KR20040022271A - 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 온도 제어 시스템은 워크롤의 온도가 일정하게 유지됨으로써 롤의 크라운이 변화되지 않아 일정한 형상의 코일 표면을 얻을 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 워크롤의 일측에 물이 공급되는 급수부가 설치되고, 타측에 물을 배출하는 배수부가 설치되며, 내부에는 상기 급수부와 배수부 사이를 연통시키는 다수개의 통수공이 형성되고, 상기 워크롤의 급수부와 배수부에는 순환관이 연결 설치되며, 그 순환관에는 급수 온도계, 배수 온도계 및 순환 펌프가 설치되고, 상기 순환관에는 물을 가열시키는 히터와 물을 냉각시키는 쿨러 중 어느 하나 또는 2가지 모두가 설치된다.

Description

압연용 워크롤의 온도 제어 시스템{Temperature control system of work roll for rolling}
본 발명은 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2단 또는 4단의 압연 설비에 사용되는 압연용 워크롤의 내부에 물이 통과될 수 있는 통수공을 마련하고, 그 물의 온도를 제어함으로써 압연 작업시에 발생하는 고온에 의한 열팽창 또는 저온에 의한 냉각수축으로 인해 워크롤이 변형되는 것을 방지하여 코일의 형상을 개선하고 작업 생산성을 향상시킬 수 있는 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템에 관한 것이다.
압연 공정은 열간 압연, 냉간 압연, 조질 압연 등이 있는데 열간 압연의 경우에는 고온 고압의 조건에서 작업이 이루어지기 때문에 워크롤에 매우 큰 응력이 걸린다. 따라서, 본 발명과 같이 워크롤의 내부에 통수공을 형성할 경우 높은 응력을 견디지 못해 워크롤이 변형될 수 있으므로 본 발명은 주로 냉간 압연 그 중에서도 조질 압연용 워크롤에 주로 적용된다. 조질 압연은 열간 압연된 열연 코일은 표면결함이 많으므로 코일의 표면만을 냉간압연하여 표면의 요철, 주름, 접힘부위 등의 표면결함을 제거하여 표면상태 및 형상을 개선하기 위해 행하는 압연을 말하며,이때 코일의 연신율은 0.5∼3.0%정도 된다. 압연용 워크롤은 롤의 피로도, 제품의 피로도, 제품의 표면품질, 롤의 유효경 등을 고려하여 교체주기를 결정하는데, 조질 압연용 워크롤의 유효경은 2단에서는 790∼860㎜이고 4단에서는 560∼630㎜이다.
롤의 토탈 크라운은 초기 크라운(Initial Crown), 서멀 크라운(Thermal Crown) 및 압하 부하에 의한 기계적 크라운(Mechanical Crown)의 조합으로 이루어진다. 통상적으로 롤 연마시 하절기에 2단에서는 +0.25㎛, 4단에서는 -0.10㎛의 표준치를 부여하고, 동절기에 2단에서는 +0.35㎛, 4단에서는 -0.30㎛의 표준치를 부여한다.
그러나, 조질 압연시에 코일이 가진 현열, 코일의 소성변형에 따른 일의 열량, 또는 코일과 롤과 마찰에 의한 열량 등으로 인해 롤의 온도가 높아지고, 저온의 코일과의 접촉에 의해 롤의 온도가 내려가는 등, 압연 작업을 하는 동안 롤은 상기 온도의 변화에 따른 팽창과 수축이 반복됨으로써 초기에 설정해 놓았던 크라운이 변화되어 원하는 코일 형상을 얻지 못하는 문제점이 있었다. 따라서, 조질 압연을 통해 원하는 형상의 코일 표면을 얻기 위해서는 초기에 설정해 놓은 워크롤의 크라운을 일정하게 유지시키는 것이 매우 중요하며, 이렇게 워크롤의 크라운을 변화시키지 않기 위해서는 롤의 온도를 적정 범위 내로 유지시켜야 한다.
이와 같이 롤의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 종래 기술로는 일본 특허공개공보 평12-150131호에 개시된 바와 같이 유도가열기를 워크롤의 내부에 설치하거나, 일본 특허공개공보 평12-225406호에 개시된 바와 같이 유도가열기를 워크롤의 외부에 설치하여 워크롤의 온도를 일정하게 유지시키는 것이 있다. 그러나, 이러한 종래 기술은 워크롤의 가열에만 한정되는 것이며 유도가열로 인한 전력의 소모와 설비 투자비용이 높다는 단점이 있다. 또한 롤을 냉각시키기 위한 종래 기술로는 압연기 설비 중 워크롤을 지지하는 백업롤(backup roll)에 냉각 장치를 설치하여 워크롤을 냉각시키는 것이 있으나, 이 종래 기술은 워크롤 자체를 직접적으로 냉각시키는 것이 아니라 백업롤에 의해 간접적으로 냉각시키는 것이므로 냉각 효율이 떨어지고 2단 압연롤에서는 사용할 수 없다는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 압연용 워크롤의 내부에 직접 통수공을 형성하여 물을 통과시키고, 이 물이 순환되는 파이프에 히터와 쿨러를 설치하여 물의 온도를 항상 일정하게 유지시켜줄 수 있는 온도 제어방치를 마련함으로써, 워크롤이 온도 변화에 따라 팽창 및 수축을 방지할 수 있도록 해주는 것을 그 목적이 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 온도 제어 시스템에 의하면, 워크롤의 온도가 일정하게 유지됨으로써 롤의 크라운이 변화되지 않아 결과적으로 일정한 형상의 코일 표면을 얻을 수 있다.
도1은 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템의 구성도.
도2는 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 분해사시도.
도3은 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 측단면도.
도4는 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 정단면도.
도5a는 종래의 압연용 워크롤의 온도 분포도.
도5b는 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 온도 분포도.
※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※
10: 워크롤11: 쵸크
12: 순환관13: 배수 온도계
14: 급수 온도계15: 저수조
16: 순환 펌프17: 쿨러
18: 히터20: 급수부
21: 급수기22: 포트
23: 급수기 케이스24,44: 실링부재
25,45: 커넥터26: 브라켓
27: 급수공28: 분배기
29: 분배노즐30: 통수공
40: 배수부41: 배수기
42: 배수노즐43: 배수기 케이스
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 워크롤의 일측에 물이 공급되는 급수부가 설치되고, 타측에는 물을 배출하는 배수부가 설치되며, 내부에는 상기 급수부와 배수부 사이를 연통시키는 다수개의 통수공이 형성되고, 상기 워크롤의 급수부와 배수부에는 순환관이 연결 설치되며, 그 순환관에는 급수 온도계, 배수 온도계 및 순환 펌프가 설치되고, 상기 순환관에는 물을 가열시키는 히터와 물을 냉각시키는 쿨러 중 어느 하나 또는 2가지 모두가 설치된다.
또한, 상기 급수부는 상기 워크롤의 일측단을 지지하는 쵸크를 기준으로 그 전방에는 상기 통수공과 연통되는 분배노즐이 형성된 분배기가 설치되고, 상기 쵸크의 후방에는 상기 순환관이 설치되고 내부에 급수로가 형성된 급수기 케이스 및 그 급수기 케이스에 끼워지며 내부에 워크롤의 급수공과 연통되는 포트가 형성된 급수기가 설치된다.
또한, 상기 배수부는 상기 워크롤의 타측단에 상기 통수공과 연통되는 배수노즐이 형성된 배수기가 설치되고, 그 배수기는 상기 순환관과 연결 설치되는 배수기 케이스에 끼워져 상기 배수노즐로 배수되는 물이 순환관으로 배수되도록 구성된다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 설명한다.
도1은 2단 압연기에 설치된 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템을 예시하고 있다.
2개의 압연용 워크롤(10)이 상하로 설치되고, 그 가운데 코일(c)이 지나가면서 압연 작업이 이루어진다. 2단 압연기의 경우에는 2개의 롤이 모두 직접 압연 작업을 행하는 워크롤이 되고, 4단 압연기의 경우에는 코일과 접촉되는 2개의 롤이 워크롤이 되고 나머지 2개는 워크롤를 지지하여 그 워크롤의 변형을 막아주는 백업롤이 된다. 조질 압연기의 경우 워크롤의 유효경은 2단에서는 790∼860㎜, 4단에서는 560∼630㎜이고 그 길이는 2050㎜이며, 압연되는 코일의 두께는 1.2∼12.0㎜이지만 보통 1.5∼4.0㎜의 치수가 많고 그 폭은 700∼1800㎜이지만 보통 900∼1300㎜ 의 치수가 많다. 본 발명에 따른 워크롤 온도 제어 시스템은 상기 워크롤(10)의 내부에 통수공을 형성하고 이를 통해 물을 통과시키며, 이 물의 온도를 측정하고 그 온도를 일정한 범위로 유지할 수 있도록 구성된다. 이러한 구성을 위해, 먼저 워크롤(10)의 좌측단에는 급수기(21)와 급수기 케이스(23)로 이루어진 급수부(20)가 설치되는데, 상기 급수기 케이스(23)는 브라켓(26)에 의해 워크롤(10)의 좌측단에 고정 지지된다. 한편, 상기 워크롤(10)의 우측에는 배수기 및 배수기 케이스(43)로 이루어진 배수부(40)가 설치된다. 상기 급수부(20)와 배수부(40)는 워크롤(10)의 내부에 형성된 통수공에 의해 서로 연통되고 워크롤(10)의 외부에서는 순환관(12)에 의해 서로 연결되며, 상기 순환관(12)에는 순환 펌프(16)가 설치되어 물이 계속해서 순환시키며, 순환하는 물을 일시적으로 저장하여 물이 일정하게 순환될 수 있도록 해주는 저수조(15)가 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 순환관(12)의 배수부(40) 측에는 배수 온도계(13)가, 급수부(20) 측에는 급수 온도계(14)가 각각 설치되는데, 상기 배수 온도계(13)는 워크롤(10)을 통과하여 외부로 배출되는 물의 온도를 측정하고, 상기 급수 온도계(14)는 워크롤(10)로 공급되는 물의 온도를 각각 측정한다. 또한, 상기 배수 온도계(13)와 급수 온도계(14) 사이에는 히터(18)와 쿨러(17)가 각각 설치되어 상기 온도계로부터 측정한 온도에 따라 물을 가열하거나 냉각시켜 필요한 범위 내로 물의 온도를제어한다. 상기 히터(18)와 쿨러(17)는 그 중 어느 한가지만 설치되어 각각 워크롤(10)을 가열하거나 냉각시키는 기능 중 한가지 기능만을 수행하도록 구성될 수도 있으나, 워크롤(10)의 온도의 일정한 범위 내로 제어할 수 있도록 하기 위해서는 2가지 모두가 설치되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 워크롤(10)로부터 배출되는 물의 온도를 배수 온도계(13)로 측정한 결과, 그 온도가 기준치보다 높은 경우에는 워크롤의 온도가 높아 열팽창되는 상태이므로, 상기 쿨러(17)를 작동시켜 물을 냉각시킨 후 급수부(20)를 통해 워크롤(10)로 공급함으로써 워크롤(10)을 냉각시킨다. 이 때, 급수되는 물의 온도를 급수 온도계(14)로 측정하여 냉각 정도를 제어한다. 반대로, 배출되는 물의 온도가 기준치보다 낮은 경우에는 워크롤이 냉각 수축되는 상태이므로, 히터(18)를 작동시켜 물을 가열한 후 급수부(20)를 통해 워크롤(10)로 공급함으로써 워크롤(10)을 가열시킨다. 이에 의해, 워크롤(10)이 일정한 온도를 유지할 수 있도록 하여 열팽창이나 냉각수축을 방지함으로써 궁긍적으로 워크롤의 서멀 크라운 발생을 억제하여 압연되는 코일의 형상을 개선할 수 있다.
본 발명에 따른 압연용 워크롤의 분해사시도인 도2와 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 측단면도인 도3을 참조하여 워크롤의 구성을 상세히 설명한다.
워크롤(10)은 큰 직경을 가진 중앙롤과 작은 직경을 가진 양쪽 네크(neck)로 구성되는데, 중앙롤은 직접적으로 코일을 압연하고, 양쪽 네크는 회전동력원과 연결되어 워크롤(10)이 회전될 수 있도록 해준다. 또한, 상기 네크에는 회전시에 워크롤(10)을 지지해주는 쵸크(11)가 설치된다. 본 발명에 따른 워크롤(10)은 상기 워크롤(10)의 중앙롤에 방사형의 통수공(30)을 형성하고 그 통수공(30)을 통해 물을 통과시킴으로써 워크롤(10)을 가열하거나 냉각시키도록 된다. 이렇게 워크롤(10)의 내부에 물을 통과시키기 위해서는 상기 워크롤(10)의 양쪽 네크에는 급수부(20)와 배수부(40)가 설치된다.
먼저, 워크롤(10)의 좌측 네크에 설치된 급수부(20)의 구성은 다음과 같다. 워트롤의 촤측 네크를 지지하는 쵸크(11)를 기준으로 그 후방에 위치하는 네크의 끝단에 회전하는 워크롤(10)과 외부 순환관(12)을 연결시키기 위해 급수기(21)와 급수기 케이스(23)가 실링부재(24)를 매개로 서로 결합되는데, 상기 급수기(21)는 워크롤(10)의 끝단에 직접 설치되고, 급수기 케이스(23)는 브라켓(26)에 의해 쵸크(11)에 고정 지지된다. 상기 급수기(21)의 외주면 중앙에는 양쪽에 형성된 턱에 의해 홈이 형성되고, 이 홈의 소정 위치에는 포트(22)가 형성된다. 이 포트(22)는 직각을 이루며 급수기(21)의 일측면과 연통된다. 한편, 상기 급수기 케이스(23)는 그 내측에 상기 급수기(21)를 수용할 수 있도록 중공형을 이루고, 외측에는 커넥터(25)에 의해 상기 순환관(12)이 연결 설치되며, 내부에 급수로가 형성되어 상기 순환관(12)이 급수관 케이스(23)의 내측과 연통된다. 급수기(21)가 급수기 케이스(23)에 결합될 때, 상기 급수기(21)의 외주면에 형성된 턱과 급수기 케이스(23)의 내측 사이에 실링부재(24)가 끼워져 순환관(12)으로부터 상기 급수기 케이스(23)의 내측으로 공급된 물이 외부로 누출되지 않고 급수기(21)의 포트(22)로 이동될 수 있도록 해준다.
또한, 워크롤(10) 네크의 내부에는 급수공(27)이 형성되어 그 일측단은 상기 급수기(21)의 내부에 형성된 포트(22)와 연통되고, 타측단은 상기 쵸크(11)의 전방에 형성된 분배기(28)의 내측에 형성된 홈과 연통된다. 또한, 상기 분배기(28) 내측에 형성된 홈은 분배기(28)의 전방면에 방사형으로 형성된 분배노즐(29)과 연통되고, 이 분배노즐은 워크롤(10)의 중앙 내부에 형성된 상기 통수공(30)에 삽입 설치된다. 급수부(20)는 이와 같은 구성에 의해 워크롤(10)의 내부로 물을 공급하는데, 외부 순환관(12)을 통해 공급된 물은 급수기 케이스(23)를 통해 급수기(21) 내부에 설치된 포트를 통과하게 된다. 급수기(21)의 포트(22)를 통과한 물은 상기 포트(22)와 연통된 급수공(27)을 따라 분배기(28)로 이동되고, 이 분배기(28)를 통해 워크롤(10)의 중앙 내부에 형성된 각각의 통수공(30)까지 이동되는 것이다.
한편, 워크롤(10)의 우측에는 롤 네크를 지지하는 쵸크(11)와 중앙롤의 사이에 배수부(40)가 설치되는데, 이 배수부(40)는 일측면에 상기 방사형의 통수공(30)에 삽입 설치되는 배수노즐(42)이 마련되고 외주면의 중앙에 오목 홈이 형성되며 이 홈은 상기 배수노즐과 연통되도록 구성된 배수기(41)와 상기 배수기(41)를 수용할 수 있도록 중공형이고 외측면에 순환관(12)이 커넥터(45)에 의해 설치되며 내부에 배수로가 형성되어 상기 급수기(41)의 오목 홈과 순환관을 연통되도록 해주는 배수기 케이스(43)로 구성된다. 이와 같은 구성의 배수부(40)에 의해 상기 통수공(30)을 통해 워크롤(10)의 내부를 통과한 물은 배수노즐(42)을 통해 배수기(41)의 오목 홈에 집수된 후, 배수기 케이스와 연결된 외부 순환관(12)을 통해 워크롤(10)의 외부로 배출되는 것이다. 이 때, 상기 배수기(41)와 배수기 케이스(43) 사이에는 물이 누출되는 것을 방지하기 위해 실링부재(44)가 설치된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 워크롤이 종래의 워크롤보다 더 양호한 압연 효과를 나타냄을 알아보기 위해, 일반적인 냉각 파이프의 열 전달계수 및 외부의 변수조건을 적용하고, 표면온도를 40,60℃이고 두께가 1.2㎜인 코일을 대상으로 초기에 코일에 가해지는 롤 압하력을 120톤으로 하여 워크롤에 가해지는 응력, 워크롤의 온도분포, 제품 불량률 등을 측정하였다.
도4는 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 정단면도이다. 상기한 바와 같이 압연이 직접적으로 행해지는 워크롤(10)의 중앙 내부에 방사형의 통수공이 형성된다. 그러나, 워크롤에는 압연 공정시 큰 응력이 가해지기 때문에 상기 통수공의 형성으로 인해 워크롤의 강도가 낮아져 압연 공정시에 가해지는 응력을 견디지 못하고 워크롤이 변형될 수도 있기 때문에, 통수공의 형성시 이를 고려하여야 한다. 상기한 바와 같이, 조질 압연용 4단 압연기에 있어서 워크롤의 유효경은 560∼630㎜이고, 이 워크롤에 있어서 압연시 가해지는 응력을 견딜 수 있도록 설계된 통수공의 형상이 도4와 같다. 즉, 80㎜의 직경을 가진 통수공을 워크롤의 내부에서 직경 380㎜이 되는 원주 둘레에 방사형으로 형성시킨 후 120톤의 압하력을 가하는 상태에서 발생하는 응력을 측정한 결과가 하기한 표1과 같다.
구 분 종 래 발 명 허용 응력
워크롤 표면(㎏/㎟) 16.0 16.0 160
통수공(㎏/㎟) 0.6 14
표1에서 보는 바와 같이 워크롤의 표면은 쇼아 경도계로서 측정한 60의 경도기준으로서 허용응력이 160kg/㎟인 반면 본 발명에 따른 워크롤의 표면은 종래와 같이 16kg/㎟이며, 통수공에서도 허용응력이 14kg/㎟인 반면에 실제로 가해지는 응력은 0.6kg/㎟인바, 통수공을 형성하여도 워크롤의 강성에는 아무런 문제가 없음을 알 수 있다.
도5a와 도5b는 표면온도가 60℃인 코일을 종래의 워크롤과 본 발명에 따른 워크롤로 압연하는 경우 발생되는 온도 분포를 나타내는 도면이다.
도5a에서 보는 바와 같이, 종래의 워크롤의 내부은 코일과 직접 접촉되는 하부는 60℃이고 상부로 갈수로 낮아지기는 하나 전체적으로 20℃∼60℃의 불균일한 온도 분포를 가지므로, 열팽창이 불균일하게 일어날 것임을 쉽게 알 수 있다. 반면, 도5b에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 워크롤의 경우에는 통수공(30)을 통과하는 물에 의해 워크롤이 냉각되므로 코일과 직접 접촉되는 부분을 제외하고는 롤 전체가 20℃ 정도로 균일한 온도분포를 가짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 워크롤은 열변형에 의한 서멀 크라운의 변화가 발생되지 않는다.
표면온도가 각각 40℃ 및 60℃인 코일을 압연하는 경우 워크롤의 열변형량 및 워크롤 표면 5㎜직하 온도를 측정한 결과는 하기한 표2와 같다.
구 분 종 래 발 명
코일 표면온도(℃) 40 60 60
열변형량(㎛) 16 24 0.6
워크롤 5㎜직하 표면온도(℃) 36 52 20
표2에서 보는 바와 같이, 종래의 워크롤의 경우에는 코일의 표면온도가 40℃인 경우 열변형량이 16㎛이고, 코일의 표면온도가 60℃인 경우 열변형량이 24㎛인 반면, 본 발명에 따른 워크롤의 경우에는 코일의 표면온도가 60℃인 경우에도 열변형량이 0.6㎛에 지나지 않는다. 또한, 워크롤이 코일과 접촉되는 표면에서 5㎜직하온도도 종래의 워크롤의 경우에는 코일의 표면온도가 40℃인 경우 36℃이고 코일의 표면온도가 60℃인 경우 52℃인 반면, 본 발명에 따른 워크롤의 경우에는 코일의 표면온도가 60℃인 경우에도 20℃ 정도에 지나지 않는다.
이와 같이 본 발명에 따른 워크롤을 사용하는 경우 워크롤의 과열이나 냉각으로 인해 열변형량이 감소하여 제품의 불량률도 실험 결과 종래의 1.7％에서 0.1％로 감소하였다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템에 의하면, 워크롤이 압연시에 발생하는 온도 변화에 의해 열팽창이나 냉각수축과 같은 열변형되는 것을 방지하려 롤 크라운을 일정하게 유지시켜줌으로써 압연되는 코일의 형상을 개선할 수 있을 뿐만 아니라, 워크롤의 사용 시간을 증가시켜 설비 비용을 절감시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 워크롤(10)의 일측에는 물이 공급되는 급수부(20)가 설치되고, 타측에는 물을 배출하는 배수부(40)가 설치되며, 내부에는 상기 급수부(20)와 배수부(40) 사이를 연통시키는 다수개의 통수공(30)이 형성되고, 상기 워크롤(10)의 급수부(20)와 배수부(40)에는 순환관(12)이 연결 설치되며, 그 순환관(12)에는 급수 온도계(13), 배수 온도계(14) 및 순환 펌프(16)가 설치되고, 상기 순환관(12)에는 물을 가열시키는 히터(18)와 물을 냉각시키는 쿨러(17) 중 어느 하나 또는 2가지 모두가 설치된 것을 특징으로 하는 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 급수부(20)는 상기 워크롤(10)의 일측단을 지지하는 쵸크(11)를 기준으로 그 전방에는 상기 통수공(30)과 연통되는 분배노즐(29)이 형성된 분배기(28)가 설치되고, 상기 쵸크(11)의 후방에는 상기 순환관(12)이 설치되고 내부에 급수로가 형성된 급수기 케이스(23) 및 그 급수기 케이스(23)에 끼워지며 내부에 워크롤(10)의 급수공(27)과 연통되는 포트(22)가 형성된 급수기(21)가 설치된 것을 특징으로 하는 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배수부(40)는 상기 워크롤(10)의 타측단에 상기 통수공(30)과 연통되는배수노즐(42)이 형성된 배수기(41)가 설치되고, 그 배수기(41)는 상기 순환관(12)과 연결 설치되는 배수기 케이스(43)에 끼워져 상기 배수노즐(42)로 배수되는 물이 순환관(12)으로 배수되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압연용 워크롤의 온도 제어 시스템.
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