KR20120067149A - 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판 및 그 제조방법 - Google Patents

용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발전소의 보일러, 압력용기 등 400~600℃ 정도의 중고온 압력용기강에 관한 것으로서, 용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment)에도 강도와 인성이 우수한 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 중량%로, C:0.05~0.25%, Mn: 0.1~1.0%, Si:0.1~0.8%, Cr:0.5~3%, Cu:0.05~0.3%, Mo:0.1~1.5%, Ni:0.05~0.5%, Al:0.005~0.1%을 포함하고, Zr:0.005~0.25% 및 Hf:0.005~0.25%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1250℃의 온도범위로 가열하는 단계, 상기 가열가열슬라브를 열간압연을 행한 후, 냉각된 열연강판을 850~950℃의 온도범위에서 1.3×t + (10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간 동안 유지하는 열처리 단계, 상기 열처리 된 강판을 0.2~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 단계 및 상기 제어냉각된 강판을 500~750℃의 온도범위에서 1.6×t+(10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 템퍼링 열처리 단계를 포함하는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.

Description

용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판 및 그 제조방법{STEEL SHEET FOR HIGH TEMPERATURE APPLICATIONS HAVING EXCELLENT PROPERTY AFTER POST WELD HEAT TREATMENT AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 발전소의 보일러, 압력용기 등 400~600℃ 정도의 중고온 압력용기강에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment)후에도 강도와 인성이 우수한 강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.
최근 석유의 품귀 현상 및 고유가 시대를 맞이하여 열악한 환경의 유전이 활발하게 개발되는 추세에 따라 원유의 정제 및 저장용 강재에 대하여 후물화가 이루어지고 있다.
상기와 같은 강재의 후물화 이외에도 강재를 용접한 경우에 용접 후 구조물의 변형을 방지하고, 형상 및 치수를 안정시키기 위한 목적으로, 용접시 발생된 응력을 제거하기 위하여, 용접 후 열처리(PWHT, Post Weld Heat Treatment)를 행하게 된다. 그러나 장시간의 PWHT 공정을 행한 강판은 그 조직의 조대화로 인하여 강판의 인장강도가 저하되는 문제가 있다.
즉, 장시간 PWHT 후에는 기지조직(Matrix) 및 결정립계의 연화, 결정립 성장, 탄화물의 조대화 등에 따라 강도 및 인성이 동시에 저하되는 현상을 초래하게 된다.
상기 장시간 PWHT 열처리에 따른 물성의 저하를 방지하기 위한 수단으로 일본특허 공개번호 1997-256037호에서는 중량%로,C: 0.05?0.20%,Si: 0.02?0.5%,Mn: 0.2?2.0%,Al: 0.005?0.1%,필요에 따라 Cu,Ni,Cr,Mo,V,Nb,Ti,B,Ca,희토류 원소 중 1 종 또는 2종 이상을 함유하고,잔부가 철 및 불가피한 불순물로 된 슬래브를 가열 및 열간 압연을 행한 후,실온으로 공냉하고,Ac1?Ac3 변태점에서 가열하고 서냉하는 공정에 의해, PWHT 보증시간을 16시간까지 가능하게 하였다.
그러나, 상기 기술에 나타난 PWHT 보증 시간은 후물화 및 용접부 조건이 가혹한 경우에는 매우 부족하며, 그 이상의 장시간 PWHT의 적용은 불가능한 문제점을 갖고 있다.
따라서, 강재의 후물화 및 용접부 조건의 가혹화에 동반되어, 장시간의 PWHT 후에도 강도와 인성이 저하되지 않는 PWHT에 대한 저항성이 큰 강재가 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 장시간의 용접 후 열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT) 후에도 강도와 인성이 저하되지 않는 용접 후 열처리(PWHT) 저항성이 우수한 중고온용 강판 및 그 제조방법을 제공하고자 하는 것이다.
이를 실현하기 위한 수단으로서 본 발명에 따르는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판은,
중량%로, C:0.05~0.25%, Mn : 0.1~1.0%, Si : 0.1~0.8%, Cr:0.5~3%, Cu:0.05~0.3%, Mo:0.1~1.5%, Ni:0.05~0.5%, Al:0.005~0.1%을 포함하고, Zr: 0.005~0.25% 및 Hf: 0.005~0.25%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함한다.
또한, 상기 강판의 미세 조직은 페라이트와 베이나이트의 혼합조직으로 이루어져 있고, 상기 미세조직의 결정립 내부에는 50nm이하의 미세한 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]형 탄화물이 존재하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 강판의 미세 조직은 페라이트와 베이나이트의 혼합조직을 주상으로 하고, 부피분율로 25% 이하의 마르텐사이트 조직을 포함하며, 상기 미세조직의 결정립 내부에는 50nm이하의 미세한 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]형 탄화물이 존재하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 MX형 탄화물이 부피분율로 0.025% 이상 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 강판은 100시간 용접 후 열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT)후에도 인장강도가 580MPa 이상이고, -30℃에서의 샤르피 충격 에너지값이 100J 이상인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 강판의 제조방법은, 중량%로, C:0.05~0.25%, Mn : 0.1~1.0%, Si : 0.1~0.8%, Cr:0.5~3%, Cu:0.05~0.3%, Mo:0.1~1.5%, Ni:0.05~0.5%, Al:0.005~0.1%을 포함하고, Zr: 0.005~0.25% 및 Hf: 0.005~0.25%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1250℃의 온도범위로 가열하는 단계, 상기 가열된 강 슬라브를 열간압연을 행한 후, 냉각된 열연강판을 850~950℃의 온도범위에서 1.3×t + (10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 열처리 단계, 상기 열처리된 강판을 0.2~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 단계 및 상기 제어냉각된 강판을 500~750℃의 온도범위에서 1.6×t+(10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 템퍼링 열처리 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 580MPa급 이상의 강도를 가지면서, 100시간에 이르는 PWHT 후에도 강도 및 인성이 열화되지 않는 중고온용 강판 및 그 제조방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 강재의 성분계 및 조성범위에 대하여 상세히 설명한다. (이하, 각 성분의 함량은 중량%를 의미한다.)
탄소(C)의 함량은 0.05~0.25%로 하는 것이 바람직하다.
C는 강도를 향상시키는 원소로서, 그 함량이 0.05% 미만인 경우에는 기지 자체의 강도가 저하되며, 0.25%를 초과하는 경우에는 과도한 강도 증대에 따라 인성을 저하시키는 문제점이 있다.
실리콘(Si)의 함량은 0.1~0.8%로 하는 것이 바람직하다.
Si는 탈산 및 고용강화에 효과적인 원소이며, 충격 천이온도 상승을 동반하는 원소이다. 목표강도를 달성하기 위해서는 0.1% 이상을 첨가하여야 하나, 0.8%를 초과하여 첨가하는 경우에는 용접성 및 충격인성이 저하되는 문제점이 있다.
망간(Mn)의 함량은 0.1~1%로 하는 것이 바람직하다.
Mn은 S와 함께 연신된 비금속 개재물인 MnS를 형성하여 상온 연신율 및 저온인성을 저하시키므로 1% 이하로 관리하는 것이 바람직하다. 그러나, Mn을 0.1% 미만으로 첨가하는 경우에는 적절한 강도를 확보하기 어려우므로, Mn의 함량은 0.1~1%로 한다.
알루미늄(Al)의 함량은 0.005~0.1%로 하는 것이 바람직하다.
Al은 상기 Si와 더불어 제강 공정에서 사용되는 강력한 탈산제 중 하나이다. Al의 함량이 0.005% 미만인 경우에는 상기 탈산효과가 미미하며, 0.1%를 초과하여 첨가하는 경우에는 상기 탈산효과가 포화되고 제조원가가 상승하는 문제점이 있다.
크롬(Cr)의 함량은 0.5~3.0%로 하는 것이 바람직하다.
Cr은 고온강도를 증가시키는 원소로, 강도 증가 효과를 얻기 위해서는 0.5% 이상 첨가되어야 하나, 3.0%를 초과하여 첨가하는 경우에는 제조비용 상승의 문제가 있으므로, 3.0% 이하로 관리하는 것이 바람직하다.
몰리브덴(Mo)의 함량은 0.1~1.5%로 하는 것이 바람직하다.
Mo는 Cr과 마찬가지로, 고온강도 증대에 유효한 원소일 뿐만 아니라, 황화물에 의한 균열 발생을 방지하는 원소이다. 상기 효과를 얻기 위해서는 0.1% 이상이 첨가되어야 하나, 1.5%를 초과하여 첨가하는 경우에는 역시 제조비용 상승의 문제가 있으므로, 1.5% 이하로 하는 것이 바람직하다.
구리(Cu)의 함량은 0.005~0.3%로 하는 것이 바람직하다.
Cu는 강도 증대에 효과적인 원소로, 0.005% 이상 첨가하여야 강도 증대 효과를 얻을 수 있지만, 고가이므로 0.3% 이하로 하는 것이 바람직하다.
니켈(Ni)의 함량은 0.05~0.5%로 하는 것이 바람직하다.
Ni은 저온 인성을 향상시키는 가장 효과적인 원소로, 0.05% 이상 첨가되어야 상기 효과를 얻을 수 있으며, 고가의 원소로 0.5%를 초과하여 첨가되는 경우에는 제조비용이 상승하므로 그 함량을 0.05~0.5%로 하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기 조성에 Zr 및 Hf로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상을 포함한다.
지르코늄(Zr)의 함량은 0.005~0.25%로 하는 것이 바람직하다.
Zr은 미세한 탄화물 또는 질화물을 형성하여 기지조직의 연화를 방지하는데 효과적인 원소로, 0.005%이상 첨가해야 그 효과를 충분히 얻을 수 있는 반면, 고가이므로 0.25% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
하프늄(Hf)의 함량은 0.005~0.25%로 하는 것이 바람직하다.
Hf 역시 Zr과 마찬가지로 미세한 탄화물 및 질화물을 쉽게 형성할 수 잇는 원소로, 0.005%이상 첨가하여야 그 효과를 충분히 얻을 수 있는 반면, 고가이므로 0.25% 이하로 첨가하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 Zr 또는 Hf의 첨가함으로써, MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]계 탄화물을 형성하므로, Zr 및 Hf는 중요한 역할을 하는 원소이다. 이들 원소의 첨가에 의해 MX탄화물의 분율을 0.025% 이상 형성되도록 하는 것이 매우 중요하다. 상기 탄화물들은 장시간 PWHT시에도 크게 성장되지 않아, 장시간 PWHT 이후에도 강도와 충격인성의 하락을 방지할 수 있는 중요한 역할을 담당하게 된다.
이하, 본 발명의 미세조직에 대하여 상세히 설명한다.
상기와 같은 조성을 갖는 강을 후술하는 과정에 의해 적정한 제어압연 및 열처리를 하면 그 미세조직이 페라이트 및 베이나이트의 혼합조직으로 이루어질 수 있으며, 상기 조직내에는 마르텐사이트는 가급적 포함되지 않는 것이 바람직하지만 25%까지는 마르텐사이트가 포함될 수 있다.
또한, 열처리 완료된 강판의 내부조직 즉, 결정립 내부에는 50nm 이하의 미세한 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]형의 탄화물을 형성하는 것을 특징으로 한다. 상기 조직을 상술한 형태로 제어하는 이유는 본 발명에서 대상으로 하는 PWHT 저항성이 우수하며, 적절한 강도와 인성을 가지도록 하기 위함이다.
이하, 본 발명의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 상기 조성범위를 만족하는 강 슬라브를 1000~1250℃의 온도범위로 가열한다. 상기 가열 온도가 1000℃보다 낮을 경우 용질원자의 고용이 어렵고, 1250℃를 초과하면 오스테나이트 결정립 크기가 너무 조대하게 되어 강판의 성질을 해치기 때문이다.
이후, 열간압연을 행한 후에, 냉각된 열연강판을 열처리한다. 상기 열처리는 850~950℃의 온도범위에서 1.3×t + (10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 조건으로 유지한다. 상기 열처리의 온도가 850℃ 미만에서는 고용 용질 원소들의 재고용이 어려워 강도의 확보가 어려워지고, 반면에 열처리 온도가 950℃를 초과하게 되면 결정립의 성장이 일어나 저온 인성을 해치게 된다.
상기 열처리 유지시간에 제약을 두는 이유는 상기 유지시간이 1.3×t + 10분(t는 강재의 두께(㎜)를 의미)보다 적으면 조직의 균질화가 어렵고, 1.3×t + 30분(t는 강재의 두께(㎜)를 의미)을 초과하면 생산성을 해치기 때문이다.
상기 유지된 강판을 중심부 냉각속도 기준으로 0.2~30℃/sec로 냉각한다. 그 이하의 냉각 속도에서는 냉각 중 조대한 페라이트 결정립이 발생될 수 있고 그 이상의 냉각 속도에서는 과대한 제2상(마르텐사이트 분율 25% 이상)이 발생 할 가능성이 높기 때문이다.
제어냉각된 강판을 500~750℃의 온도범위에서 1.6×t+(10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 템퍼링 열처리 단계를 거치게 된다. 상기 열처리의 온도가 500℃ 미만에서는 미세한 석출물의 석출이 어려워 강도의 확보가 어려워지고, 반면에 열처리 온도가 750℃를 초과하게 되면 석출의 성장이 일어나 강도 및 저온 인성을 해치게 된다. 상기 열처리 유지시간의 제약을 두는 이유는 1.6×t+10분(t는 강재의 두께(㎜)를 의미)보다 적으면 조직의 균질화가 어렵고, 1.6×t+30분(t는 강재의 두께(㎜)를 의미)을 초과하면 생산성을 해치기 때문이다.
상기 열처리 공정을 거쳐 제조된 본 발명의 강판은 압력용기의 제작시 부가되는 용접공정에 의해 잔류응력의 제거 등을 위하여 PWHT 처리가 필요하다. 일반적으로 장시간 PWHT 열처리 이후에는 강도 및 인성의 열화가 발생되는데, 상기 본 발명에 의해 제조된 강판은 통상적인 PWHT 온도 조건인 650 ~ 740℃에서 장시간(~100시간) 실시하여도 강도 및 인성의 큰 저하 없이 용접시공이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 본 발명의 강판은 100시간의 PWHT 후에도 580MPa 이상의 인장강도를 갖고, -30℃에서의 샤르피 충격 에너지값이 100J 이상을 만족하여 우수한 강도와 인성을 가지고 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 구체적으로 설명한다. 다만, 본 발명은 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
하기 표 1에는 발명강과 비교강의 화학성분을 각각 나타낸 것이다. 표 1과 같은 조성을 갖는 강 슬라브를 표 2의 강판 두께, 가열 온도, 압연, 열처리 및 냉각을 행하여 강판을 제조하였다.
상기 조건으로 제조된 강판에 대하여 PWHT 등을 하기 표 2와 같은 조건으로 실시한 후 항복강도, 인장강도, 저온 인성을 조사하여 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
단, 저온 인성은 -30℃에서 V노치를 갖는 시편을 샤르피 충격 시험을 행하여 얻은 샤르피 충격 에너지값이다.
구분 C Mn Si Ni Cr Mo Cu Al Zr Hf
발명강1 0.14 0.61 0.58 0.2 1.38 0.6 0.15 0.025 - 0.1
발명강2 0.13 0.65 0.55 0.18 1.4 0.55 0.13 0.024 0.16 -
발명강3 0.13 0.48 0.21 0.19 2.26 1.01 0.17 0.015 - 0.14
발명강4 0.14 0.47 0.25 0.16 2.23 0.98 0.2 0.014 0.13 -
비교강1 0.14 0.6 0.55 0.2 1.35 0.58 0.12 0.028 - -
비교강2 0.14 0.5 0.23 0.15 2.25 1.03 0.21 0.019 - -
구분 강판
두께
(mm)
가열
온도
(℃)
열처리
조건
(℃/초)
냉각
속도
(℃/초)
템퍼링
온도
(℃)
PWHT
온도
(℃)
PWHT
시간
(℃)
YS
(MPa)
TS
(MPa)
-30℃
충격인성
(J)
발명강1 50 1150 910,80 2.5 730 690 50 453 628 230
80 1100 900,120 0.7 730 690 100 451 618 225
100 1180 910,140 0.5 730 690 100 436 597 218
발명강2 50 1100 910,80 2.5 730 690 50 431 618 221
80 1150 910,120 0.7 730 690 100 421 613 215
100 1200 911,140 0.5 730 690 100 416 600 228
발명강3 50 1100 910,80 2.5 730 690 100 443 619 203
80 1150 910,120 0.7 730 690 100 431 608 235
100 1200 900,140 0.5 730 690 100 430 589 211
발명강4 50 1100 910,80 2.5 730 690 50 423 628 238
80 1150 910,120 0.7 730 690 100 421 612 213
100 1200 900,140 0.5 730 690 100 409 607 208
비교강1 50 1200 900,80 공냉 730 690 16 412 606 206
80 1150 900,120 공냉 730 690 50 405 584 57
100 1100 900,140 공냉 730 690 100 399 573 43
비교강2 50 1100 900,80 공냉 730 690 16 407 609 198
80 1100 900,120 공냉 730 690 50 393 586 69
100 1180 900,140 공냉 730 690 100 388 560 58
상기 표 1 및 표 2의 결과에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 조성 및 제조조건을 만족하는 발명강은 PWHT 시간이 50시간 이상 100시간에 이르게 되어도, 강도와 인성이 저하되지 않는 것에 비해, 비교강은 본 발명의 조성과 제조조건을 벗어나는 것으로서, 발명강과 비교할 때, PWHT 시간이 작을 경우에는 강도와 인성이 발명강과 거의 동등한 수준을 보이고 있으나, PWHT 시간이 50시간 이상 길어짐에 따라, 발명강에 비해 강도와 인성이 현저히 열화되는 것을 확인할 수 있었다. 이는 본 발명강에 Zr, Hf를 첨가하여 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]계 탄화물의 생성이 큰 영향을 미친것으로 생각된다. MC계 탄화물은 장시간의 PWHT시에도 크게 성장하지 않으므로, MC계 탄화물의 형성에 의해 장시간 PWHT 후에도 강도와 인성의 하락을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 상기 실시예를 통해서도 이를 확인할 수 있었다.
특히, 발명강에서는 100시간의 PWHT후에도 저온인성 값의 저하가 30J 이하인 반면에, 비교강 1 및 비교강 2는 저온인성 값의 저하가 각각 163J 및 140J로 측정되어, 비교강에서는 저온인성 값의 저하가 심한 것을 확인할 수 있었다.

Claims (6)

  1. 중량%로, C:0.05~0.25%, Mn:0.1~1.0%, Si:0.1~0.8%, Cr:0.5~3%, Cu:0.05~0.3%, Mo:0.1~1.5%, Ni:0.05~0.5%, Al:0.005~0.1%을 포함하고, Zr: 0.005~0.25% 및 Hf:0.005~0.25%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강판의 미세 조직은 페라이트와 베이나이트의 혼합조직으로 이루어져 있고, 상기 미세조직의 결정립 내부에는 50nm이하의 미세한 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]형 탄화물이 존재하는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 강판의 미세 조직은 페라이트와 베이나이트의 혼합조직을 주상으로 하고, 부피분율로 25% 이하의 마르텐사이트 조직을 포함하며, 상기 미세조직의 결정립 내부에는 50nm이하의 미세한 MX[(M=Al, Zr, Hf), (X=N, C)]형 탄화물이 존재하는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 MX형 탄화물이 부피분율로 0.025% 이상 형성된 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 강판은 100시간 용접 후 열처리(Post Weld Heat Treatment, PWHT)에도 인장강도가 580MPa 이상이고, -30℃에서의 샤르피 충격 에너지값이 100J 이상인 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판.
  6. 중량%로, C:0.05~0.25%, Mn:0.1~1.0%, Si:0.1~0.8%, Cr:0.5~3%, Cu:0.05~0.3%, Mo:0.1~1.5%, Ni:0.05~0.5%, Al:0.005~0.1%을 포함하고, Zr: 0.005~0.25% 및 Hf:0.005~0.25%로 이루어진 그룹에서 선택된 1종 이상, 나머지는 Fe 및 불가피한 불순물을 포함하는 강 슬라브를 1000~1250℃의 온도범위로 가열하는 단계;
    상기 가열된 강 슬라브를 열간압연을 행한 후, 냉각된 열연강판을 850~950℃의 온도범위에서 1.3×t + (10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 열처리 단계;
    상기 열처리된 강판을 0.2~30℃/sec의 냉각속도로 냉각하는 단계; 및
    상기 제어냉각된 강판을 500~750℃의 온도범위에서 1.6×t+(10~30분) (단, t는 강재의 두께(㎜)를 의미)의 시간동안 유지하는 템퍼링 열처리 단계를 포함하는 용접 후 열처리 저항성이 우수한 중고온용 고강도 강판의 제조방법.
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