JP5689854B2 - 押出成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、セラミックス成形体の押出成形装置、とりわけ、サイズの大きい大型のセラミックス成形体を押出成形できる押出成形装置に関するものである。

排ガス浄化用の触媒担体、フィルタ等として利用されているセラミックスハニカム構造体は、押出成形、乾燥、焼成の各工程を経て製作されるが、大型自動車、建設機械、船舶などの排ガス浄化を目的とした大型化が求められている。

横方向に大型のハニカム成形体を押し出すと、ハニカム成形体が自重により変形する問題があった。そこで、大型のハニカム成形体の押出成形は、下方向（重力方向）に行われている。

特許文献１，２には、セラミックス成形体を下方向に押出成形する方法が開示されている。また、特許文献３には、２段スクリュー式押出成形機にプランジャー式押出機を設けた押出成形機が開示されている。２段スクリュー式押出成形機で混練された坏土を、プランジャー式押出機にて下方向に押し出している。さらに、特許文献４には、スクリューを備えた縦型押出機が開示されている。

特開昭６３−２３０３０４号公報 特開２００３−３１１７２６号公報 特開平７−３２３３５号公報 特開２０１０−１０５１６５号公報

特許文献１，２では、土練機を用いて原料を所定の形状（円柱状）の坏土とし、その坏土を成形機に投入して、ハニカム成形体を押し出している。所定の形状の坏土を間欠的に成形機に投入し、所定の形状の坏土１本からいくつかのハニカム成形体を押し出すと、円柱状の坏土１本と他の１本のつなぎ目（切り替わり）部分では、ハニカム成形体の表面状態が荒れてしまい良好なハニカム成形体を得ることができないという課題があった。

特許文献３の成形装置では、プランジャーの間欠運転による停止時間があり、効率がよくない。また、この成形装置は、プランジャーの停止後の再押し出し時には、成形体の品質（特に、外周部の状態）が悪いという問題があった。特許文献４の成形装置は、３段スクリュー構成となっており、装置構成が複雑でコスト高になる問題があった。

本発明の課題は、大型のセラミックス成形体の押出成形における、材料や成形時間の無駄を低減するとともに、品質の良好なセラミックス成形体を押し出す押出成形装置を提供することである。

本発明者らは、押出成形装置が、坏土を混練して押し出す押出部と、セラミックス成形体を押出成形するための成形部との間に、第一空間部と第二空間部とを含むチャンバードラムを備えることにより、上記課題を解決しうることを見出した。本発明によれば、以下の押出成形装置が提供される。

［１］ セラミックス原料を含む坏土を混練して押し出す押出部と、前記押出部の押出口に接続され、前記押出部の前記押出口側から押出方向に伸びて前記押出方向に前記坏土を流通させる第一空間部と、前記第一空間部の下流側から下方向に伸びて前記押出方向と異なる前記下方向に前記坏土を流通させ、前記坏土を排出する排出口を有する第二空間部と、を含むチャンバードラムと、前記チャンバードラムの前記排出口に接続され、前記チャンバードラムの前記排出口から排出された前記坏土を内部から押し出すことにより、セラミックス成形体を押出成形するための口金を有する成形部と、を備える押出成形装置。

［２］ 前記押出部からの前記押出方向が水平方向であり、前記チャンバードラムが前記坏土を排出する前記下方向が重力方向であり、前記押出部からの前記押出方向と前記重力方向が直交する前記［１］に記載の押出成形装置。

［３］ 前記第一空間部は、前記押出部の前記押出口側から前記押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部と、前記テーパー部に続く円筒部とを有する前記［１］または［２］に記載の押出成形装置。

［４］ 前記テーパー部は、その入口の高さをＤ１、出口の径をＤ２、前記押出方向の長さをＬ１としたとき、下記式（１）で表される角度θが、５〜３０°である前記［３］に記載の押出成形装置。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｌ１・・・（１）

［５］ 前記第二空間部は、前記第一空間部の下流側の下部から前記下方向に伸びる円筒形状を有する前記［１］〜［４］のいずれかに記載の押出成形装置。

［６］ 前記第一空間部は、前記押出部の前記押出口側から前記押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部を有し、前記テーパー部の出口の径をＤ２、前記第二空間部の径をｄとしたとき、ｄ／Ｄ２が、０．１〜０．３である前記［５］に記載の押出成形装置。

［７］ 前記押出部は、セラミックス成形原料を含む坏土が内部に流入される供給口と、前記坏土が吐出される押出口と、を有するドラムと、前記ドラム内に、回転軸と前記回転軸に沿った螺旋状の回転羽根とを有し、前記坏土を前記回転羽根の回転により混練しつつ前記回転軸に平行な押出方向に搬送するスクリューと、を含む前記［１］〜［６］のいずれかに記載の押出成形装置。

［８］ 前記押出部は、前記スクリューが前記ドラム内に２軸平行に設けられている前記［７］に記載の押出成形装置。

押出成形装置は、坏土を混練して押し出す押出部と、セラミックス成形体を押出成形するための成形部との間に、第一空間部と第二空間部とを含むチャンバードラムを備える。これにより、連続的に、品質のよいセラミックス成形体を押出成形することができる。チャンバードラムは、押出部の押出方向と異なる下方向に坏土を排出するため、大型のセラミックス成形体であっても、変形等の不良が発生しにくい。

本発明の押出成形装置の一実施形態を示す模式図である。 チャンバードラムの一実施形態を示す模式図である。 押出部の一実施形態を示す模式図である。 押出成形装置の他の実施形態を示す模式図である。 チャンバードラム内に滞留防止金型を備える実施形態を示す模式図である。 ハニカム成形体の曲がりを説明するための模式図である。 比較例１の曲がりドラムを示す模式図である。 比較例２のプランジャーを示す模式図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について説明する。本発明は、以下の実施形態に限定されるものではなく、発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、変更、修正、改良を加え得るものである。

図１に、本発明の押出成形装置１の一実施形態を示す。押出成形装置１は、押出部１０と、チャンバードラム２０と、成形部３０と、を備える。押出部１０は、セラミックス原料を含む坏土を混練して押し出す。チャンバードラム２０は、押出部１０の押出口１２に接続されている。そして、チャンバードラム２０は、押出部１０の押出口１２側から押出方向に伸びて押出方向に坏土を流通させる第一空間部２３と、第一空間部２３の下流側から下方向に伸びて押出方向と異なる下方向に坏土を流通させ、坏土を排出する排出口２２を有する第二空間部２４と、を含む。また、成形部３０は、チャンバードラム２０の排出口２２に接続されている。そして、成形部３０は、チャンバードラム２０の排出口２２から排出された坏土を内部から押し出すことにより、セラミックス成形体を押出成形するための口金３６を有する。なお、以下、セラミックス成形体として、ハニカム成形体４０を例に説明するが、セラミックス成形体としては、ハニカム成形体４０に限定されるものではない。

押出部１０、チャンバードラム２０、成形部３０が連続的に接続されているため、坏土を混練し、ハニカム成形体４０を連続的に押出成形することができる。したがって、材料や成形時間の無駄を低減することができる。また、下方向にハニカム成形体４０を押し出すため、大型のハニカム成形体４０であっても変形しにくく、品質も良好である。

押出成形装置１は、押出部１０からの押出方向が水平方向であり、チャンバードラム２０が坏土を排出する下方向が重力方向であり、押出部１０からの押出方向と重力方向が直交するように構成することが好ましい。このように構成すると、下方向が重力方向であることにより、大型のハニカム成形体４０であっても、形くずれを起こすことなく、良好に押し出すことができる。また、押出部１０からの押出方向が水平方向であることにより、押出成形装置１の設置に広い上下空間が必要ない。

以下、さらに詳しく押出成形装置１について説明する。図２に、チャンバードラム２０の一実施形態を示す。

（チャンバードラム）
図２に示すように、チャンバードラム２０は、第一空間部２３と、第二空間部２４と、を含み、供給口２１、排出口２２が形成されている。第一空間部２３は、押出部１０の押出口１２側から、すなわち、供給口２１から押出方向に伸びて押出方向に坏土を流通させる空間を有する。そして、第一空間部２３は、押出部１０の押出口１２側から、すなわち供給口２１から押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部２３ａと、テーパー部２３ａに続く円筒部２３ｂとを有することが好ましい。

さらに、テーパー部２３ａは、その入口（上流端２３ｆ）の高さ、言い換えると、供給口２１の高さをＤ１、出口（下流端２３ｇ）の径をＤ２、押出方向の長さ（上流端２３ｆと下流端２３ｇとの距離）をＬ１としたとき、下記式（１）で表される角度θが、５〜３０°であることが好ましい。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｌ１・・・（１）

なお、供給口２１の高さのＤ１は、押出部１０のスクリュー１４の径と同じであることが好ましい。また、円筒部２３ｂの押出方向の長さ（上流端２３ｈと下流端２３ｉとの距離）をＬ２としたとき、Ｌ２は、特に限定されないが、第二空間部２４の径ｄの２〜４倍が好ましく、３倍くらいがさらに好ましい。

押出部１０に、スクリュー１４が２軸平行に設けられている場合（図３参照）には、図２に示すように、チャンバードラム２０のＡ−Ａ断面は、円を重ねた形状に形成することが好ましい。それぞれの円は、押出部１０のスクリュー１４の外形と位置に対応する。テーパー部２３ａの下流端２３ｇのＢ−Ｂ断面は、１つの円であることが好ましい。そして、Ａ−Ａ断面からＢ−Ｂ断面にかけて、テーパー状にスムーズに形状を変換することが好ましい。また、Ｂ−Ｂ断面以降（円筒部の上流端２３ｈから円筒部の下流端２３ｉ）は、Ｂ−Ｂ断面における円の直径Ｄ２で円筒部２３ｂが形成されていることが好ましい。なお、Ｄ２は、Ａ−Ａ断面の直径Ｄ１の２つの円の交わった部分の長さである。

式（１）において５°≦θとすることにより、チャンバードラム２０が長くなって容積が大きくなりすぎることを防止することができる。また、押出トルクの増加や装置の製造コストの増加を抑えることができる。θ≦３０°とすることにより、ハニカム成形体４０の曲がりの発生を防止することができる。また、５°≦θ≦３０°であると、スクリュー１４による坏土の流れの圧力状態を静水圧状態にすることができ、坏土の流れの下方向へのスムーズな方向変換をすることができる。これにより、曲がりのない良好なハニカム成形体４０を得ることができる。

第二空間部２４は、第一空間部２３の下流側の下部から下方向に伸びる円筒形状を有することが好ましい。第二空間部２４は、第一空間部２３の下流端２３ｉよりは少し上流側に位置する方が好ましい。すなわち、Ｃ−Ｃ断面に示すように、下向きの穴を第二空間部２４として設ける。第二空間部２４は、押出される坏土を絞り込むことにより、その後の下流にて均一な流れとなるよう整流させる役割を果たす。

第一空間部２３は、押出部１０の押出口１２側から押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部２３ａを有し、テーパー部２３ａの出口の径をＤ２、第二空間部２４の径をｄとしたとき、ｄ／Ｄ２が、０．１〜０．３であることが好ましい。また、第二空間部２４の長さ（Ｌ３）は、Ｌ３＝２ｄであることが好ましい。このような第二空間部２４を設けることにより、坏土の流れの圧力変動を緩和することができる。また、曲がりのない良好なハニカム成形体４０を得ることができる。

（押出部）
図３に押出部１０の一実施形態を示す。押出部１０は、供給口１１と押出口１２とを有するドラム１７、及びドラム１７内にスクリュー１４を含む。供給口１１から押出部１０の内部に、セラミックス成形原料を含む坏土が流入される。スクリュー１４は、回転軸１６と回転軸１６に沿った螺旋状の回転羽根１５とを有し、坏土を回転羽根１５の回転により混練しつつ回転軸１６に平行な押出方向に搬送する。

押出部１０は、スクリュー１４がドラム１７内に２軸平行に設けられていることが好ましい。このように２軸平行に設けられていることにより、十分な圧力で坏土を搬送することができる。しかしながら、本発明の押出成形装置１は、２軸のスクリュー１４に限定されるものではない。

（成形部）
成形部３０は、チャンバードラム２０の排出口２２に接続され、チャンバードラム２０の排出口２２から排出された坏土を内部から押し出すことにより、ハニカム成形体４０を成形する。

成形部３０は、第二空間部２４に接続する第一拡径部３２と、ハニカム成形体４０を押し出す第二拡径部３３とを含む。第一拡径部３２は、テーパー形状で徐々にその径が拡大する。続く第二拡径部３３は、下流側の方が少し径が拡大するほぼ円筒形状か、径が一定の円筒形状である。第一拡径部３２と第二拡径部３３との間には、異物を除去するためのスクリーン３４が備えられている。スクリーン３４は、坏土中の粗粒や異物を除去するためのものであり、例えば、目開きが６５〜４２０μｍ程度のＳＵＳ３０４製の網などが好適に使用できる。また、第二拡径部３３の下流端には、口金３６が備えられている。

ガソリンエンジンの排ガス浄化用触媒担体として用いるためのハニカム成形体４０を押し出す口金３６は、ハニカム成形体４０を押し出すスリットのスリット幅が７０〜１７０μｍであることが好ましく、７０〜１２５μｍであることが特に好ましい。また、この口金３６は、スリットと内部で連通し、口金３６の内部への坏土の導入孔とされる複数の坏土導入孔（裏穴）の直径が０．０８〜０．２０ｃｍであることが好ましい。一方、ディーゼルエンジンのＰＭを除去するためのフィルタ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ、ＤＰＦ）として用いるためのハニカム成形体４０を押し出す口金３６は、ハニカム成形体４０を押し出すスリットのスリット幅が１００〜６００μｍであることが好ましく、３００〜４５０μｍであることが特に好ましい。また、この口金３６は、複数の坏土導入孔（裏穴）の直径が０．１〜０．３ｃｍであることが好ましい。

図４に押出成形装置１の他の実施形態を示す。本実施形態では、押出部１０と、チャンバードラム２０との間に、異物を除去するためのスクリーン３４が備えられている。本実施形態では、押出部１０で混練された坏土は、押出部１０からチャンバードラム２０に押し出される。このとき、スクリーン３４を通過することにより、坏土に含まれる異物が除去される。この位置にスクリーン３４を備えることにより、装置全体のレイアウトによっては、本実施形態の方が、スクリーン３４を交換しやすい場合もある。

図５に押出成形装置１のさらに他の実施形態を示す。本実施形態では、チャンバードラム２０内の坏土が滞留しやすい空間に、その空間を充填する滞留防止金型２５を備える。

具体的には、チャンバードラム２０内の水平方向の下流端（第一空間部２３の下流端）に、滞留防止金型２５を備えている。滞留防止金型２５は、上流側（坏土と接触する側）の面が凹状の碗曲面である円筒体である。すなわち、一方の面（上流側）が凹面でもう一方の面（下流側）が平面で構成された平凹レンズ形状を有する金型である。滞留防止金型２５を備えることにより、Ｌ２（円筒部２３ｂの押出方向の最も長い部分の長さ）が第二空間部２４の径ｄの３倍くらいとなるようにすることが好ましい。これにより、坏土の無駄を減少させることができる。また、古い坏土が残留し、新しい坏土と混じって製品の品質を低下させることを防止することができる。

（ハニカム成形体の製造方法）
次に、本発明の押出成形装置１を用いたハニカム成形体４０の製造方法について説明する。まず、セラミックス原料、水、メチルセルロース、添加剤等を含む坏土を得る。セラミックス原料としては、コーディエライト化原料、炭化珪素、金属珪素、サイアロン、ムライト、窒化珪素、リン酸ジルコニウム、ジルコニア、チタニア、アルミナ、シリカ、コーディエライト、これらの混合物等を用いることができる。コーディエライト化原料とは、焼成によりコーディエライトとなる原料を意味する。坏土には、さらに発砲樹脂や吸水性ポリマーを加えてもよい。発泡樹脂としては、アクリル系マイクロカプセル等が挙げられる。発泡樹脂は、造孔剤として機能する。吸水性ポリマーは、セラミックス原料や有機バインダとともに水と混合、混練されると、吸水して、そのポリマー中に水分を保持した構造となり、機械的強度が高く潰れ難い特性を有するものである。吸水性ポリマーとしては、吸水性樹脂を挙げることができ、さらに具体的には、アクリル系樹脂を挙げることができる。

得られた坏土を押出部１０に供給する。押出部１０で混練された坏土は、チャンバードラム２０に搬送される。チャンバードラム２０において、水平方向に搬送されていた坏土は、重力方向（下方向）に向きを転換し、続いて、成形部３０に搬送される。坏土は、成形部３０の下流端（下部）からハニカム成形体４０として押し出される。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示す押出成形装置１を用いて、ハニカム成形体４０の押出成形を行った。まず、セラミックス原料、水、メチルセルロース、添加剤等を含む坏土を押出部１０に供給した。そして、成形部３０からハニカム成形体４０を押し出した。口金３６のスリット幅は、１５０μｍ、裏穴の直径は、０．１４ｃｍであった。ハニカム成形体４０のサイズは、直径４１０ｍｍであった。結果を表１に示す。ハニカム成形体４０の曲がりがほとんどなく、表面状態も良好であった。直径が３００ｍｍ以上のハニカム成形体４０でも、良好であった。なお、曲がりとは、図６に示すように、口金３６から押し出されたハニカム成形体４０の先端の中心における中心軸４１からの距離とする。

（実施例２）
実施例１と同様にして、セラミックス原料、水、メチルセルロース、添加剤、発泡樹脂、吸水性ポリマー等を含む坏土を、スリット幅が４１０μｍ、裏穴の直径が０．２１ｃｍの口金３６を用いて、押し出した。ハニカム成形体４０のサイズは、直径４１０ｍｍであった。ハニカム成形体４０の曲がりがほとんどなく、表面状態も良好であった。

（比較例１）
実施例１と同様にして、図７に示す曲がりドラム５０を押出部１０と成形部３０との間に有する押出成形装置を用いて、ハニカム成形体４０の押出成形を行った。結果を表１に示す。表面状態は、良好であったものの、ハニカム成形体４０が大きく曲がってしまった。

（比較例２）
押出機で坏土を混練し、円柱状坏土としたものを、図８に示すプランジャー６０に入れ、ハニカム成形体４０を押し出した。結果を表１に示す。プランジャー６０への円柱状坏土の供給が間欠的になるため、製造時間がかかった。ハニカム成形体４０の曲がりはあまり大きくはなかったものの、表面状態が良くなかった。

結果を表１に示す。原料の収率＝（良品の成形体質量）／（投入坏土の質量）×１００（％）である。

以上のように、実施例１では、連続的に押出成形を行うことができ、製造コストを低減することができた。押し出されるハニカム成形体４０の曲がりもほとんどなく、表面状態も良好であった。

（チャンバードラム）
（実施例３〜６）
次に、チャンバードラム２０のテーパー部２３ａの角度θについて調べた。角度θは、テーパー部２３ａの入口の径、言い換えると、供給口２１の高さをＤ１、出口の径をＤ２、押出方向の長さをＬ１としたとき、下記式（１）で表される。θを変化させたときの結果を表２に示す。なお、他の条件は、実施例１と同様である。また、表２の実施例１は、表１の実施例１と同じものである。
θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｌ１・・・（１）

θ＜５°のとき、チャンバードラムが長くなり、容積が大きくなり、押出トルク、装置コスト増加した（実施例３）。３０°＞θのとき、ハニカム成形体４０の曲がりが若干発生した（実施例６）。以上の場合でも許容範囲ではあるが、５°≦θ≦３０°のときは、坏土の流れが良好で、下方向へのスムーズな方向変換が行われ、曲がりのない良好なハニカム成形体４０が得られた（実施例１、４、５）。

（実施例７〜１０）
次に、チャンバードラム２０のｄとＤ２の関係について調べた。結果を表３に示す。なお、他の条件は、実施例１と同様である。また、表３の実施例１は、表１の実施例１と同じものである。

ｄ／Ｄ２＜０．１のとき、押出トルクが増加した（実施例７）。ｄ／Ｄ２＞０．３のとき、押出トルクが小さくなったものの圧力変動が増加した（実施例１０）。以上の場合でも許容範囲ではあるが、０．１≦ｄ／Ｄ２≦０．３のとき、圧力変動や押出トルクが小さく、好ましかった（実施例１、８、９）。

本発明の押出成形装置は、セラミックス成形体の押出成形装置として利用することができる。特に、大型のハニカム成形体、具体的には、ＤＰＦやガソリン車の排ガス浄化用触媒担体として用いられるハニカム構造体（成形体）の押出成形に好適である。

１：押出成形装置、１０：押出部、１１：（押出部の）供給口、１２：（押出部の）押出口、１４：スクリュー、１５：回転羽根、１６：回転軸、１７：ドラム、２０：チャンバードラム、２１：（チャンバードラムの）供給口、２２：（チャンバードラムの）排出口、２３：第一空間部、２３ａ：テーパー部、２３ｂ：円筒部、２３ｆ：第一空間部（テーパー部）の上流端、２３ｇ：テーパー部の下流端、２３ｈ：円筒部の上流端、２３ｉ：第一空間部（円筒部）の下流端、２４：第二空間部、２５：滞留防止金型、３０：成形部、３２：第一拡径部、３３：第二拡径部、３４：スクリーン、３６：口金、４０：ハニカム成形体、４１：中心軸、５０：曲がりドラム、６０：プランジャー。

Claims (8)

1. セラミックス原料を含む坏土を混練して押し出す押出部と、
   前記押出部の押出口に接続され、前記押出部の前記押出口側から押出方向に伸びて前記押出方向に前記坏土を流通させる第一空間部と、前記第一空間部の下流側から下方向に伸びて前記押出方向と異なる前記下方向に前記坏土を流通させ、前記坏土を排出する排出口を有する第二空間部と、を含むチャンバードラムと、
   前記チャンバードラムの前記排出口に接続され、前記チャンバードラムの前記排出口から排出された前記坏土を内部から押し出すことにより、セラミックス成形体を押出成形するための口金を有する成形部と、
   を備える押出成形装置。
2. 前記押出部からの前記押出方向が水平方向であり、
   前記チャンバードラムが前記坏土を排出する前記下方向が重力方向であり、
   前記押出部からの前記押出方向と前記重力方向が直交する請求項１に記載の押出成形装置。
3. 前記第一空間部は、前記押出部の前記押出口側から前記押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部と、前記テーパー部に続く円筒部とを有する請求項１または２に記載の押出成形装置。
4. 前記テーパー部は、その入口の高さをＤ１、出口の径をＤ２、前記押出方向の長さをＬ１としたとき、下記式（１）で表される角度θが、５〜３０°である請求項３に記載の押出成形装置。
   θ＝ｔａｎ^−１（Ｄ１−Ｄ２）／２Ｌ１・・・（１）
5. 前記第二空間部は、前記第一空間部の下流側の下部から前記下方向に伸びる円筒形状を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載の押出成形装置。
6. 前記第一空間部は、前記押出部の前記押出口側から前記押出方向の下流側へ向かって断面積が減少するテーパー形状に形成されたテーパー部を有し、前記テーパー部の出口の径をＤ２、前記第二空間部の径をｄとしたとき、ｄ／Ｄ２が、０．１〜０．３である請求項５に記載の押出成形装置。
7. 前記押出部は、
   セラミックス成形原料を含む坏土が内部に流入される供給口と、前記坏土が吐出される押出口と、を有するドラムと、
   前記ドラム内に、回転軸と前記回転軸に沿った螺旋状の回転羽根とを有し、前記坏土を前記回転羽根の回転により混練しつつ前記回転軸に平行な押出方向に搬送するスクリューと、を含む請求項１〜６のいずれか１項に記載の押出成形装置。
8. 前記押出部は、前記スクリューが前記ドラム内に２軸平行に設けられている請求項７に記載の押出成形装置。

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