WO2010119594A1 - 鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法 - Google Patents

鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法 Download PDF

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surface temperature
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temperature measuring
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原田寛
山名正哲
齊田淳之
長嶋政樹
今野智弘
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新日本製鐵株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a slab surface temperature measuring device and a slab surface temperature measuring method capable of stably measuring a slab surface temperature for a long time even under a severe atmosphere.
  • a radiation thermometer there are restrictions depending on the measurement site. Specifically, there is no water vapor or water in the atmosphere between the measurement site and the radiation thermometer, and when there is water vapor or water, the water vapor or water on the front of the radiation thermometer is not affected by water vapor or water. It is necessary to measure while blowing off with high-pressure air.
  • thermocouples are embedded in a mold copper plate and the temperature change of the slab surface is monitored by these thermocouples.
  • the change in the slab surface temperature can be measured with high sensitivity if it is close to the level of the molten metal surface in the mold, but an air gap is formed between the slab surface and the copper plate in the mold below the mold. It is difficult to accurately measure the slab surface temperature.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the purpose thereof is a slab surface capable of stably measuring a slab surface temperature for a long time even in a harsh atmosphere where a large amount of water, water vapor, or the like is present.
  • the object is to provide a temperature measuring device and a slab surface temperature measuring method.
  • a slab surface temperature measuring device includes a magnetic field excitation means for applying an alternating magnetic field substantially perpendicularly to a surface of a slab; and the magnetic field lines that change according to the surface temperature of the slab.
  • Magnetic field detection means for detecting an alternating magnetic field; and the surface temperature of the slab is derived from induced electromotive force obtained by detecting the alternating magnetic field by the magnetic field detection means and predetermined correspondence data.
  • Surface temperature deriving means; and the magnetic field excitation means has a solenoid-like excitation coil; and the magnetic field detection means is a solenoid-like element disposed between the surface of the slab and the excitation coil.
  • the correspondence relationship data is data representing the correspondence relationship between the slab surface temperature and the induced electromotive force in a temperature section sandwiching a predetermined Curie point therebetween.
  • the detection coil is arranged between the surface of the slab and the exciting coil, so that it is less susceptible to the low temperature part near the slab corner.
  • the slab surface temperature at the front surface of the detection coil that is, near the center of the slab short piece can be measured with higher accuracy.
  • the lower limit of the slab surface temperature is about the Curie point minus 200 ° C.
  • the upper limit is the Curie point plus about 100 ° C. This is due to the temperature dependence of the magnetic properties of steel (from normal temperature to the Curie point, it is ferromagnetic, changes to paramagnetic above the Curie point, and further changes to non-magnetic at high temperatures).
  • the region to which the magnetic field is applied is a non-magnetic material, the lines of magnetic force do not change depending on whether the magnetic field is applied.
  • the temperature of the region to which the magnetic field is applied is lowered to become a paramagnetic material or a ferromagnetic material, the magnetic field lines are concentrated on the portion, so that the magnetic field lines change. Note that the change in magnetic field lines becomes more prominent under the condition of the ferromagnetic material.
  • the magnetic field is applied to a ferromagnetic material, and when the magnetic saturation occurs in that region, the magnetic field lines do not change any further, and thus no voltage change is observed. Therefore, once magnetic saturation occurs, no change in magnetic field lines, that is, no change in voltage, can be seen even if the temperature drops further. In this way, the upper and lower limits of the measurement temperature are determined.
  • the correspondence relationship data may be a mathematical expression indicating a correspondence relationship between the slab surface temperature and the induced electromotive force.
  • the slab is a slab obtained by continuous casting using a mold and drawn from below the mold; the magnetic field excitation means and the magnetic field detection The means is disposed on the short side of the slab immediately below the mold and below the cooling zone for cooling the short side of the slab; the configuration may be adopted.
  • the surface temperature of the slab is once cooled to the Curie point or less in a cooling zone that cools the short side of the slab, and immediately after that, the surface temperature of the portion where the surface temperature of the slab rises due to recuperation is measured. be able to.
  • the applied frequency of the magnetic field excited by the magnetic field exciting means is 0.5 Hz or more and 20 Hz or less.
  • the slab surface temperature measuring method of the present invention is a method of measuring the surface temperature of the slab using the slab surface temperature measuring device according to any one of (1) to (4) above.
  • the slab surface can be stably stably for a long time even in a harsh atmosphere where a large amount of water, water vapor, or the like is present. Can measure temperature.
  • template It is a schematic diagram explaining the basic principle of the method of measuring slab surface temperature. It is a block diagram which shows the structure of the slab surface temperature measuring apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. It is a graph which shows the relationship between slab surface temperature and a sensor voltage. It is a graph which shows the relationship between the sensor voltage and slab surface temperature in the temperature range from 550 degreeC to 850 degreeC shown in FIG. It is a graph which shows the relationship between the frequency applied to an exciting coil, and skin depth.
  • the slab In the lower part of the long side of the mold, the slab is supported by a large number of rolls until the vicinity of the position where the slab drawn from directly under the mold finally solidifies, but in the lower part of the short side, The slab is only supported by several rolls provided directly under the mold. Therefore, the long side of the slab can be cooled by placing a cooling nozzle tip between the rolls to the solidification completion position, but on the short side, the surface temperature is within the range from just below the mold to the position where the roll is located. Therefore, it is necessary to secure a solidified shell thickness that can withstand the molten steel head. Therefore, the short side of the slab immediately below the mold is strongly cooled with water or the like, and thereby the temperature change on the slab surface takes a temperature pattern as schematically shown in FIG.
  • the slab surface temperature is once lowered to the Curie point Tc or less by strong cooling from the short side of the slab and then rises by recuperation.
  • the Curie point is the magnetic transformation point. Steel changes from a room temperature to a Curie point to a ferromagnetic material, a paramagnetic material above the Curie point, and a non-magnetic material at a higher temperature.
  • the slab surface temperature is measured using a temperature sensor utilizing this property.
  • FIG. 2A is a schematic diagram for explaining a basic principle of a method for measuring a slab surface temperature
  • FIG. 2B is a block diagram showing a configuration of a slab surface temperature measuring apparatus according to this embodiment.
  • the basic principle of the method for measuring the slab surface temperature will be described below with reference to FIG. 2A.
  • a vertical magnetic field is applied to the surface of the slab 1 by the exciting coil 2.
  • the detection coil 3 since the lines of magnetic force change depending on the surface temperature of the slab 1, the change of the magnetic lines of force is detected by the detection coil 3.
  • the surface temperature of the slab 1 can be measured by using the induced electromotive force obtained by this detection and the relational expression between the slab surface temperature and the induced electromotive force that are determined in advance.
  • the slab surface temperature measuring device of this embodiment includes a solenoid-like excitation coil 2 that applies an alternating magnetic field to the surface of the slab 1; and a solenoid-like detection that detects a change in magnetic field lines.
  • the coil 3 and a calculation means (not shown) for calculating the slab surface temperature using a relational expression showing a relationship between a predetermined slab surface temperature and an induced electromotive force are provided as main components.
  • the detection coil 3 is disposed in front of the excitation coil 2 (that is, between the surface of the slab 1 and the excitation coil 2). The reason will be described later.
  • the exciting coil 2 is obtained by winding a polyester-coated copper wire 5 having an outer diameter of 1 mm around a glass epoxy pipe 4 having an outer diameter of 30 mm 500 times.
  • the detection coil 3 is obtained by winding a polyester-coated copper wire 6 having an outer diameter of 0.3 mm around a glass epoxy pipe 4 40 times.
  • the coil device set including the excitation coil 2 and the detection coil 3 is housed in a stainless steel cylindrical case (not shown) as a sensor. The inside of the cylindrical case is forcibly cooled by dry air supplied from a device (not shown).
  • a constant current amplifier 7 is connected to the exciting coil 2 by wiring, and an oscillator 8 is connected to the constant current amplifier 7.
  • a signal processor 9 is connected to the detection coil 3 by wiring.
  • the signal processor 9 includes an operational amplifier, a resistor, a capacitor, and the like, and has a voltage amplification and filter processing function such as a low-pass filter and a band-pass filter.
  • a lock-in amplifier 10 is connected to the signal processor 9.
  • the lock-in amplifier 10 is an analog device that takes a 1.5 Hz signal from the constant current amplifier 7 as a reference signal and outputs a voltage having the same frequency, and can detect a phase difference from the reference signal.
  • the functions of the signal processor 9 and the lock-in amplifier 10 can be replaced with the functions of a personal computer (not shown). In that case, a signal (change in magnetic field lines) detected by the detection coil 3 is taken into a personal computer through an AD converter, and the functions of the signal processor 9 and the lock-in amplifier 10 may be realized by program software.
  • the slab surface temperature measuring device is fixed to the slab short side below the cooling zone that strongly cools the short side of the slab 1 directly under the mold.
  • the reason why the slab 1 is fixed below the cooling zone is that the slab 1 is once cooled in the cooling zone immediately below the mold until the slab surface temperature falls below the Curie point, and immediately after that, the slab surface temperature rises due to recuperation. This is because the surface temperature of the portion to be measured is measured.
  • the center of the inner diameter (or outer diameter) of the glass epoxy pipe 4 and the center position of the short side of the slab 1 are opposed to each other. It is preferable to arrange
  • an AC signal of 1.5 Hz is generated by the oscillator 8, and the AC signal is amplified to an AC current of a constant magnitude by the constant current amplifier 7 and is supplied to the exciting coil 2.
  • the exciting coil 2 excites the alternating magnetic flux ⁇ on the slab 1. That is, an alternating magnetic field is applied almost perpendicularly to the surface on the short side of the slab 1 by the exciting coil 2.
  • the surface of the slab 1 is a non-magnetic material, as shown by a broken line in FIG. 2A, the magnetic field spreads and penetrates into the slab 1 as in a vacuum.
  • the magnetic field lines greatly change due to the concentration of the magnetic field at that portion as shown by the solid line in FIG. 2A.
  • This change in magnetic field lines is determined by the surface temperature of the slab 1, that is, the magnetic permeability of the surface of the slab 1. Therefore, the change in the magnetic field lines is detected by the detection coil 3.
  • An AC voltage of N ⁇ d ⁇ c / dt (N: the number of turns of the detection coil 3, ⁇ c: the number of flux linkages of the detection coil 3, t: time) is induced in the detection coil 3.
  • the AC voltage is subjected to noise removal through a 5 Hz low-pass filter by the signal processor 9 and processed by the lock-in amplifier 10 to detect a voltage value of a frequency component of 1.5 Hz.
  • the calculation means calculates the surface temperature of the slab 1 based on the induced electromotive force obtained by detecting the change in the lines of magnetic force by the detection coil 3 and the relational expression. In this way, the surface temperature of the slab 1 can be measured.
  • the slab surface temperature and the induced electromotive force that is, the voltage detected by the detection coil 3. It is necessary to predetermine a relational expression indicating the relationship between Then, since the experiment for deriving an example of the relational expression was conducted, the content and result of the experiment will be described below.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the slab temperature (slab surface temperature) and the voltage (voltage detected by the detection coil 3).
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the sensor voltage and the slab surface temperature in the temperature range from 550 ° C. to 850 ° C. shown in FIG.
  • This relational expression (that is, a relational expression showing the relation between the voltage and the slab surface temperature) is as shown in the following expression (1).
  • x is a value obtained by multiplying the difference between the voltage value V detected by the detection coil 3 and the voltage 5.54 V in the nonmagnetic material temperature range by 10 times
  • y is the slab surface temperature ( C) and R is a correlation coefficient.
  • the slab surface temperature measuring device shown in FIG. 2B is arranged so that the slab sample can be heated to about 1200 ° C. by a heating furnace and a magnetic field can be applied perpendicularly to the surface of the heated slab sample. did. Furthermore, this slab surface temperature measuring device was fixed at a position where the distance between the glass epoxy pipe 4 and the surface of the slab sample was 30 mm. Moreover, the thermocouple was set inside 1 mm depth from the slab sample surface, and the temperature of the slab sample was measured. The result is shown in FIG.
  • the voltage (sensor voltage) detected by the detection coil 3 is substantially constant, but it is confirmed that the voltage changes in the temperature region r with the Curie point Tc interposed therebetween. It was done.
  • the relation between the steel sheet surface temperature and the voltage can be obtained by, for example, performing polynomial approximation as shown in FIG. . This indicates that the slab surface temperature measuring device of the present embodiment can detect a change in magnetic characteristics in the temperature region r with the Curie point Tc interposed therebetween with high sensitivity.
  • thermometer on the surface of a slab in a temperature range from the Curie point Tc minus about 200 ° C. to the Curie point Tc plus about 100 ° C.
  • the measuring apparatus can detect a change in magnetic properties of the slab surface in the vicinity of the Curie point Tc with high sensitivity.
  • the Curie point Tc minus about 200 ° C. to the Curie point Tc plus about This means that it can be used as a thermometer on the surface of the slab at a temperature range of 100 ° C.
  • the voltage of the detection coil changes depending on the temperature of the slab corner, which becomes a disturbance factor.
  • the surface temperature of the slab corner is more easily removed than the center of the short piece, and the surface temperature is lower than that of the center.
  • the relative permeability of the slab corner is larger than that of the center of the short slab. Therefore, even if the alternating magnetic field is excited, the voltage of the detection coil changes due to the temperature change of the slab corner.
  • the corner portion is cooled by the cooling water sprayed from the nozzle tip disposed between the rolls on the long side, and the temperature varies depending on the cooling conditions on the long side, so that the voltage changes accordingly. Therefore, it is preferable that the voltage change of the detection coil due to the temperature change of the slab corner is as small as possible.
  • the detection coil 3 is placed on the slab (disposed in the drawing below the glass epoxy pipe 4 in the figure, but not shown in the figure).
  • Front in the arrangement indicated by reference numeral 3 (a) in FIG. 6A, hereinafter referred to as front arrangement
  • rearward in the arrangement indicated by reference numeral 3 (b) in FIG. 6A, hereinafter referred to as rear arrangement.
  • front arrangement in the arrangement indicated by reference numeral 3 (a) in FIG. 6A, hereinafter referred to as front arrangement
  • rearward in the arrangement indicated by reference numeral 3 (b) in FIG. 6A, hereinafter referred to as rear arrangement.
  • the iron angle 11 is placed on the center line of the detection coil 3 as a sensor (that is, the central axis of the diameter of the glass epoxy pipe 4) and at a distance of 30 mm from the detection coil 3.
  • the measurement voltage ( ⁇ V center) of the detection coil 3 was compared under two conditions.
  • an iron angle 11 is placed at a position corresponding to the cast slab corner, that is, a position 120 mm away from the central axis of the detection coil 3, and the voltage value ( ⁇ V corner) of the detection coil 3 is measured.
  • the value ( ⁇ V corner / ⁇ V center) divided by the measured voltage value ( ⁇ V center) on the central axis was determined.
  • the experimental results are shown in FIG. 6B. It can be seen that the voltage value (center of ⁇ V) when the angle 11 is placed on the central axis is about twice as large when the detection coil 3 is arranged in front than in the case of rear arrangement. This indicates that the sensitivity to the magnetic flux change at the center of the short piece, that is, the temperature change is high.
  • the ratio of the voltage value ( ⁇ V corner) when the angle 11 is placed at the slab corner equivalent position to the voltage value ( ⁇ V center) when it is placed on the center axis (the effect of corners in FIG. 6B).
  • the detection coil 3 when the detection coil 3 is disposed in the front, the detection coil 3 is reduced to about 1/10 as compared with the case where the detection coil 3 is disposed in the rear. This means that the voltage change of the detection coil 3 due to the temperature change of the slab corner portion can be reduced by arranging the detection coil 3 forward, and the surface temperature at the center of the short side can be measured with high sensitivity. it can.
  • the reason why the influence of the slab corner portion can be reduced if the detection coil 3 is arranged in front is that the change in magnetic flux interlinking the detection coil 3 when the angle 11 is placed at the position corresponding to the slab corner is more than in the case where the detection coil 3 is arranged in front. Because it is small.
  • the surface temperature of the center part of the short side of the slab is made by arranging the detection coil 3 between the slab and the exciting coil 2 as compared with the case where it is rearward. It was confirmed that can be measured with higher accuracy.
  • the frequency oscillated from the oscillator 8 and applied to the exciting coil 2 is preferably 0.5 Hz or more and 20 Hz or less. If the frequency is lower than 0.5 Hz, a time constant for phase detection of the signal sent out from the detection coil 3 is required for 1 minute or more, and the response speed of the slab surface temperature measuring device becomes slow. . On the other hand, when the frequency is higher than 20 Hz, the skin depth, which is the depth at which the magnetic field penetrates, becomes thinner, and the magnetic field is more concentrated on the surface of the slab. As shown in FIG. 5, even if the relative permeability is about 200, the skin depth can be secured to about 10 mm (about 0.01 m) at frequencies up to 20 Hz.
  • the surface of the slab has irregularities such as oscillation marks, and in addition, the distance between the slab surface and the actual slab surface temperature measuring device varies slightly due to bulging, etc. Since it becomes easy to receive the influence when it becomes high, it means that it is preferable to ensure about 10 mm of skin depth. Therefore, the upper limit value of the frequency is preferably 20 Hz.
  • the detection coil 3 was installed in front of the excitation coil 2, that is, between the excitation coil 2 and the slab surface, and an experiment was conducted to confirm the effectiveness as a slab surface temperature measuring device.
  • the experimental conditions are as shown below.
  • the slab surface temperature measuring device is installed directly under the mold short side. For this reason, even if the mold is adjusted to change the width of the slab in various ways, the distance between the slab surface temperature measuring device and the slab surface should be made substantially constant (that is, the exciting coil 2 can The AC magnetic field applied almost perpendicularly to the surface on the short side can be made substantially constant).
  • FIG. 7A is a graph showing the measurement results of a comparative experiment in which the slab surface temperature measuring device under the above experimental conditions is replaced with a conventional radiation thermometer, and shows the relationship between the measured time and the slab surface temperature.
  • FIG. 7B is a graph showing the relationship between the measured time and the slab surface temperature as a result of measurement under the above experimental conditions.
  • the measurement value varied greatly because of the influence of a water film and water vapor existing between the radiation thermometer and the slab surface, and the slab surface temperature was accurately measured. I could't.
  • the experimental result according to the present example confirmed that the slab surface temperature can be stably measured by using the slab surface temperature measuring device of the present embodiment.
  • the slab surface temperature measuring device in a severe atmosphere immediately under a mold for continuous casting of steel and in which a large amount of water, water vapor, or the like is present. Also, the slab surface temperature can be measured directly and stably for a long time. In other words, the slab surface temperature is once cooled to the Curie point or less in the cooling zone immediately below the mold, and immediately after that, the surface temperature of the part where the slab surface temperature rises due to recuperation is directly and stabilized for a long time. Can be measured. Further, the slab surface temperature can be measured without depending on the slab size. Therefore, by using the slab surface temperature measuring device and the slab surface temperature measuring method of the present embodiment, it is possible to detect a breakout that is an operation abnormality and a drift that causes a bias in the molten steel flow.
  • the slab surface temperature measuring device described above is disposed on each of the short sides of the slab directly below the mold, and the slab is measured by one slab surface temperature measuring device.
  • the surface temperature is higher than the surface temperature during normal casting, it is recognized that there is a risk of perforating breakout, and breakout can be prevented by temporarily stopping continuous casting. A method for preventing this can also be employed.
  • predetermined slab surface temperature and induced electromotive force are derived. It is also possible to derive the surface temperature of the slab 1 by using correspondence data representing the correspondence relationship (for example, data representing the correspondence relationship shown in FIG. 4).
  • the slab surface temperature measuring apparatus or the slab surface temperature measuring method of the present invention can be stably measured over a long period of time even in a harsh atmosphere where a large amount of water, water vapor or the like is present.

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Abstract

 この鋳片表面温度測定装置は、鋳片の表面に対してほぼ垂直に交流磁場を印加する磁場励磁手段と;前記鋳片の表面温度によって変化した磁力線を検出するために前記交流磁場を検出する磁場検出手段と;この磁場検出手段で前記交流磁場を検出することによって得られた誘導起電力と、予め定めた対応関係データとから、前記鋳片の前記表面温度を導出する表面温度導出手段と;を具備する。前記磁場励磁手段は、ソレノイド状の励磁コイルを有し;前記磁場検出手段は、前記鋳片の前記表面と前記励磁コイルとの間に配置されたソレノイド状の検出コイルを有し;前記対応関係データは、予め定めたキュリー点を間に挟む温度区間における、鋳片表面温度と誘導起電力との対応関係を表すデータである。

Description

鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法
 本発明は、苛酷な雰囲気下でも、長時間、安定して鋳片表面温度を測定できる鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法に関する。
 本願は、2009年04月16日に、日本国に出願された特願2009-099994号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
 スラブの連続鋳造において、表面および内部品質が良好な高品位鋳片を高い生産性で鋳造するには、ブレークアウト等の操業トラブルの発生を防止することが必要である。ブレークアウトを防止する方法には次のようなものがある。
 鋳型内の銅板表面に凝固シェルが完全に拘束されると、その凝固シェルの温度がキュリー点まで低下する。そこで、凝固シェルの温度がキュリー点まで低下したことを検出することにより、凝固シェルの拘束を検知して鋳片の引き抜きを一旦停止する方法である。詳細には、外部から直流磁場を鋳型内の鋳片に印加して凝固シェルを磁化するとともにその磁力線の変化を検出することにより、凝固シェルがキュリー点まで低下したか否かを検出することができる(例えば特許文献1参照)。
特公昭56-7456号公報(特許請求の範囲)
 ところで、鋳型内に注入される溶鋼流に偏りが生じ、溶鋼流が凝固シェルに衝突した際の凝固シェルの再溶解が顕著になると、局部的な凝固シェル厚が不足する。その結果、孔あき性ブレークアウトと呼ばれる操業トラブルを招くことがある。このような操業トラブルは、上述したような凝固シェルがキュリー点まで低下したことを検出する方法では十分に防止することができない。つまり、孔あき性ブレークアウトは、鋳片表面の温度を正確に測定して鋳片表面を適切な温度に制御することができれば、避けることができる。そこで、次に鋳片表面の温度測定方法について説明する。
 まず、鋳片表面の温度を放射温度計によって測定する方法がある。しかし、放射温度計で測定する場合は、測定部位によっては制約がある。具体的には、測定部位と放射温度計との間の雰囲気に水蒸気や水がないことや、水蒸気や水がある場合は水蒸気や水の影響を受けないように放射温度計前面の水蒸気や水を高圧空気で吹き飛ばしながら測定することが必要となる。
 上述した放射温度計を用いて孔あき性ブレークアウトを防止する場合、鋳型直下の鋳片表面温度を管理する必要がある。つまり、鋳型直下に放射温度計を配置して鋳型直下の鋳片表面温度を測定することにより、孔あき性ブレークアウトが起こるほどに鋳片表面温度が上昇するのを検出でき、その結果、孔あき性ブレークアウトの発生を未然に防止することができる。しかし、鋳型直下では鋳片を多量の水で冷却しているため、放射温度計と鋳片表面との間は、多量の水、水蒸気、パウダー、スケール等が飛散する苛酷な雰囲気である。このため、高圧空気を用いたとしても放射温度計では鋳片表面温度を正確に測定することが極めて困難である。
 また、上記のような苛酷な雰囲気に比較的強いと考えられる、波長が1μm以下の短波長領域を利用した放射温度計も考案されている。しかし、この放射温度計を用いたとしても測定データのばらつきが大きく、安定した測定をすることは困難である。
 また、鋳片表面温度を測定する他の方法としては、鋳型銅板内に多数の熱電対を埋め込み、これら熱電対によって鋳片表面の温度変化を監視する方法がある。しかし、この方法では、鋳型内の湯面レベル近傍であれば鋳片表面温度の変化を感度良く測定できるが、鋳型下方では鋳片表面と鋳型内銅板との間にエアギャップが生じているため、鋳片表面温度を正確に測定することが困難である。
 本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、多量の水や水蒸気等が存在する苛酷な雰囲気下でも、長時間、安定して鋳片表面温度を測定できる鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法を提供することにある。
 本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。すなわち、
(1)本発明の鋳片表面温度測定装置は、鋳片の表面に対してほぼ垂直に交流磁場を印加する磁場励磁手段と;前記鋳片の表面温度によって変化した磁力線を検出するために前記交流磁場を検出する磁場検出手段と;この磁場検出手段で前記交流磁場を検出することによって得られた誘導起電力と、予め定めた対応関係データとから、前記鋳片の前記表面温度を導出する表面温度導出手段と;を具備し、前記磁場励磁手段が、ソレノイド状の励磁コイルを有し;前記磁場検出手段が、前記鋳片の前記表面と前記励磁コイルとの間に配置されたソレノイド状の検出コイルを有し;前記対応関係データが、予め定めたキュリー点を間に挟む温度区間における、鋳片表面温度と誘導起電力との対応関係を表すデータである。
 上記鋳片表面温度測定装置によれば、検出コイルを鋳片の表面と励磁コイルとの間に配置することにより、鋳片コーナー近傍の低温部の影響を受けにくくなる。その結果、検出コイル前面、すなわち、鋳片短片中央近傍における鋳片表面温度をより精度良く測定することができる。
 なお、前記対応関係データにおける鋳片表面温度の下限は、キュリー点マイナス200℃程度、上限はキュリー点プラス100℃程度となる。この理由は、鋼の磁気特性の温度依存性(常温からキュリー点までは強磁性体、キュリー点以上で常磁性体、さらに高温で非磁性体に変化する)による。すなわち、磁場が印加される領域が非磁性体であれば磁場の印加有無で磁力線は変化しない。磁場が印加される領域の温度が低下して、常磁性体、強磁性体になると、磁力線がその部分に集中するため、磁力線が変化することになる。なお、磁力線の変化は強磁性体の条件で、より顕著となる。しかしながら、磁場が印加される領域が強磁性体で、その領域で磁気飽和するとそれ以上、磁力線は変化しないため、電圧変化は見られなくなる。そのため、一旦、磁気飽和すると、それ以上温度が低下しても磁力線の変化、すなわち電圧の変化は見られなくなる。このようにして、測定温度の上下限値が決まる。
(2)上記(1)に記載の鋳片表面温度測定装置では、前記対応関係データが、前記鋳片表面温度と前記誘導起電力との対応関係を示す数式であってもよい。
(3)上記(1)に記載の鋳片表面温度測定装置では、前記鋳片が、鋳型を用いてこの鋳型の下方から引き抜く連続鋳造によって得られるスラブであり;前記磁場励磁手段および前記磁場検出手段が、前記鋳型の直下でかつ前記鋳片の短辺側を冷却する冷却帯よりも下方にある鋳片短辺側に配置されている;構成を採用してもよい。
 この場合、鋳片短辺側を冷却する冷却帯で鋳片の表面温度をキュリー点以下まで一旦冷却し、その直後に、復熱により鋳片の表面温度が上昇する部分の表面温度を測定することができる。
(4)上記(1)に記載の鋳片表面温度測定装置では、前記磁場励磁手段によって励磁される磁場の印加周波数が0.5Hz以上かつ20Hz以下であることが好ましい。
(5)本発明の鋳片表面温度測定方法は、上記(1)~(4)の何れか1項に記載の鋳片表面温度測定装置を用いて前記鋳片の前記表面温度を測定する方法であって、前記磁場励磁手段により前記鋳片に対して前記交流磁場を印加するとともに、前記磁場検出手段によって前記交流磁場を検出する工程と;前記表面温度導出手段により前記鋳片の前記表面温度を導出する工程と;を備える。
 以上説明したように、本発明の鋳片表面温度測定装置または鋳片表面温度測定方法によれば、多量の水や水蒸気等が存在する苛酷な雰囲気下でも、長時間にわたり安定して鋳片表面温度を測定できる。
鋳型直下の鋳片短辺側を強冷却しながらスラブを下方から引き抜いて連続鋳造するプロセスにおける、湯面からの距離とスラブ表面温度との関係を示すグラフである。 鋳片表面温度を測定する方法の基本原理を説明する模式図である。 本発明の一実施形態に係る鋳片表面温度測定装置の構成を示すブロック図である。 鋳片表面温度とセンサー電圧との関係を示すグラフである。 図3に示す550℃から850℃までの温度領域におけるセンサー電圧と鋳片表面温度との関係を示すグラフである。 励磁コイルに印加する周波数と表皮深さとの関係を示すグラフである。 検出コイル配置の違いによる、鋳片コーナー部における電圧変化を確認する実験内容を示す模式図である。 検出コイル配置の違いによる、鋳片コーナー部における電圧変化を確認する実験の結果を示すグラフである。 比較実験の測定結果を示すグラフであって、測定した時間と鋳片表面温度との関係を示すグラフである。 実施例の測定結果を示すグラフであって、測定した時間と鋳片表面温度との関係を示すグラフである。
 以下、本発明の鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法の一実施形態について図面を参照しつつ説明する。
 本実施形態では、内部空間が直方体形状の鋳型を用いてスラブを下方から引き抜いて連続鋳造する際に、鋳型の直下における鋳片表面温度を測定する装置および方法について説明する。
 鋳型の長辺側の下方では、鋳型直下から引き抜かれた鋳片が最終的に凝固する位置の近傍までの間、多数のロールで鋳片が支えられているが、短辺側の下方では、鋳型直下に設けられた数本のロールで鋳片が支えられているに過ぎない。そのため、鋳片の長辺側はロール間に冷却用のノズルチップを凝固完了位置まで配して冷却することができるが、短辺側では鋳型直下からロールがある位置までの範囲内で表面温度を低下させて溶鋼ヘッドに耐えうる凝固シェル厚を確保する必要がある。従って、鋳型直下の鋳片の短辺側を水等で強冷却することになり、それによって鋳片表面での温度変化は、図1に模式的に示すような温度パターンをとる。図1で注目すべきは、鋳片の短辺側からの強冷却によって鋳片表面温度が一旦、キュリー点Tc以下まで低下した後、復熱により上昇する点である。キュリー点は磁気変態点である。鋼は、常温からキュリー点までは強磁性体、キュリー点以上で常磁性体、さらに高温で非磁性体に変化する。本実施形態では、この性質を利用した温度センサーを用いて鋳片表面温度を測定する。
 図2Aは、鋳片表面温度を測定する方法の基本原理を説明するための模式図であり、図2Bは、本実施形態に係る鋳片表面温度測定装置の構成を示すブロック図である。
 図2Aを用いて鋳片表面温度を測定する方法の基本原理を以下に説明する。
 まず、鋳片1の表面に対して垂直磁場を励磁コイル2によって印加する。すると、鋳片1の表面温度によって磁力線が変化するので、その磁力線の変化を検出コイル3で検出する。そして、この検出によって得られた誘導起電力と、予め定めておいた鋳片表面温度と誘導起電力との関係式を用いることにより、鋳片1の表面温度を測定することができる。
 図2Aに示すように、本実施形態の鋳片表面温度測定装置は、鋳片1の表面に対して交流磁場を印加するソレノイド状の励磁コイル2と;磁力線の変化を検出するソレノイド状の検出コイル3と;予め定めた鋳片表面温度と誘導起電力との関係を示す関係式を用いて鋳片表面温度を算出する算出手段(図示せず)と;を主たる構成要素として備えている。
 検出コイル3は、励磁コイル2よりも前方側(即ち、鋳片1の表面と励磁コイル2との間)に配置される。その理由については後述する。
 図2Bに示すように、励磁コイル2は、外径30mmのガラスエポキシ製パイプ4の周囲に外径1mmのポリエステル被覆銅線5を500回巻いたものである。また、検出コイル3は、ガラスエポキシ製パイプ4の周囲に外径0.3mmのポリエステル被覆銅線6を40回巻いたものである。なお、励磁コイル2および検出コイル3からなるコイル装置一式は、センサーとして、ステンレス製の円筒ケース(図示せず)内に収納されている。この円筒ケース内は、図示されない装置から供給される乾燥空気により強制冷却されている。
 励磁コイル2には、定電流アンプ7が配線によって接続されており、この定電流アンプ7には発振器8が接続されている。
 検出コイル3には、信号処理器9が配線によって接続されている。この信号処理器9は、オペアンプや抵抗、コンデンサ等で構成され、電圧増幅およびローパスフィルターやバンドパスフィルター等のフィルター処理機能を持つ。この信号処理器9にはロックインアンプ10が接続されている。このロックインアンプ10は、定電流アンプ7から1.5Hzの信号を参照信号として取り込み、同一周波数の電圧の大きさを出力するアナログ機器であり、参照信号との位相差も検出できる。
 なお、信号処理器9およびロックインアンプ10の機能を、パソコン(不図示)の機能で代替処理することもできる。その場合は、検出コイル3で検出された信号(磁力線の変化)を、AD変換器を通してパソコンに取り込み、信号処理器9とロックインアンプ10の機能をプログラムソフトで実現すれば良い。
 上記鋳片表面温度測定装置は、鋳型直下で鋳片1の短辺側を強冷却する冷却帯よりも下方の鋳片短辺側に固定される。冷却帯よりも下方に固定する理由は、鋳片1が、鋳型直下の冷却帯において鋳片表面温度がキュリー点以下に至るまで一旦冷却され、その直後に、復熱により鋳片表面温度が上昇する部分の表面温度を測定するためである。なお、上記鋳片表面温度測定装置は、図2A及び図2Bに示すように、ガラスエポキシ製パイプ4の内径(または外径)の中心と鋳片1の短辺中央位置とが互いに対向するように配置されることが好ましい。
 この鋳片表面温度測定装置において、発振器8で1.5Hzの交流信号を作り、その交流信号を定電流アンプ7で一定の大きさの交流電流に増幅して励磁コイル2に通電する。その結果、励磁コイル2は交番磁束φを鋳片1に励磁する。即ち、励磁コイル2により、鋳片1の短辺側の表面に対してほぼ垂直に交流磁場を印加する。そして、鋳片1の表面が非磁性体である場合は、図2Aに破線で示すように真空中の場合と同様に磁場が広がりながら鋳片1の内部まで侵入する。鋳片1の表面が磁性を帯びると、図2Aに実線で示すようにその部位に磁場が集中することにより、磁力線が大幅に変化する。この磁力線の変化は、鋳片1の表面温度、即ち、鋳片1の表面の透磁率によって決まる。そこで、その磁力線の変化を検出コイル3によって検出する。
 検出コイル3による磁力線の変化の検出を詳細に説明する。
 検出コイル3には、N×dφc/dt(N:検出コイル3の巻数、φc:検出コイル3の鎖交磁束数、t:時間)の交流電圧が誘起される。この交流電圧は、信号処理器9で5Hzのローパスフィルターを介してノイズ除去するとともにロックインアンプ10で処理され、1.5Hzの周波数成分の電圧値を検出する。つまり、鋳片1の表面温度によって交番磁束φの分布が変わると、検出コイル3の鎖交磁束数φcが変わるため、検出コイル3に誘起される交流電圧が変化し、この変化する交流電圧を検出することができる。そして、磁力線の変化を検出コイル3で検出することによって得られた誘導起電力と前記関係式とに基づき、前記算出手段が鋳片1の表面温度を算出する。このようにして、鋳片1の表面温度を測定することができる。
 前記基本原理で説明したように、本実施形態の鋳片表面温度測定装置で鋳片表面温度を測定するには、鋳片表面温度と誘導起電力(即ち、検出コイル3によって検出される電圧)との関係を示す関係式を予め定めておく必要がある。そこで、その関係式の一例を導出するための実験を行ったので、その実験内容および結果について以下に説明する。
 図3は、鋳片温度(鋳片表面温度)と電圧(検出コイル3によって検出された電圧)との関係を示すグラフである。図4は、図3に示す550℃から850℃までの温度領域におけるセンサー電圧と鋳片表面温度との関係を示すグラフである。この関係式(即ち、電圧と鋳片表面温度との関係を示す関係式)は、下式(1)に示す通りである。
 なお、下式(1)におけるxは検出コイル3によって検出された電圧値Vと非磁性体温度域での電圧5.54Vとの差を10倍した値であり、yは鋳片表面温度(℃)であり、Rは相関係数である。
y=177.54x6-1509.1 x +4497.4x4 -6381.4x3 +4631.6x2-1681.9x+944.07 (1)
R=0.9922
 本実験では、鋳片サンプルを加熱炉によって1200℃程度まで加熱し、この加熱した鋳片サンプルの表面に対して垂直に磁場を印加できるように、図2Bに示す鋳片表面温度測定装置を配置した。さらに、この鋳片表面温度測定装置を、ガラスエポキシ製パイプ4と鋳片サンプルの表面との距離が30mmとなるような位置に固定した。また、鋳片サンプル表面から1mm深さの内部に熱電対をセットし、鋳片サンプルの温度を測定した。その結果を図3に示す。
 図3に示すように、高温側では、検出コイル3によって検出された電圧(センサー電圧)がほぼ一定であるが、キュリー点Tcを間に挟んだ温度領域r内において電圧が変化することが確認された。また、電圧が変化する温度領域rについて、鋼板表面温度と電圧との関係は、例えば図4に示すような多項式近似を行うことで、上記式(1)のような関係式を得ることができる。これは、本実施形態の鋳片表面温度測定装置が、キュリー点Tcを間に挟んだ温度領域rにおける磁気特性の変化を感度良く検出できていることを示している。すなわち、この実験結果より、例えば、キュリー点Tcマイナス約200℃から、キュリー点Tcプラス約100℃の温度領域で、鋳片表面の温度計として活用できることが判った。
 また、電圧が急激に変化する上記温度領域について、温度と電圧との関係は例えば図4に示すような多項式近似を行うことで、上式(1)のような関係式を得ることができる。これは、本実施形態による測定装置が、キュリー点Tcの近傍での鋳片表面の磁気特性の変化を感度良く検出できることを示しており、例えばキュリー点Tcマイナス約200℃からキュリー点Tcプラス約100℃の温度領域で鋳片表面の温度計として活用できることを意味している。
 次に、鋳片短辺部における表面温度を測定するにあたり、できるだけ短辺中央部における表面温度を測定することが好ましい。その理由は、ノズルからの吐出流による孔あき性ブレークアウトが、短辺中央部の表面温度に依存しているためである。
 ところが、励磁コイルの交流磁場は、わずかではあるが、鋳片コーナー部まで届いているため、鋳片コーナー部の温度によっても検出コイルの電圧が変化し、外乱因子となる。一般的に、鋳片コーナー部の表面温度は、短片中央部に比べて抜熱されやすく、その表面温度は中央部のそれに比べて低い。そのため、比透磁率も鋳片コーナー部の方が短片中央部に比べて大きいので、励磁されている交流磁場はわずかでも、鋳片コーナー部の温度変化による検出コイルの電圧変化が起こる。また、コーナー部は長辺側のロール間に配置されたノズルチップから噴射された冷却水による冷却を受けており、長辺側の冷却条件によっても温度は異なるため、それによる電圧変化も起こる。したがって、鋳片コーナー部の温度変化による検出コイルの電圧変化は、可及的に小さいほうが好ましい。
 そこで、図6Aに示すように、検出コイル3を鋳片(同図におけるガラスエポキシ製パイプ4の紙面下方に配置されるが、同図では図示を省略している)に対して励磁コイル2の前方(図6A中の参照符号3(a)に示す配置で、以下、前方配置と呼ぶ)、あるいは後方(図6A中の参照符号3(b)に示す配置で、以下、後方配置と呼ぶ)に配置した場合に、鋳片コーナー部の影響によって、検出コイル3の電圧がどのように変化するかを調査した。
 本実験においては、先ず、鉄製アングル11をセンサーである検出コイル3の中心線(すなわち、ガラスエポキシ製パイプ4の径の中心軸線)上でかつ検出コイル3から30mmの距離の位置においた場合の検出コイル3の測定電圧(△V中心)を2つの条件で比較した。
 次に、鋳片コーナー相当位置、すなわち、検出コイル3の中心軸線から120mm、径方向に移動した位置に鉄製アングル11を置き、検出コイル3の電圧値(△Vコーナー)を測定し、先に測定した中心軸線上での電圧値(△V中心)によって除した値(△Vコーナー/△V中心)を求めた。実験結果を図6Bに示す。中心軸線上にアングル11を置いた際の電圧値(△V中心)が、検出コイル3を前方配置した方が、後方配置の場合に比べて約2倍に大きくなっていることが判る。これは、短片中央部の磁束変化、つまり、温度変化に対する感度が高いことを示している。
 次に、鋳片コーナー相当位置にアングル11を置いた場合の電圧値(△Vコーナー)と中心軸線上に置いた場合の電圧値(△V中心)との比(図6B中の(コーナー影響))については、検出コイル3を前方配置したほうが、後方配置の場合に比べて約1/10にまで小さくなることが判る。これは、検出コイル3を前方配置することで、鋳片コーナー部の温度変化による検出コイル3の電圧変化が低減できることを意味しており、短辺中央の表面温度を高感度で測定することができる。検出コイル3を前方配置すると鋳片コーナー部の影響が低減できる理由は、鋳片コーナー相当位置にアングル11を置いた場合における検出コイル3を鎖交する磁束の変化が、前方配置した場合よりも小さいことによる。
 上記の実験結果によれば、検出コイル3を鋳片と励磁コイル2との間に配置する前方配置とすることにより、後方配置とした場合に比べて、鋳片の短辺中央部の表面温度をより精度良く測定できることが確認された。
 前記発振器8から発振して励磁コイル2に印加する周波数は0.5Hz以上かつ20Hz以下とすることが好ましい。0.5Hzよりも低周波数側であると、検出コイル3から送り出される信号を位相検波する際の時定数が1分以上必要となり、本鋳片表面温度測定装置の応答速度が遅くなるためである。一方、20Hzよりも高周波側であると、磁場が浸透する深さである表皮深さが薄くなるため、磁場がより鋳片表面に集中することになる。図5に示すように、比透磁率が200程度であったとしても、20Hzまでの周波数では表皮深さを10mm程度(0.01m程度)に確保できる。この意味は、鋳片表面はオシレーションマーク等の凹凸があり、それに加えてバルジング等により鋳片表面と本鋳片表面温度測定装置との間の距離が微妙に変動しているため、周波数が高くなるとその影響を受けやすくなるので、表皮深さを10mm程度確保できるのが好ましいということである。よって、周波数の上限値は20Hzとするのが好ましい。
 検出コイル3を励磁コイル2の前方、すなわち励磁コイル2と鋳片表面との間に設置し、鋳片表面温度測定装置としての有効性を確認するための実験を行った。その実験の条件は、下記に示す通りである。
(実験条件)
 鋳片幅:1000~1800mm
 鋳造速度:0.75~1.2m/分
 鋼種:中炭素Al-キルド鋼
 センサー設置位置(鋳片表面温度測定装置の設置位置):鋳型内湯面レベルから1m下方でかつ鋳型短辺冷却帯の直下
 センサー(鋳片表面温度測定装置の検出コイル3の先端)と鋳片表面との距離:30mm
 励磁コイル2に印加する交流電流の周波数:1.5Hz
 本実施例では、鋳片表面温度測定装置は、鋳型短辺直下に設置されている。このため、鋳片の幅を種々変更するべく鋳型を調整したとしても、鋳片表面温度測定装置と鋳片表面との間の距離をほぼ一定にすること(即ち、励磁コイル2によって鋳片の短辺側の表面に対してほぼ垂直に印加される交流磁場をほぼ一定にすること)ができる。
 図7Aは、上記実験条件における鋳片表面温度測定装置を従来の放射温度計に代えて行った比較実験の測定結果を示すグラフであって、測定した時間と鋳片表面の温度との関係を示している。図7Bは、上記実験条件による測定結果であって、測定した時間と鋳片表面温度との関係を示すグラフである。
 図7Aに示すように、比較実験では、放射温度計と鋳片表面との間に存在する水膜や水蒸気の影響を受けたため、測定値が大きくばらついており、鋳片表面温度を正確に測定することができなかった。これに対し、図7Bに示すように、本実施例による実験結果では、本実施形態の鋳片表面温度測定装置を用いれば鋳片表面温度を安定して測定できることが確認された。
 上記実施形態および上記実施例によれば、前述した鋳片表面温度測定装置を用いることにより、鋼の連続鋳造を行う鋳型の直下でかつ、多量の水や水蒸気等が存在する苛酷な雰囲気下においても、鋳片表面温度を長時間、直接的かつ安定して測定することができる。換言すれば、鋳型直下の冷却帯で鋳片表面温度がキュリー点以下まで一旦冷却され、その直後に、復熱により鋳片表面温度が上昇する部分の表面温度を長時間、直接的かつ安定して測定することができる。また、鋳片サイズに依存することなく鋳片表面温度を測定することができる。従って、本実施形態の鋳片表面温度測定装置および鋳片表面温度測定方法を用いることで、操業異常であるブレークアウトや溶鋼流に偏りが生じる偏流の検知が可能となる。
 尚、本発明は上記実施形態および上記実施例のみに限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、鋳片表面温度を測定する際、鋳型直下の鋳片の短辺側の両方それぞれに前述した鋳片表面温度測定装置を配置し、一方の鋳片表面温度測定装置によって測定された鋳片表面温度が通常の鋳造時の表面温度に比べて高いことを検出した場合に孔あき性ブレークアウトの発生のおそれがあると認識し、連続鋳造を一旦停止することでブレークアウトの発生を未然に防止する方法も採用可能である。
 また、上記実施形態では、予め定めた鋳片表面温度と誘導起電力との関係式を用いることにより鋳片1の表面温度を導出しているが、予め定めた鋳片表面温度と誘導起電力との対応関係を表す対応関係データ(例えば図4に示す対応関係を表すデータ)を用いることにより鋳片1の表面温度を導出することも可能である。
 本発明の鋳片表面温度測定装置または鋳片表面温度測定方法によれば、多量の水や水蒸気等が存在する苛酷な雰囲気下でも、長時間にわたり安定して鋳片表面温度を測定できる。
 1  鋳片
 2  励磁コイル
 3  検出コイル
 4  ガラスエポキシ製パイプ
 5  外径1mmのポリエステル被覆銅線
 6  外径0.3mmのポリエステル被覆銅線
 7  定電流アンプ
 8  発振器
 9  信号処理器
10  ロックインアンプ

Claims (5)

  1.  鋳片の表面に対してほぼ垂直に交流磁場を印加する磁場励磁手段と;
     前記鋳片の表面温度によって変化した磁力線を検出するために前記交流磁場を検出する磁場検出手段と;
     この磁場検出手段で前記交流磁場を検出することによって得られた誘導起電力と、予め定めた対応関係データとから、前記鋳片の前記表面温度を導出する表面温度導出手段と;
    を具備し、
     前記磁場励磁手段が、ソレノイド状の励磁コイルを有し;
     前記磁場検出手段が、前記鋳片の前記表面と前記励磁コイルとの間に配置されたソレノイド状の検出コイルを有し;
     前記対応関係データが、予め定めたキュリー点を間に挟む温度区間における、鋳片表面温度と誘導起電力との対応関係を表すデータである;
    ことを特徴とする鋳片表面温度測定装置。
  2.  前記対応関係データが、前記鋳片表面温度と前記誘導起電力との対応関係を示す数式であることを特徴とする請求項1に記載の鋳片表面温度測定装置。
  3.  前記鋳片が、鋳型を用いてこの鋳型の下方から引き抜く連続鋳造によって得られるスラブであり;
     前記磁場励磁手段および前記磁場検出手段が、前記鋳型の直下でかつ前記鋳片の短辺側を冷却する冷却帯よりも下方にある鋳片短辺側に配置されている;
    ことを特徴とする請求項1に記載の鋳片表面温度測定装置。
  4.  前記磁場励磁手段によって励磁される磁場の印加周波数が0.5Hz以上かつ20Hz以下であることを特徴とする請求項1に記載の鋳片表面温度測定装置。
  5.  請求項1に記載の鋳片表面温度測定装置を用いて前記鋳片の前記表面温度を測定する方法であって、
     前記磁場励磁手段により前記鋳片に対して前記交流磁場を印加するとともに、前記磁場検出手段によって前記交流磁場を検出する工程と;
     前記表面温度導出手段により前記鋳片の前記表面温度を導出する工程と;
    を備えることを特徴とする鋳片表面温度測定方法。
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