CN113286409A - 热等离子体喷枪 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种提供更加稳定的电弧的同时能够自由调节功率的热等离子体喷枪。该热等离子体喷枪具有第一阳极组件和第二阳极组件，并且两个阳极组件分别配置独立的第一电源和第二电源，从而热等离子喷枪使用时，产生的高温电弧可以在第一阳极组件内部也可以在第二阳极组件内部，避免了单一阳极而导致的局部高温电极烧蚀，提供了热等离子体喷枪的使用寿命。具体地，本发明提供的热等离子喷枪包括阴极组件、第一阳极组件和第二阳极组件，阴极组件与第一阳极组件之间设置有第一电源，阴极组件与第二阳极组件之间设置有第二电源，第一电源与第二电源相互独立。

Description

热等离子体喷枪

技术领域

本发明涉及热等离子体技术领域，特别涉及一种热等离子体喷枪。

背景技术

热等离子体具有高温、高焓、高能量密度、高化学活性、富含活性粒子、反应速度快、温度梯度大、启停快速等优势特点，其产生的高温高能量优于现有的大多数高温技术，特别是，热等离子体技术为危险废物的处理提供了可以实现“无害化、减量化、资源化”的技术路径。

而热等离子体技术在实际应用中的核心装置是热等离子体喷枪，热等离子体喷枪是利用阴极与阳极之间放电形成的高温电弧加热气体，气体进入阳极喷嘴压缩段后被电弧加热到1×10⁴K以上的高温后发生电离，进入阳极喷管扩张段膨胀加速，最终形成等离子体射流。热等离子体技术现已被广泛应用于机械、化工、材料以及航空宇航各领域。热等离子体喷枪的主要性能参数取决于等离子体射流的温度和速度分布，而等离子体射流的温度和速度分布情况又取决于热等离子体喷枪的结构特点，故改进热等离子体喷枪的结构，使之更加合理化，是本领域共同关注的课题。

目前，常用的热等离子体喷枪，大多采用的是一对电极，即由一个阴极组件和一个阳极组件，在直流电源的作用下产生等离子体射流。在阳极组件里，由于流场、电磁场(即气体的流速和电源的电压)的相互作用，使得高温电弧在阳极组件内不断运动，等离子体的能量不断变化，导致射流不稳定，同时，单阳极结构容易造成高温电弧聚集在阳极内部，导致电极烧蚀。

而且，大部分热等离子体喷枪的阴、阳极在结构上是固定的，二者之间的间距也是固定的，使得在相同的工作电流下喷枪的输入功率是一定的。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种更加稳定的电弧的同时能够自由调节功率的热等离子体喷枪。

本发明提供的热等离子喷枪包括阴极组件、第一阳极组件和第二阳极组件，阴极组件与第一阳极组件之间设置有第一电源，阴极组件与第二阳极组件之间设置有第二电源，第一电源与第二电源相互独立。

根据该技术方案，首先，本发明提供的热等离子体喷枪具有第一阳极组件和第二阳极组件，并且两个阳极组件分别配置独立的第一电源和第二电源，从而热等离子体喷枪使用时，产生的高温电弧可以在第一阳极组件内部也可以在第二阳极组件内部，避免了单一阳极而导致的局部高温电极烧蚀，提高了热等离子体喷枪的使用寿命。

其次，热等离子体喷枪内设置两个阳极，相较于单阳极只能产生一个电弧，双阳极的设置能够使得热等离子体喷枪产生的电弧更长，同时对于双阳极设置相互独立的电源使得可以根据阴极组件与第一阳极组件、阴极组件与第二阳极组件之间产生的电弧长度不同来配置不同电压的电源，使得阴极组件与阳极组件，特别是产生的电弧更长的阴极组件与第二阳极组件之间产生的电弧也更稳定。

最后，双阳极的设置使得热等离子体喷枪的功率不再单一，进一步地，独立电源的设置可以进一步地扩大热等离子体喷枪的功率调整范围，具体地，阴极组件与第一阳极组件产生电弧为本发明提供的热等离子体喷枪的第一功率；阴极组件与第二阳极组件产生电弧为本发明提供的热等离子体喷枪的第二功率；阴极组件与第一阳极组件和阴极组件与第二阳极组件同时产生电弧为本发明提供热等离子体喷枪的第三功率。

作为优选，阴极组件、第一阳极组件和第二阳极组件依次同轴间隔设置。

根据该技术方案，阴极组件与第一阳极组件产生的电弧、阴极组件与第二阳极组件产生的电弧在同一条轴线上，从而使得，与阴极组件相互靠近的第一阳极组件可以用于起弧，当热等离子体喷枪调整功率时，电弧可以在第一阳极组件和第二阳极组件之间沿轴线进行转移，并且，同轴设置使得第一电弧与第二电弧能够在同一条轴线上联合从而产生更高温的电弧，各个组件间隔设置则可以避免阴极组件与阳极组件短接而对喷枪造成损坏，也可以避免第一阳极组件与第二阳极组件短接而造成电弧长度改变的情况。

作为优选，阴极组件包括能够发射电子的阴极头和围绕阴极头设置的阴极套筒，阴极套筒连通有阴极冷却水通路和第一气体通路。

根据该技术方案，在阴极头外部包覆阴极套筒，从而阴极头可以稳定地产生电子，避免外界杂质离子与电子发生结合而影响热等离子体喷枪产生的电弧的稳定性，同时通过在阴极套筒上形成气体通路，从而能够向阴极持续通入电离气体(氦气、氩气、氢气等)，使得电离过程持续进行，形成稳定的电弧。此外，等离子体电弧的温度很高，而在阴极套筒上设置阴极冷却水可以降低电弧辐射到阴极套筒上的温度，便于操作，同时也提高了等离子体喷枪的使用寿命。

作为优选，第一阳极组件和第二阳极组件形成为中空套筒结构，第一阳极组件和/或第二阳极组件的侧壁与阳极冷却水通路接通。

根据该技术方案，第一阳极组件和第二阳极组件形成为中空套筒结构，电离气体在高温电弧的作用下发生电离，电离后的等离子体可以通过第一阳极组件和第二阳极组件的中空部向外喷射，从而更利于热等离子体喷枪向外喷射热等离子体射流进行废物处理操作，并且，在中空套筒的侧壁上同样设置阳极冷却水通路，可以在热等离子体喷枪使用时降低阳极套筒上的温度，便于技术人员进行操作的同时提高热等离子体喷枪的使用寿命。

作为优选，第一阳极组件和第二阳极组件的中空部沿轴线方向均具有颈缩段。根据该技术方案，流体进入渐缩的管径会使得气体流速变大，此时流体再以较高的流速进入后部大口径处，由于较高的流速在后部产生低压环境，后部的低压环境更有利于推动等离子体由阳极组件的前端流向后端，并有利于进一步地增加等离子体向外喷射时的流速。

作为优选，第一阳极组件与第二阳极组件通过中间件连接，中间件的侧壁上设置有附加气体通路。

根据该技术方案，第一阳极组件和第二阳极组件通过中间件进行连接，进一步保证了第一阳极组件与第二阳极组件之间的绝缘，并通过在中间件上设置附加气体通路，通过中间件的气体通路为热等离子体喷枪的腔体内部提供电离气体，从而使得电弧末端也具有充分的电离气体，进一步地稳定电弧。

作为优选，中间件上还设置有附加冷却水通路。

根据该技术方案，通过在第一阳极组件与第二阳极组件之间设置附加冷却水通路，进一步地在热等离子体喷枪的中段对高温电弧进行冷却降温。

作为优选，阴极组件还包括绝缘分气环，绝缘分气环形成于第一气体通路端部，在阴极套筒与阴极头之间倾斜设置，且绝缘分气环上形成有若干个通孔。

根据该技术方案，电离气体将可以沿绝缘分气环的倾斜壁面上发生旋转；绝缘分气环形成有若干个通孔，这样，电离气体只能由通孔进入到热等离子喷枪腔体内部。由于电离气体发生沿绝缘分气环的倾斜壁面发生旋转，而且由通孔进入到等离子体喷枪腔体内部的气体沿不同方向运动，从而发生碰撞，增强了电离气体的电离效果，此外，电弧在旋转气体的作用下向中心压缩，从而电弧被拉长，使得等离子气体充分加热，提高了喷枪的废物处理效果。

作为优选，中间件还包括附加绝缘分气环，附加绝缘分气环倾斜设置于附加气体通路中。

根据该技术方案，在附加气体通路中也放置绝缘分气环，从而当气体由中间件中设置的附加气体通路进入第二阳极组件时，也能够产生旋转，使得阴极组件与第二阳极组件之间的第二电弧也被拉长，而第二阳极组件的电弧长度在一定程度上决定了本发明中的热等离子体喷枪产生的电弧最长的长度，所以，在附加气体通路之前设置绝缘分气环，可以进一步提升热等离子体喷枪所能达到的最大电弧长度。

附图说明

图1是本发明实施方式提供的一种热等离子体喷枪的结构简图；

图2是本发明实施方式提供的一种热等离子体喷枪的剖面结构示意图；

图3是本发明实施方式提供的一种热等离子体喷枪的第二阳极组件的剖面图；

图4是本发明实施方式中提供的热等离子体喷枪的中间件的结构剖面图；

图5是本发明实施方式中提供的热等离子体喷枪的a部放大图。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。本发明的实现并不限于下述实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内所采用的本发明技术构思下的各种变形、变换、组合和改进均属于本发明的保护范围。

图1是本实施方式提供的一种热等离子体喷枪的结构简图。如图1所示，阴极组件1、第一阳极组件2和第二阳极组件3，其中，阴极组件1与第一电源4和第二电源5的负极电性连接，第一阳极组件2与第一电源4的正极电性连接，第二阳极组件3与第二电源5的正极电性连接，从而当打开第一电源4和/或第二电源5时，阴极组件1与第一阳极组件2和/或第二阳极组件3之间放电，对热等离子体喷枪内部的电离气体进行电离，从而产生高温的等离子体电弧，高温等离子体电弧可以对外部物质进行加热和熔化。

具体地，热等离子体喷枪在使用时，电弧的稳定性往往决定了喷枪的在使用中的可靠性和喷枪的使用寿命。而影响电弧稳定性的因素有很多，例如电离气体的种类，电源的电压和电流大小，电弧的长度(即阴极与阳极之间的距离等)。

其中，电离气体可以为N₂气或Ar气，具体地，N₂气的离子焰热焓高，传热快，利于对于外部材料的加热和熔化，但对于易发生氮化反应的材料则不可采用。Ar气电离电位较低，产生的电弧稳定且易于引燃，弧焰较短，此外Ar气还有很好的保护作用，但Ar气相较于N₂气的热焓较低，价格昂贵。

第一电源4和第二电源5可以为任意能够提供适合的电压与电流的电源装置，作为优选例，第一电源4盒第二电源5为直流电源，直流电流更加有利于提高电弧的稳定性。

此外，电弧的长度需要与电源的电压和电流大小相匹配，所以对于第一阳极组件1和第二阳极组件2分别设置第一电源4和第二电源5，从而可以根据不同的阳极组件与阴极组件1之间产生的电弧长度(即阴极与阳极之间的距离)设置合适的电压和电流，有利于提高热等离子体喷枪产生的电弧的稳定性。

通过以上方式，首先，第一阳极组件2和第二阳极组件3，并且两个阳极组件分别配置独立的第一电源4和第二电源5，从而热等离子体喷枪使用时，产生的高温电弧可以在第一阳极组件2内部也可以在第二阳极组件3内部，避免了单一阳极而导致的局部高温电极烧蚀，提高了热等离子体喷枪的使用寿命。

其次，热等离子体喷枪内设置两个阳极，相较于单阳极只能产生一个电弧，双阳极的设置能够使得热等离子体喷枪产生的电弧更长，同时对于双阳极设置相互独立的电源使得可以根据阴极组件1与第一阳极组件2、阴极组件1与第二阳极组件3之间产生的电弧长度不同来配置不同电压的第一电源4、第二电源5，使得阴极组件1与阳极组件，特别是产生的电弧更长的阴极组件1与第二阳极组件3之间产生的电弧更稳定。

最后，双阳极的设置使得热等离子体喷枪的功率不再单一，进一步地，独立电源的设置可以进一步地扩大热等离子体喷枪的功率调整范围，具体地，在本实施方式中，热等离子体喷枪在使用时有三种功率可调，阴极组件1与距离更近的第一阳极组件2产生电弧为本实施方式提供的热等离子体喷枪的第一功率，此功率下热等离子体喷枪产生的电弧较短，等离子体射流的温度也较低；阴极组件1与距离更远的第二阳极组件3产生较长的电弧为本实施方式提供的热等离子体喷枪的第二功率，在此功率下热等离子体喷枪产生的电弧较长，等离子体射流的温度中等；阴极组件1与第一阳极组件2和阴极组件1与第二阳极组件3同时产生电弧为本发明提供热等离子体喷枪的第三功率，此功率下热等离子体喷枪产生的电弧较长，且热等离子体射流的温度最高。

需要注意的是，在本发明中并未限定热等离子体喷枪的各个组件的具体结构，例如第一阳极组件2在一些实施方式中可以为中空的圆环结构，在另一些实施方式中，该第一阳极组件2也可以为具有颈缩段的中空套管结构，在不违背本发明主旨的前提下，对本发明中的热等离子体喷枪的各个组件的结构进行简单的替换，均未超出本发明的保护范围。

图2是本实施方式提供的一种热等离子体喷枪的剖面结构示意图。结合图2来看，在本发明的优选实施例中，阴极组件1、第一阳极组件2和第二阳极组件3依次沿轴线Y间隔设置，当热等离子体喷枪进行工作时，第一电源4与第二电源5均保持开启状态时，阴极组件1与第一阳极组件2和第二阳极组件3之间产生第一电弧和第二电弧，第一电弧和第二电弧均与轴线Y重合，此时，在重合的电弧中间产生更高的热量，从而产生更高温度的等离子体射流，稳定电弧的同时提升了热等离子体射流的温度，此外，当热等离子体喷枪工作时，第二电源5开启后一段时间关闭，并同时开启第一电源4时，阴极组件1先与第二阳极组件3之间产生电弧，随后电弧在第二阳极组件3上的落点沿轴线Y转移至第一阳极组件2上。

此外，阴极组件1、第一阳极组件2和第二阳极组件3之间间隔设置可以保证各个组件之间保持绝缘，即可以保持阴极组件1与第一阳极组件之间绝缘，避免阴极组件1与阳极组件短接而对喷枪造成损坏，也可以保持第一阳极组件2与第二阳极组件3之间绝缘，避免第一阳极组件2与第二阳极组件3短接而造成电弧长度改变的情况。特别地，该间隔处可以通过绝缘环7进行填补，绝缘环7结构简单且具有连接作用，从而在保证绝缘的情况下便于热等离子体各个组件的整体安装，当然，通过其它的绝缘结构对于间隔处进行填补的情况，例如在一些实施方式中，在各个组件的连接处设置绝缘陶瓷，或者在另一些实施方式中，通过在组件之间的螺纹连接中增加绝缘垫片，均未超出本发明的保护范围。

其中，较优地，阴极组件1包括能够发射电子的阴极头11和围绕阴极头11设置的阴极套筒12，在热等离子体喷枪中，阴极头11在使用过程中源源不断地依靠热电子发射效应发射电子，从而使得电子能够通过电弧导电源源不断地输送至阳极，作为优选，钍钨、铈钨或镧钨电极具有熔点高(钨熔点3410℃±20℃)，电子发射能力强，熔化率低，抗腐蚀，良好的导热和导电性等特点，所以采用钍钨、铈钨或镧钨材料作为阴极头11材料，从而热等离子体喷枪的阴极组件1的起弧性能更好，电弧的稳定性更高，电极烧损率更小，实现热等离子体喷枪的快速高效启动，提高电弧的稳定性，延长阴极寿命。

阴极套筒12包覆在阴极头11周围，从而可以起到阻挡外部杂质的作用，避免外部杂质与电子结合而影响热等离子体喷枪的电弧的稳定性，而进一步地，阴极套筒12将阴极头11包覆后，则需要设置气体通路为热等离子体喷枪腔体内部提供电离气体，由此，在阴极套筒12连通有第一气体通路121，用于向热等离子体喷枪内部输送电离气体(氦气、氩气、氢气等)，从而使得电离过程持续进行，形成稳定的电弧，进一步地，第一气体通路121的气体吹出方向与阴极头11向阳极输送电子的方向保持一致，此处的方向一致并非指严格意义上两个方向重合，仅是电离气体靠近轴线Y吹出后能够在轴线Y上的电弧中进行电离，从而可以提高电离气体的利用率。此外，热等离子体喷枪工作时，阴极头11的温度很高，往往能够达到几千甚至上万度，较高的温度对于阴极套筒12和操作人员都是不利的，所以在阴极套筒12上设置阴极冷却水通路122，通过冷却水的降温可以降低电弧辐射到阴极套筒12上的温度，便于操作同时也提高的热等离子体喷枪的使用寿命，当然，通过其它的冷却形式对于本发明所提供的热等离子喷枪进行降温的情况，也同样适用于本发明。

其中，较优地，第一阳极组件2和第二阳极组件3形成为中空套筒结构，作为优选，第一阳极组件2和/或第二阳极组件3的侧壁均为导热导电良好的纯铜材料，阳极冷却水通路221与第一阳极组件2和/或第二阳极组件3的侧壁接通，从而对第一阳极组件2和/第二阳极组件3进行快速散热。在本实施方式中，第一阳极组件2和第二阳极组件3形成为中空套筒结构，当热等离子体喷枪工作时，电弧能够在第一阳极组件2或第二阳极组件3的中空部形成，并且，阳极组件形成为中空的结构，从而有利于电离气体在第一阳极组件2和第二阳极组件3的中空部中电离形成等离子体，也更利于热等离子体由第一阳极组件2和第二阳极组件3的中空部向外喷射热等离子体射流进行废物处理操作，此外，在中空套筒的侧壁上同样设置阳极冷却水通路221，可以在热等离子体喷枪使用时降低阳极套筒上的温度，便于技术人员进行操作的同时提高热等离子体喷枪的使用寿命。

其中，较优地，第一阳极组件2和第二阳极组件3的中空部沿轴线方向均具有颈缩段。在本实施方式中，以第一阳极组件2为例，图3是第二阳极组件3的剖面图，当电离气体由A区流入颈缩段时，管径逐渐减小，而气体流速变大，较高的气体流速通过颈缩段进入B区时，在一段距离内依旧保持较高的流速，此时会在流速较高的气体周围产生低压环境，A区和B区之间的压力差有利于推动等离子体进一步地由A区向B区快速流出，从而有利于等离子喷枪向外喷射热等离子体射流来进行废物处理操作。

其中，较优地，图4是本实施方式中提供的热等离子体喷枪的中间件6的结构剖面图。结合图2和图4来看，第一阳极组件2与第二阳极组件3通过中间件6连接，中间件6的侧壁上设置有附加气体通路662。在本实施方式中，第一阳极组件2和第二阳极组件3通过中间件6进行绝缘连接，进一步保证了第一阳极组件2与第二阳极组件3之间的绝缘，便于热等离子体喷枪的安装稳定性；此外，通过在中间件6上设置附加气体通路662，进一步地通过附加气体通路662向热等离子体喷枪的第二阳极组件3的电离气体流入端通入电离气体，增加第二阳极组件3内部的电离气体密度，优选地，如图4所示，该附加气体通路662可以为贯通中间件6一端和中间件6与第二阳极组件3连接的另一端的气体通路，进一步地，该附加气体通路662优选为平直的气体通路，更有利于电离气体通入，当阴极组件1与第二阳极组件3通电产生电弧时，在第一阳极组件2与第二阳极组件3之间(即电弧末端)通入电离气体，从而可以进一步地稳定电弧。

进一步地，优选地，中间件6上还设置有附加冷却水通路661。第一阳极组件2与第二阳极组件3之间设置附加冷却水通路661，进一步地在热等离子体喷枪的中段对高温电弧进行冷却降温。

其中，较优地，图5是本实施方式中提供的热等离子体喷枪的a部放大图。结合图2和图5来看，绝缘分气环13在阴极套筒12与阴极头11之间倾斜设置，且绝缘分气环13上形成有若干个通孔131。

在本实施方式中，电离气体由第一气体通路121通入热等离子体喷枪腔体内部后，将沿绝缘分气环13倾斜的壁面发生旋转；而绝缘分气环13沿着径向还设有若干个通孔131，这样，电离气体只能由通孔131进入到热等离子体喷枪腔体内部。由于电离气体发生沿绝缘分气环13的倾斜的壁面发生旋转，而且由通孔131进入到等离子体喷枪内腔的气体将沿不同方向运动，从而发生碰撞，增强了气体的电离效果，此外，电弧在旋转气体的作用下向中心压缩，从而电弧被拉长，使得等离子气体充分加热，提高了喷枪的废物处理效果。

特别地，结合图2和图4来看，在附加气体通路662中还设置有附加绝缘分气环663，当气体由中间件6中设置的附加气体通路662进入第二阳极组件3时，也能够产生旋转和碰撞，从而使得阴极组件1与第二阳极组件3之间产生的第二电弧也被拉长，而阴极组件1与第二阳极组件3之间的距离更远，从而第二电弧长度在一定程度上决定了本发明中的热等离子体喷枪产生的电弧最长的长度，所以，在附加气体通路662中设置附加绝缘分气环663，可以进一步提升热等离子体喷枪的电弧长度。

本领域技术人员能够理解的是，可以对各个实施方式中的具体技术特征进行适应性地拆分或合并。对具体技术特征的这种拆分或合并并不会导致技术方案偏离本发明的原理，因此，拆分或合并之后的技术方案都将落入本发明的保护范围内。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

至此，已经结合附图所示的多个实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

附图标记说明

1-阴极组件；

11-阴极头；

12-阴极套筒；

121-第一气体通路；

122-阴极冷却水通路；

13-绝缘分气环；

131-通孔；

2-第一阳极组件；

221，331-阳极冷却水通路

3-第二阳极组件；

4-第一电源；

5-第二电源；

6-中间件；

661-附加冷却水通路；

662-附加气体通路；

663-附加绝缘分气环；

7-绝缘环。

Claims (9)

1.一种热等离子体喷枪，其特征在于，包括阴极组件、第一阳极组件和第二阳极组件，所述阴极组件与所述第一阳极组件之间设置有第一电源，所述阴极组件与所述第二阳极组件之间设置有第二电源，所述第一电源与第二电源相互独立。

2.如权利要求1所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述阴极组件、第一阳极组件和第二阳极组件依次同轴间隔设置。

3.如权利要求2所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述阴极组件包括能够发射电子的阴极头和围绕所述阴极头设置的阴极套筒，所述阴极套筒连通有阴极冷却水通路和第一气体通路。

4.如权利要求3所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述第一阳极组件和第二阳极组件形成为中空套筒结构，所述第一阳极组件和/或所述第二阳极组件的侧壁与阳极冷却水通路接通。

5.如权利要求4所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述第一阳极组件和第二阳极组件的中空部沿轴线方向均具有颈缩段。

6.如权利要求3任一项所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述第一阳极组件与所述第二阳极组件通过中间件连接，

所述中间件的侧壁上设置有附加气体通路。

7.如权利要求6所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述中间件上还设置有附加冷却水通路。

8.如权利要求6所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述阴极组件还包括绝缘分气环，所述绝缘分气环形成于所述第一气体通路端部，在所述阴极套筒与所述阴极头之间倾斜设置，且所述绝缘分气环上形成有若干个通孔。

9.如权利要求8所述的热等离子体喷枪，其特征在于，所述中间件还包括附加绝缘分气环，所述附加绝缘分气环倾斜设置于所述附加气体通路中。

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