JP6881670B2 - 鋼板の圧延方法及び鋼板の製造方法 - Google Patents

鋼板の圧延方法及び鋼板の製造方法 Download PDF

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本発明は、圧延時におけるクーラントの鋼板表面へのボタ落ち(oil spot)に起因する鋼板の外観不良、及びワークロールの熱変形に起因する鋼板の形状不良を防止することのできる、鋼板の圧延方法及び鋼板の製造方法に関する。
鋼板の製造過程では、種々の圧延機によって圧延が行われる。圧延機において、実際に鋼板を押圧するロールはワークロールと称される。一部の圧延機では、鋼板の圧延中に摩擦熱によるワークロールの温度上昇を防ぐ目的で、圧延機を構成するロールに冷却液(以下、「クーラント」という。)が供給される。クーラントの供給量が適切でないと、ワークロールの熱変形制御が適切に行えず、ひいては鋼板に形状不良が発生する。
クーラントを用いる圧延機は、冷間圧延及び焼鈍後に行われる冷間二次圧延において典型的に用いられる。図1に、クーラントを用いる圧延機の具体例として調質圧延機1を示す。
調質圧延機1では、圧延中のワークロール2にクーラント3を噴射してワークロール2を冷却する。ワークロール2の入側では、鋼板4とワークロール2との潤滑性を向上させる目的で圧延油6が鋼板4の表裏面に噴射される。
クーラント3は、上下一対のワークロール2に対して、上下それぞれに設けられたノズル5によって噴射される。噴射されたクーラント3は、ワークロール2に接触した後、微小な霧状となるように液切りされることが望まれる。しかし、クーラント3の液切りが不十分であると、一定の大きさを有するクーラント3の液塊が飛散し、鋼板4の表裏面(上下面)に液塊が付着する(以下、「ボタ落ち」という。)ことがある。当該液塊は、前段で供給された圧延油6と混合されて、鋼板表面で乾燥することにより、鋼板表面における斑状の外観不良をもたらす。
圧延油のボタ落ちに基づく鋼板の外観不良を防止する従来技術としては、特許文献1が知られている。
特開平05−069027号公報
特許文献1に記載された発明は、鋼板の下面から上面に向かって噴射される圧延油のボタ落ちを防止することにより、鋼板の外観不良発生を抑えることを目的とする。しかし特許文献1に記載された発明では、クーラントのボタ落ちについては何ら考慮されていない。上述したように、鋼板の外観不良は、圧延油とクーラントとが混合した状態で鋼板表面に液だまりを作り、当該液だまりが乾燥することにより発生する。特許文献1の発明では、圧延油のボタ落ちを防止できてもクーラントのボタ落ちを防止できないので、依然として鋼板の外観不良の問題が生じうる。
図1のように、従来はボタ落ちの問題が特に発生しやすい鋼板4の上面側に設けられたノズル5の近傍に、クーラント3の液切れを向上させる目的で液切り部材7を設ける技術が知られている。しかし、当該液切り部材7を設けても、特にクーラント3の供給量が多い操業条件下では、クーラント3のボタ落ちの発生を完全に防止することは難しい。また割合的には小さいが、下方のノズル5から噴射されたクーラント3の液滴が鋼板4の下面に付着すること(当該現象も同様に「ボタ落ち」という。)もあり、このような鋼板4の下面におけるボタ落ちを防止する機構は従来知られていない。
クーラント3のボタ落ちを防止する目的でクーラント3の供給量を抑えると、ワークロール2の冷却が十分に行われず、ワークロール2の熱膨張による形状変化を適切に制御することができない。よって、単にクーラント3の供給量を抑えるだけでは、ワークロール2の熱変形の制御不良に起因する、鋼板の形状不良が発生するという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みて完成されたものであり、クーラントのボタ落ちに起因する鋼板の外観不良の発生を防止するとともに、ワークロールの熱変形を適切に制御することで鋼板の形状不良発生を防止することのできる、鋼板の圧延方法及び鋼板の製造方法を提供することを課題とする。
本発明の手段は、次のとおりである。
[1]圧延中に圧延機を構成するロールへクーラントを供給する鋼板の圧延方法において、圧延機の運転開始時には、クーラントの供給量を、上定常量よりも少ない所定量以下に抑え、鋼板の中伸び量が上目標値以上となった場合に、上定常量までクーラントの供給量を増加させる鋼板の圧延方法。
[2]鋼板の中伸び量が下目標値以下となった場合に、クーラントの供給量を前記上定常量から下定常量まで減少させる[1]に記載の鋼板の圧延方法。
[3]前記中伸び量として、鋼板の腹部の形状急峻度を用いる[1]又は[2]に記載の鋼板の圧延方法。
[4]圧延は、焼鈍後に行われる冷間二次圧延である[1]から[3]までのいずれか一つに記載の鋼板の圧延方法。
[5][4]に記載の鋼板の圧延方法を用いて圧延を行った後に、表面処理を行う鋼板の製造方法。
本発明によると、クーラントを用いる圧延において、クーラントの液切れ不良を解消して鋼板の外観不良の発生を防止することができるとともに、ワークロールの熱変形を適切に制御して鋼板の形状不良発生を防止することができる。
図1は、クーラントを用いる圧延機の一例を示す概略図である。 図2は、形状急峻度の測定方法を示す概略図である。 図3は、本発明に係る鋼板の圧延方法又は従来の圧延方法を用いた際の、経過時間と、通板速度、クーラント供給量、中伸び量、耳伸び量、及びボタ落ち混入率と、の関係を示すグラフである。
図1に示す調質圧延機の例を用いて、本発明について説明する。
調質圧延機1では、鋼板4を圧下するワークロール2と、ワークロール2を機械的に支持するバックアップロール8とを備える。圧延時の鋼板4とワークロール2との潤滑性を向上させる目的で、ワークロール2の入側で圧延油6が鋼板の上下面に噴射される。圧延油6を噴射するノズル9は、鋼板の幅方向に沿って複数設けられてノズル群を形成してもよい(図示せず)。尚、図1の例における調質圧延機1は、一対のワークロール2と一対のバックアップロール8とからなる4Hi型の圧延機であるが、圧延機のロールの数はこの例に限定されない。例えば、調質圧延機としては、一対のワークロール及びバックアップロールに加えて、ワークロールとバックアップロールとの間に中間ロールを備えた6Hi型の圧延機を用いることもできるし、8個以上のロールからなる圧延機を用いることもできる。
圧延の過程では、ワークロール2と鋼板4、及びワークロール2とバックアップロール8との摩擦によって、ワークロール2が発熱する。図1の例におけるクーラント3は、ワークロール2を冷却する目的で、ワークロール2の表面に向けて噴射される。尚、クーラントが噴射される対象は、ワークロールに限定されず、中間ロール又はバックアップロールであってもよい。クーラント3を噴射するノズル5は、鋼板の幅方向に沿って複数設けられてノズル群を形成してもよい(図示せず)。圧延油6とクーラント3との混合を防ぐ目的で、圧延油6を供給するノズル群はワークロール前段に、クーラント3を供給するノズル群はワークロール後段に設けることが好ましい。これらノズル5及び9、ワークロール2、並びにバックアップロール8は同一のハウジング内に収容される。
鋼板4の上側に設けられたノズル群では、特にクーラント3のボタ落ちが発生しやすいことから、クーラント3の液切れを向上させる目的で液切り部材7を設けることが好ましい。液切り部材7は、クーラント3を噴射する上ノズル群の下方において、ワークロール2の表面との間にワークロール2に接触しない程度の間隙を形成するように設けられる、ワークロール2のロール軸方向に沿在する部材である。液切り部材7は、ワークロール2との隙間を小さく保つことで、クーラント3の液切れ不良の場合に形成される比較的径の大きい液塊が直接鋼板4の上面に落下することを防止する。
ワークロール2の入側上部には、圧延油6の飛散及び落下を防止する入側飛散防止部材10が設けられていてもよい。
調質圧延機1の後段には、鋼板の表面性状を整えるスキンパス圧延機11が設けられていてもよい。スキンパス圧延機11は、調質圧延機1と同様に、ワークロール12及びバックアップロール18を備え、鋼板4に軽圧下を加える。また、調質圧延機1の前後段に鋼板4の張力を調節するブライドルロール13が設けられていてもよい。さらに、連続圧延を行う場合には、調質圧延機1の前段に通板速度を調節するルーパー14が設けられる。ルーパー14は、鋼板4の滞留長さを調節することにより、調質圧延機1における通板速度の調節を行う。
調質圧延機1の後段には、計測用ロールに代表される鋼板測定装置15が設けられることが好ましい。鋼板測定装置15は、調質圧延機1の出側における鋼板4の性状、及び調質圧延機1における通板速度等を測定可能な装置であればよい。より具体的に鋼板測定装置15は、例えば、鋼板4の圧延方向長さの差により発生する幅方向の張力差を測定可能であればよい。この幅方向の張力差の分布は、急峻度や伸び差率といったパラメータにより、鋼板4の腹部や耳部の凹凸の大きさ(形状、平坦度)として評価することができる。腹部は鋼板4の幅方向中心部近傍であり、より具体的には幅方向中心線から幅方向(左右方向)へそれぞれ、鋼板4の板幅長さの5%以内の範囲とすることができる。また、耳部は鋼板4の端部近傍であり、より具体的には鋼板4の端面から幅方向へ、鋼板4の板幅長さの5%以内の範囲とすることができる。
鋼板測定装置15で得られたデータは演算装置16に出力される。詳細については後述するが、演算装置16では、鋼板4の通板速度や中伸び量等に応じて、ノズル5におけるクーラント3の供給量を制御する。
鋼板4の腹部及び耳部の凹凸の大きさ及び圧延方向長さを用いて、中伸び量及び耳伸び量が算出される。中伸び量及び耳伸び量の一例として、鋼板4の腹部の形状急峻度及び耳部の形状急峻度を用いることができる。図2を用いて形状急峻度の算出方法について具体的に説明する。図2では鋼板4の端面を示し、図の左右方向が鋼板4の圧延方向に対応し、図の上下方向が鋼板4の板厚方向に対応する。耳伸びした鋼板4は、耳部の圧延の程度が大きいことにより、鋼板4の腹部の圧延方向長さよりも、鋼板4の耳部の圧延方向長さが長い。図2のように耳伸びした鋼板4の端面は、波形状を呈する。形状急峻度は、端面に形成された波の起伏の大きさを、波のスパンで除することによって算出される。具体的には以下の式(1)のように、1周期の波における板厚方向の高低差の値δを、波長Lで除することによって形状急峻度λが計算される。形状急峻度が大きいほど鋼板の形状は不良となりやすく、形状急峻度が小さいほど鋼板の形状は不良となりにくい。
λ=δ/L ・・・(1)
λ:形状急峻度(−)、δ:1周期の波の板厚方向の高低差(mm)、L:波長(mm)
図示していないが、鋼板4の中伸びについても、上記式(1)と同様に形状急峻度の値を計算することができる。中伸びの場合は、腹部に波が形成される。腹部に形成される波の起伏の大きさ(具体的には波の高低差)を、波のスパン(具体的には波長)で除することによって、腹部の形状急峻度を計算することができる。
中伸び量及び耳伸び量は、鋼板4の腹部及び耳部の波の高低差と波のスパンとの関係を評価できるパラメータであればよく、上記形状急峻度に限定されるわけではない。中伸び量及び耳伸び量の他の具体例としては、腹部と耳部との伸び率の比率を示す伸び差率や、当該伸び差率を用いて計算されるI−UNIT等を挙げることができる。
鋼板4の中伸び及び耳伸びは、ワークロールの熱変形に対応して形成される。高温時のワークロールは、その板幅方向中央部が太く、板幅方向端部が細いサーマルクラウン形状となりやすい。サーマルクラウン形状のワークロールによって圧延を行う場合、鋼板の腹部で圧下力がかかりやすく、鋼板の耳部で圧下力がかかりにくいので、鋼板に腹伸びが発生しやすい。一方で、低温時のワークロールは、板幅方向中央部と端部との太さの差の小さいストレート形状となりやすい。ストレート形状のロールによって圧延を行う場合、サーマルクラウン形状のロールを用いる場合に比べて、鋼板の耳部で圧下力がかかりやすいので、鋼板の耳伸びが発生しやすい。
図3を用いて、本発明において行われるクーラントの供給量の制御方法について説明する。図3では、実線で本発明法を、点線で従来法を示す。
例えば、図3(a)のように圧延機の運転開始時(図のt)から一定時間経過時(図のt)までは、ラインの通板速度が低い状態にある。一定時間が経過すると(図の例ではtの時点)、通板速度は上昇するが、通板速度が上昇を開始しても暫くは、依然として図3(c)のように鋼板の中伸び量は上目標値に到達しない。圧延機の運転開始時から、鋼板の中伸び量が上目標値以上となるまでの間、クーラントの供給量は所定量以下に抑えられる。圧延機の運転開始直後のように通板速度の遅い条件下では、ワークロールの遠心力が低く、噴射されたクーラントを液切れする能力も低いので、クーラントのボタ落ちが発生しやすい。本発明では、圧延機の運転開始直後にクーラントの供給量を低く抑えることで、クーラントのボタ落ちを防止する。鋼板の上面側に配置されたノズルからのクーラントの供給量と、下面側に配置されたノズルからのクーラントの供給量との両方を抑制することで、鋼板の上側で発生するボタ落ちと下側で発生するボタ落ちとの両方を抑制することができる。
クーラントの所定量は、クーラントの供給量の上限値である上定常量よりも少なく、かつ、下限値である下定常量よりも多い。所定量は、上定常量よりも10%以上少ないことが好ましい。クーラントの所定量は、圧延機の運転開始直後における通板速度下で、確実にクーラントのボタ落ちを防止しつつ、ワークロールの熱変形が顕著に進行しないように、各種ラインの操業条件を勘案して決定される。より具体的には図3(c)に示すように、圧延機の運転開始直後から通板速度を上昇させるまでの間(図のt〜t)に、鋼板の中伸び量が略平衡状態となるように、前記所定量の値を設定すればよい。
通板速度の遅い条件下では、ワークロールの回転速度が低下するので、ワークロール表面で発生する摩擦熱が小さく、ワークロール表面の温度が低くなりやすい。この場合、ワークロールの形状としては、サーマルクラウン形状よりも、ストレート形状になりやすい。よって、通板速度の遅い条件下では、鋼板の耳伸びに基づく形状不良が発生しやすい。
図3(b)のように従来法では、圧延機の立ち上げ直後からクーラントの供給量を上定常量とする。上定常量は、通板速度がラインの定常値(ピーク値)である場合に、ワークロールが熱平衡状態となるように設定される。従来法では、圧延機の立ち上げ直後のように通板速度が遅い場合に、クーラントの供給量が過多となり、サーマルクラウン形状が形成されにくい。よって、圧延機の立ち上げ後から長期間に亘って耳伸び不良が発生する。これに対し本発明では、通板速度が遅い場合にクーラントの供給量を、上定常量よりも低い所定量に抑えて、ワークロールのサーマルクラウン形状への変形を早期に促すことで、耳伸びによる形状不良の発生が長時間に亘って続くことを防止できる。図3(d)のように、従来法では、製品不良と判定される耳伸び合格閾値超えの鋼板がtまで製造されるのに対し、本発明法では耳伸び合格閾値超えの鋼板が発生するのをtまで短縮することができる。
次に、通板速度が上昇してくると、ワークロールの発熱が促され、サーマルクラウン形状が形成される。サーマルクラウン形状の形成に伴って、鋼板の中伸び量が増加する。本発明では、鋼板の中伸び量が所定の上目標値以上となった場合(図3(c)のtの時点)に、サーマルクラウン形状が十分に成長したと判断してクーラントの供給量を上定常量まで増加させる。その後、クーラントの増加によってワークロールの冷却が促されて、中伸び量は上目標値未満に減少する。
中伸び量は、ある上限値を超えると製品不良と判定される。本発明で設定する上目標値は、製品不良と判定される上限値よりも低く設定する。クーラント供給量の増加直後に中伸び量はピークをつけてその後減少に転じるが、当該ピークが上限値よりも低くなるように前記上目標値を設定すればよい。
本発明では、上記のように鋼板の中伸び量に応じてクーラント供給量を増加させることで、通板速度の上昇後にクーラントの供給が遅れることにより中伸び量が過大となる不良製品が発生することが防止される。
鋼板の中伸び量が上目標値以上となる程度まで通板速度が上昇した場合には、ロールによる液切れ能力も向上するので、クーラントの供給量を増やしてもボタ落ちの発生は抑制される。
鋼板の中伸び量が上目標値以上となった場合に、クーラントの供給量は、上定常量まで増加する。クーラントの供給量が上定常量まで達した後は、ラインの通板速度が大きく変動しない限り、クーラントの供給量は上定常量で維持される。上定常量は、ラインの通板速度が定常値(ピーク値)に達した場合にワークロールが熱平衡状態になる値とすればよい。ワークロールが熱平衡状態にあると、ワークロールの熱変形を抑制することができ、ワークロールがよりサーマルクラウン形状に変形することや、よりストレート形状に変形することが防止される。これにより、ワークロールの熱平衡状態下では、鋼板の中伸び量及び耳伸び量は、変動が少なく安定する。
図3(a)の例では、鋼板の通板速度はtにおいて一時的に減少する。これは、通板速度のピーク値が一定時間続いたことにより、ルーパーに蓄積していた鋼板が全て吐き出され、圧延機の前段に設けられた焼鈍炉の炉速と一致するように、通板速度が一時低下する現象である。このような炉速と一致する速度低下は、中伸び量が目標値以下となる程度の速度低下にはあたらない。よって、クーラントの供給量はその後も上定常量で維持される。
圧延機が、ラインの通板速度をピーク値に保ったまま(又は焼鈍炉の炉速と一致した通板速度のまま)運転を終了する際には、前述のように、上定常量までクーラントの供給量を増加させる制御だけを行えばよい。一方で、圧延機の運転中に通板速度がピーク値(或いは焼鈍炉の炉速値)からさらに低下する場合には、クーラントの供給量を減少させる制御を行う。例えば、複数のコイルを溶接して連続圧延を行う場合、鋼板の通板速度はピーク値近傍から一定時間経過後に低下する(図3(a)のtの時点)。これは、コイル間の溶接部を通板する直前に、溶接時間を稼ぐ目的で、圧延機の入側ルーパー等によって一時的に圧延速度を落とす必要があるからである。
このように通板速度が下降する場合、通板速度の下降初期(図3のt〜tの間)にはワークロールが冷却過多となり、ワークロールがストレート形状へと変形する。これにより、鋼板の中伸び量が低下する。その後、鋼板の中伸び量が下目標値以下となった時点(図3(c)のtの時点)で、十分にワークロールの冷却が進んだと判断して、クーラントの供給量を減少させる。クーラントの供給量の減少直後に、中伸び量は下げ止まる。
中伸び量は、ある下限値を下回っても、耳伸び不良が発生し、製品不良と判定される。本発明で設定する下目標値は、製品不良と判定される下限値よりも高く設定する。クーラントの減少後につける中伸び量の下ピークが下限値よりも高くなるように(言い換えると、中伸び不良の不良品が発生しないように)下目標値を設定する。
本発明では、中伸び量の低下に応じてクーラントの供給量を減少させるので、通板速度の低下時における冷却過多により、ワークロールが急速にストレート形状を形成して、鋼板の耳伸び過多が発生することを防止することができる。図3(d)のように、従来法では通板速度の速度低下と共に耳伸び合格閾値を超える耳伸びの過多が発生しうるが、本発明ではクーラントの供給量を減少させることで耳伸びの過多を抑えることができる。
その後は、クーラントの供給量を下定常量に維持する。溶接部の通板等によって通板速度が低下した場合、通板速度は一定時間(図のt〜t)、ボトム値において定常状態となる。前記下定常量は、通板速度が当該ボトム値にある定常状態において、ワークロールが熱平衡状態に達する値とすればよい。
次いで、溶接部の通板等が完了すると、再び通板速度はピーク値に向かって上昇に転じる。この場合も、前述したのと同様に、中伸び量が上目標値以上となった場合に、クーラントの供給量を上定常量まで増加させればよい。
上述したクーラントの供給量の制御は、図1の演算装置16によって行われる。演算装置16では、鋼板4の通板速度及び鋼板4の中伸び量を取得又は算出し、これらの値に基づいてノズル5を制御してクーラント3の供給量を調節する。
図3(e)に示すように、従来法では圧延機の立ち上げ直後や、溶接部の通板等により通板速度が低下した際に、クーラントのボタ落ちによる外観不良が発生しやすく、ボタ落ち合格閾値を超える鋼板が生産される。一方で本発明では、通板速度が低下した場合にはクーラントの供給量を低下させるので、ボタ落ち合格閾値超えの鋼板が生産されることを防止することができる。図3(e)におけるボタ落ち混入率は、鋼板の搬送方向1mあたりにおけるボタ落ちの個数である。
クーラントとしては、水溶液、及び水溶液と油との混合液等を用いることができる。
本発明に係る鋼板の圧延方法は、特に冷間二次圧延に適用されることが好ましい。冷間圧延では、ホットコイルを冷間タンデム圧延機によって圧延した後、バッチ焼鈍又は連続焼鈍により焼鈍される。冷間二次圧延は、焼鈍後の鋼板について行われる圧延である。冷間二次圧延では、鋼板の表面性状の調節等を目的として軽圧下が施される。
冷間二次圧延では、複数のコイルを溶接して連続通板を行うので、断続的に通板速度の上昇及び下降が起こる。また製品の性状、品質等に応じた圧下を行う目的で、複数の調質圧延機を使い分けることもある。この場合、調質圧延機の切り替えのたびに圧延機の立ち上げが必要となり、立ち上げ当初は通板速度が低い状態にある。本発明に係る鋼板の圧延方法を冷間二次圧延に適用することによって、複数のコイルを溶接して連続通板を行うことで通板速度の上昇及び下降が頻繁に起こる場合や、圧延機の立ち上げ当初の通板速度が低い状態にある場合であっても、鋼板の形状不良を確実に防止するとともに、クーラントのボタ落ちによる外観不良を防止することができる。
冷間二次圧延を受けた鋼板は、その後、めっき処理、ラミネート処理等の表面処理を施されて最終製品となる。最終製品では、ボタ落ちによる外観不良が単位長さあたり所定個数よりも多く観察されるコイルや、耳伸び量過多及び腹伸び量過多の部分の割合が所定比率よりも多くなると、不良製品と判定される。本発明に係る圧延方法を用いて鋼板を製造することによって、歩留りよく鋼板の最終製品を得ることができる。
実際の冷間圧延ラインにおいて、連続焼鈍炉の後段に配置された、クーラントを用いた調質圧延機(図1と同様の構成)において、本発明に係る鋼板の圧延方法を適用した。圧延される鋼板の板厚は0.150mmと0.160mmの2種類、板幅は900mmであった。本発明例として、図3の実線で示すようにクーラントの供給量調節を行った。一方、比較例として、図3の点線で示すように圧延中のクーラントの供給量は上定常量で一定とした。冷間二次圧延後に得られたコイル(全部で20コイル)について、中伸び又は耳伸びによる形状不良となった部分のコイルの長さの割合、及びボタ落ちによる外観不良となった部分のコイルの長さの割合を求めた。
本発明例では、形状不良となった部分が減り、外観不良となった部分はなく歩留りは99%であった。一方比較例では、ボタ落ちによる外観不良と判定された部分の長さの割合が3%、耳伸びによる形状不良と判定された部分の長さの割合が1%存在し、歩留りは96%であった。
1 調質圧延機
2、12 ワークロール
3 クーラント
4 鋼板
5、9 ノズル
6 圧延油
7 液切り部材
8、18 バックアップロール
10 入側飛散防止部材
11 スキンパス圧延機
13 ブライドルロール
14 ルーパー
15 鋼板測定装置
16 演算装置

Claims (3)

  1. 調質圧延中に圧延機を構成するロールへクーラントを供給する鋼板の圧延方法において、
    圧延機の運転開始時には、クーラントの供給量を、上定常量よりも少ない所定量以下に抑え、
    鋼板の中伸び量が上目標値以上となった場合に、上定常量までクーラントの供給量を増加させ、
    前記中伸び量として、鋼板の腹部の形状急峻度(λ)を用いる鋼板の圧延方法。
    λ=δ/L ・・・(1)
    δ:1周期の波の板厚方向の高低差(mm)、L:波長(mm)
  2. 鋼板の中伸び量が下目標値以下となった場合に、クーラントの供給量を前記上定常量から下定常量まで減少させる請求項1に記載の鋼板の圧延方法。
  3. 請求項1または2に記載の鋼板の圧延方法を用いて圧延を行った後に、表面処理を行う鋼板の製造方法。
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