるため、帯鋼3上に形成された酸化物を完全に除去するために適した酸洗い溶液を使用して、酸洗いが行なわれる。酸洗い溶液は、熱処理の際に形成された酸化物の性質および厚さに合わせ、調節される。一般に、酸洗い溶液は、0〜4のpHを有している。
酸洗い溶液は、硝酸、フッ酸、および/または硫酸を含む水溶液から選択される。
好ましい酸洗い溶液は、硝酸を含む水溶液、フッ酸および硝酸を含む水溶液、ならびにフッ酸および鉄イオンFe3+を含む水溶液である。
酸洗い溶液は、5〜100g/l、好ましくは30〜80g/lのフッ酸と、1〜150g/l、好ましくは30〜50g/lの鉄イオンとを含む水溶液であってよい。
フッ酸が5g/l未満であり、かつ鉄イオンが1g/l未満であると、溶液による酸洗い、さらに詳しくは鋼の表面の粒界のエッチングが不十分になり、光沢のない表面外観が得られない。しかしながら、フッ酸の濃度が100g/lを超え、鉄イオンの濃度が150g/lを超えると、酸洗いが強くなりすぎ、結果として帯鋼3の表面から鋼が過剰に取り除かれ、処理しなければならない使用済み溶液の量が多くなる。
本発明者らは、10〜80g/l、好ましくは30〜50g/lのフッ酸と、60〜140g/l、好ましくは80〜120g/lの硝酸とを含む水溶液を酸洗い溶液として使用することで、最良の結果が得られることを明らかにした。
フッ酸が10g/l未満でありかつ硝酸が60g/l未満であると、溶液による酸洗い、さらに詳しくは鋼の表面の粒界のエッチングが不十分になり、光沢のない表面外観が得られない。しかしながら、フッ酸の濃度が80g/lを超え、硝酸の濃度が140g/lを超えると、酸洗いが強くなりすぎ、結果として帯鋼3の表面から鋼が過剰に取り除かれ、再処理しなければならない使用済み溶液の量が多くなる。
帯鋼3を酸洗いするため、酸洗い溶液と帯鋼3とが接する接触時間が確実に10秒〜2分間になるように考慮しつつ、帯鋼3が酸洗い溶液を含む酸洗い槽へと浸漬され、あるいは帯鋼3に酸洗い溶液が噴霧される。
酸洗い溶液と帯鋼3とが接する接触時間が10秒未満である場合、粒界のエッチングが不十分であり、光沢のない外観が得られない。しかしながら、酸洗い溶液と帯鋼3とが接する接触時間が2分間を超えると、酸洗いが強くなり、帯鋼3の過剰な溶解の恐れが存在する。
酸洗い溶液の温度は、20〜100℃、好ましくは50〜80℃である。これは、酸洗い溶液の温度が20℃未満であると、帯鋼3について産業上の要件に従わない処理時間、すなわち約2分間を超える時間が必要になるためである。しかしながら、高すぎる温度、すなわち100℃を超える温度は、溶液の気化を促進し、やはり安全上の問題を引き起こす。
帯鋼3を効率的に酸洗いするため、帯鋼3を、硝酸または硫酸含有の溶液を含む電解酸洗い槽へと浸漬することも可能である。この目的のため、加えられる電流密度は、5A/dmよりも大であるべきであるが、好ましくは30A/dm未満であるべきである。これは、電流密度が5A/dm未満である場合には、溶液による鋼の表面の酸洗いが不十分であり、光沢のない表面外観が得られないためである。しかしながら、電流密度が30A/dmを超えると、酸洗いを経済的に行なうことができない。
以下で、本発明を、添付の図面を参照しつつ、いくつかの実施例を提示して説明するが、本発明がこれらの実施例に限られるわけではない。
すべての試験は、AISI304等級のオーステナイト系ステンレス鋼から製造した0.5mm厚の帯鋼を使用して実行した。
1−従来の光輝焼きなましによって得られた表面外観と、従来の焼きなまし/酸洗いによる表面外観との間の比較
まず、表面の基準を得るため、従来の光輝焼きなまし式の表面外観を有する帯鋼、および従来の焼きなまし/酸洗い式の表面外観、すなわち非光沢の表面外観を有する別の帯鋼について、特徴を分析した。
この目的のため、従来の光輝焼きなまし式の表面外観を得るため、前もって冷間圧延された該当の帯鋼に、25容積%の窒素および75容積%の水素からなり、−50℃の露点を有している混合物を内部に循環させてなる光輝焼きなまし炉の気密室の中で、熱処理を加える。帯鋼を、10℃/秒の加熱速度で加熱して、1100℃の温度に至らしめ、約6秒にわたってこの温度に維持した後、20℃/秒の速度で室温まで冷却する。
焼きなまし/酸洗いのプロセスを使用して光沢のない表面外観を得るため、前もって冷間圧延された帯鋼を、外部の雰囲気から遮断されていない炉において、10℃の加熱速度で加熱して、1100℃の温度に至らしめる。この帯鋼を、約5秒にわたってこの温度に維持し、次いで空気による冷却と引き続く水による冷却によって、20℃/秒の速度で室温まで冷却する。最後に、いくつかの電解酸洗い槽へと浸漬させ、次いでフッ酸主体の槽へと浸漬させることによって、帯鋼を酸洗いする。
処理を行なった帯鋼のそれぞれについて、Brによって示される長さ方向の輝度およびBrによって示される横断方向の輝度を、測定した。輝度は、60°の角度における表面反射率の測定であり、さらに以下の種々の粗さの指標である。
・最大粗さR:最も高い山と最も低い谷との間の高さの差。
・粗さR:粗さ輪郭の最大の突き出し高さ。
・算術平均粗さR:基準長さについて、平均線に対する粗さ輪郭のすべての偏差の平均。
光輝焼きなまし帯鋼および焼きなまし/酸洗い帯鋼について行なった、輝度および粗さ測定の結果を、以下の表1に示す。
Figure 0004607951
2−従来の光輝焼きなましを加えた帯鋼の化学酸洗い
第2に、光輝焼きなましを行なった帯鋼を酸洗いしても、所望の非光沢の表面外観をもたらすことができないことを示すため、本発明者らは、上述のとおり従来の光輝焼きなましを加えた帯鋼から得た試料を、以下の特徴を有する酸洗い槽のうちの1つへと浸漬させた。
・槽A:40g/lのフッ酸および100g/lの硝酸を含み、pHが1である水溶液。
・槽A’:40g/lのフッ酸および150g/lの硝酸を含み、pHが0.7である水溶液。
・槽B:40g/lのフッ酸および30g/lの鉄イオンを含み、pHが3.4である水溶液。
すべての槽は、一定の温度65℃とした。
酸洗いを行なった後、試料を洗浄し、次いで乾燥させた。それぞれの試料の表面の輝度を測定した結果を、以下の表2に示す。
Figure 0004607951
この表は、検討した酸洗い溶液のいずれもが、光輝焼きなまし炉において従来の焼きなまし操作を加えたオーステナイト系ステンレス鋼について、酸洗いによって非光沢の表面外観を与えることができないことを示している。
3−本発明による熱処理を加えた帯鋼の化学酸洗い
第3に、光輝焼きなまし炉において本発明による熱処理を加えたAISI340等級のオーステナイト系ステンレス帯鋼から得た試料を、酸洗いした。
この目的のため、75容積%の水素および25容積%の窒素からなる混合物を内部に循環させてなる光輝焼きなまし炉の気密室の中で、一連の試料に熱処理を加えた。処理の特徴は、以下のとおりである。
・加熱速度V1:10℃/秒
・均熱温度T:1100℃
・均熱時間M:6秒
・室温への冷却速度:20℃/秒
この混合物の露点は、−20℃、−10℃、−5℃、および+4℃とした。
次いで、一連の試料のそれぞれに、それらを酸洗い槽Aに16秒にわたって浸漬させ、あるいは酸洗い槽Bに90秒にわたって浸漬させることによって、酸洗い操作を加えた。
どちらの槽も、一定の温度65℃とした。
酸洗いを行なった後、試料を洗浄し、次いで乾燥させ、このように処理した試料のそれぞれについて、長さ方向の輝度、横断方向の輝度、最大粗さ、粗さR、および算術平均粗さを測定した。以下の表が、行なったすべての測定を、処理時に炉の気密室のフラッシングに使用したガスの露点の関数として示している。
Figure 0004607951
Figure 0004607951
Figure 0004607951
Figure 0004607951
項目2および3に含まれている結果から、オーステナイト系ステンレス帯鋼を酸洗い溶液によって酸洗いしても、標準的な条件のもとで光輝焼きなまし炉において熱処理が加えられた帯鋼に対しては、非光沢の表面外観が与えられないことが明白である。これは、本発明による条件を適用することによってのみ、すなわち−15℃を超える露点を有する光輝焼きなまし炉の気密室の中に維持した後に、0〜4のpHを有する酸洗い溶液にて酸洗いをすることによってのみ、帯鋼に焼きなまし/酸洗い式の非光沢の表面外観を与えることができるためである。
本発明の実行に適していると考えられる設備の概略図である。 従来の光輝焼きなまし操作を加えたオーステナイト系ステンレス帯鋼の表面の写真である。 焼きなまし/酸洗いの形式の従来の処理を加えたオーステナイト系ステンレス帯鋼の表面の写真である。 −5℃の露点で本発明による熱処理を加え、引き続いてそれぞれ硝酸/フッ酸水溶液(槽A)またはフッ酸/鉄イオン水溶液(槽B)において本発明による酸洗いを加えた、オーステナイト系ステンレス帯鋼の写真である。 −5℃の露点で本発明による熱処理を加え、引き続いてそれぞれ硝酸/フッ酸水溶液(槽A)またはフッ酸/鉄イオン水溶液(槽B)において本発明による酸洗いを加えた、オーステナイト系ステンレス帯鋼の写真である。

Claims (19)

  1. 30未満の輝度および0.12μmを超える算術平均粗さRaを有する非光沢の表面外観を有するオーステナイト系ステンレス帯鋼(3)を、連続的に製造するための焼きなまし/酸洗い式のプロセスであって、前記輝度は、入射光の方向と比べて60°の角度で測定される、表面によって反射される入射光の割合であり、前記輝度は、入射光と比べて反射された光の百分率で表現され、前記プロセスが、
    冷間圧延されたオーステナイト系ステンレス帯鋼(3)に、不活性ガスまたは還元性ガスから選択され、−15℃よりも高い露点を有するフラッシングガスを内部に循環させてなる光輝焼きなまし炉(1)内で、加熱速度V1での加熱段階と、温度Tでの均熱時間Mにわたる均熱段階とを含んでおり、冷却速度V2での冷却段階が後続する熱処理を加え、酸化物層で覆われた帯鋼(3)を得るステップと、
    前記熱処理を加えた帯鋼(3)を、前記酸化物層をその厚さおよび性質に応じて完全に除去するために適した酸洗い溶液を使用して、酸洗いするステップと、
    を含む、プロセス。
  2. 前記フラッシングガスが、1容積%未満の酸素または1容積%未満の空気を含む、請求項1に記載のプロセス。
  3. 前記フラッシングガスの露点が、−10〜30℃であることを特徴とする、請求項1または2に記載のプロセス。
  4. 露点が、−5〜10℃であることを特徴とする、請求項に記載のプロセス。
  5. 前記フラッシングガスが、アルゴン、水素、窒素、およびこれらの混合物から選択されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のプロセス。
  6. 帯鋼(3)の熱処理が、10℃/秒よりも大きい速度V1、1050〜1150℃の均熱温度T、および1秒〜120秒の均熱時間Mで実行され、前記帯鋼(3)が、10℃/秒よりも大きい速度V2で200℃以下の温度まで冷却されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のプロセス。
  7. 帯鋼(3)の熱処理が、誘導加熱装置を使用して実行されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のプロセス。
  8. 帯鋼(3)の熱処理が、抵抗加熱装置を使用して実行されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のプロセス。
  9. 酸洗い溶液が、硝酸、フッ酸、および/または硫酸を含む水溶液から選択されることを特徴とする、請求項1からのいずれか一項に記載のプロセス。
  10. 酸洗い溶液が、フッ酸および硝酸を含む水溶液、ならびにフッ酸および鉄イオンFe3+を含む水溶液から選択されることを特徴とする、請求項に記載のプロセス。
  11. 酸洗い溶液が、10〜80g/lのフッ酸および60〜140g/lの硝酸を含む水溶液であることを特徴とする、請求項10に記載のプロセス。
  12. 酸洗い溶液が、30〜50g/lのフッ酸および80〜120g/lの硝酸を含む水溶液であることを特徴とする、請求項11に記載のプロセス。
  13. 酸洗い溶液が、5〜100g/lのフッ酸および1〜150g/lの鉄イオンを含む水溶液であることを特徴とする、請求項10に記載のプロセス。
  14. 酸洗い溶液が、30〜80g/lのフッ酸および30〜50g/lの鉄イオンを含む水溶液であることを特徴とする、請求項13に記載のプロセス。
  15. オーステナイト系ステンレス帯鋼(3)を酸洗いするために、前記帯鋼(3)に酸洗い溶液が噴霧されることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載のプロセス。
  16. オーステナイト系ステンレス帯鋼(3)を酸洗いするために、前記帯鋼(3)が前記酸洗い溶液を含む酸洗い槽に浸漬されることを特徴とする、請求項1から14のいずれか一項に記載のプロセス。
  17. 酸洗い溶液の温度が、20〜100℃であることを特徴とする、請求項1から16のいずれか一項に記載のプロセス。
  18. 酸洗い溶液の温度が、50〜80℃であることを特徴とする、請求項17に記載のプロセス。
  19. 帯鋼が酸洗い溶液に接している時間が、10秒〜2分間であることを特徴とする、請求項1から18のいずれか一項に記載のプロセス。
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