CN114289931A - 高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺。其技术方案是：所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％；Si为≤0.05wt％；Mn为20～32wt％；Ni为0.1～2wt％；Cr为0.1～1.8wt％；Cu为0.55～1.00wt％；W为0.5～1.9wt％；Mo为1.3～3.0wt％；Al为0.5～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊。本发明用于横焊位置焊接，具有能全自动焊接、焊接效率高、无焊接烟尘、焊缝金属成型好和力学性能优良的特点；所形成的焊缝金属低温韧性优良以及强度与高锰奥氏体低温钢相匹配。
Description
技术领域
本发明属于埋弧横焊用实芯焊丝技术领域。具体涉及一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺。
背景技术
近年来，随着液化天然气(简写为LNG，下同)清洁能源的快速发展，LNG储运装备(其服役温度为-196℃)呈现出前所未有的巨大需求。目前商业用LNG储罐用钢为9Ni钢，价格昂贵，因此，开发和研制新型低温钢成为世界各国的重要方向。锰含量为22～25％的高锰钢，以其与镍具有相同的物理冶金特点，通过添加其它合金元素，使高锰钢的层错能控制在22～24mJ/m2以上，在-196℃的超低温条件下其微观组织仍然为稳定的奥氏体，从而保证了超低温条件下的优良综合力学性能，高锰奥氏体低温钢与9Ni钢的力学性能相当，因而，高锰奥氏体低温钢成为未来极具竞争力的、替代9Ni钢用于LNG储运装备的新型低温钢铁材料。
与高锰奥氏体低温钢配套的焊接材料与焊接工艺是制备LNG储运装备的关键技术之一，决定着整个结构的完整性和运行的安全性。现有技术中：
《一种用于高锰奥氏体低温钢手工电弧焊接的低氢型焊条》(CN201910008172.6)专利技术，公开了一种与高锰低温钢配套的手工电焊条，该手工电焊条虽可实现全位置焊接，但全部采用人工操作，劳动强度大，劳动力成本高，焊接效率低；焊条的发尘量大，不利于焊工的身体健康。
《一种高锰超低温钢焊丝及其焊接工艺》(CN201710432013.X)专利技术、《用于超低温高锰钢焊接的钨极氩弧焊实芯焊丝》(CN201710194207.0)专利技术和《TUNGSTENINERT GAS WELDING MATERIAL FOR HIGH MANGANESE STEEL》(KR20140188144)专利技术，公开了三种与高锰奥氏体低温钢配套的钨极氩弧焊焊丝及焊接工艺，由于钨极氩弧焊采用钨极作为电极，通过钨极与焊接板接触产生电弧来熔化焊丝和钢板，只能人工操作，不能实现自动化，存在焊接效率低的问题。
《一种适用于高锰奥氏体低温钢的高效埋弧焊金属粉芯药芯焊丝》(CN201811602479.0)专利技术、《制备LNG贮罐的高锰钢用全自动埋弧焊实芯焊丝》(CN201710194206.6)专利技术、《一种25Mn奥氏体钢用金属粉芯埋弧焊丝焊剂组合》(CN202010599845.2)专利技术和《一种节镍型高锰低温钢用全自动埋弧焊实芯焊丝》(CN202010993137.7)专利技术，公开了用于高锰奥氏体低温钢焊接的全自动埋弧焊焊丝和焊剂，但埋弧焊只能实现平焊位置焊接。《HIGH STRENGTH WELDING JOINT HAVINGEXCELLENT IMPACT TOUGHNESS AT VERY LOW TEMPERATURE,AND FLUX-CORED ARC WELDINGWIRE THEREFOR》(US201816189232)专利技术和《一种超低温高锰钢用熔化极气体保护焊金属粉芯药芯焊丝》(CN201910008171.1)专利技术，公开了用于高锰低温钢的CO2或CO2+Ar混合气体保护的药芯焊丝和实芯焊丝，虽然可实现全位置高效率焊接，但是存在烟尘大、飞溅大、焊缝金属成型差和力学性能低等问题。
在进行LNG储罐建造过程中，不可避免会出现比较长的横焊焊缝。在采用手工电弧焊、钨极氩弧焊时，存在焊接效率低、不能实现自动化的问题；在采用埋弧焊时，不能实现横焊位置的全自动化焊接；在采用CO2或CO2+Ar混合气体保护的药芯焊丝和实芯焊丝，存在烟尘大、飞溅大、成型不好和焊缝金属力学性能低的问题。
发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，目的是提供一种能全自动焊接、焊接效率高、无焊接烟尘、焊缝金属成型好和力学性能优良的高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺；所形成的焊缝金属低温韧性优良以及强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，能满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％；Si为≤0.05wt％；Mn为20～32wt％；Ni为0.1～2wt％；Cr为0.1～1.8wt％；Cu为0.55～1.00wt％；W为0.5～1.9wt％；Mo为1.3～3.0wt％；Al为0.5～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的制备方法是：按照所述的埋弧横焊的实芯焊丝的化学组分冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理和层绕，制得高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝。
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的直径为2.0～3.2mm。
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的配套焊剂为BaO-MgO-CaF2-Al2O3-REO型的高碱性烧结焊剂。
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊：
所述打底焊的焊接工艺：焊接电流为310～470A，电弧电压为22～34V，焊接速度为30～55cm/min。
所述填充焊的焊接工艺：焊接电流为320～550A，电弧电压为24～35V，焊接速度为35～65cm/min。
所述盖面焊的焊接工艺：焊接电流为300～550A，电弧电压为24～35V，焊接速度为35～75cm/min。
所述高锰奥氏体低温钢的钢板坡口型式为X型对称坡口、或为K型对称坡口；
所述X型对称坡口：上坡口角度为30～45°，下坡口角度为0～15°，钝边为0～2mm，间隙为2～3mm；组对间隙为0～10mm，错边量为0～7mm。
所述K型对称坡口：上坡口角度为30～45°，下坡口角度为0°，钝边为0～2mm，间隙为2～3mm；组对间隙为0～10mm，错边量为0～7mm。
所述高锰奥氏体低温钢的厚度为10～30mm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有如下积极效果：
本发明制备的高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝(以下简称埋弧横焊用实芯焊丝)的化学组分中的C、Mn、Ni、Cu均为奥氏体稳定元素，通过采用C为0.20～0.60wt％、Mn为20～32wt％、Ni为0.1～2wt％、Cu为0.55～1.00wt％的设计，保证在在-196℃时所形成焊缝金属仍为全奥氏体组织，且层错能为22.5～23.8mJ/m2，在低温受到外在力的作用时以孪晶为主要形变方式，从而保证了超低温时的综合力学性能，包括超低温冲击韧性、强度及延展性。
本发明的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Cr、Mo为主要的固溶强化的元素，通过采用Cr为0.1～1.8wt％和Mo为1.3～3.0wt％，两者综合作用得到的实芯焊丝焊接所形成的焊缝金属在室温时可达到400MPa以上的屈服强度。
本发明的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的W、Al及微量元素Nb+V+Ti+B+RE等，为主要的析出强化元素和改性夹杂物元素，通过采用W为0.5～1.9wt％、Al为0.5～2wt％和Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％的设计，在固溶强化的作用上，通过析出强化和改善夹杂物形貌，进一步提高了所形成焊缝金属在室温时屈服强度和抗拉强度，且不损伤低温时的延展性。
本发明的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中Si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中Si含量过低，起不到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。与高碱性烧结焊剂相配套，在气-渣联合保护条件下，从而保证焊缝金属具有良好的成型性。因此，本发明的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Si为≤0.05wt％。
本发明中杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt％和S≤0.001wt％。通过净化钢水，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
本发明采用BaO-MgO-CaF2-Al2O3-REO型的高碱性烧结焊剂，在气-渣联合保护条件下，在焊接过程中不产生焊接烟尘，对焊工的健康起到保护作用，焊缝金属成型良好。采用常规的埋弧横焊焊机，以实芯焊丝作为电极，可快速熔化，既可提高焊接效率，也可实现全自动焊接。
本发明所制备的埋弧横焊用实芯焊丝，用于高锰奥氏体低温钢的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，-196℃时冲击功Akv为68～75J；亦保证了足够的强度：屈服强度为410～440MPa，抗拉强度为670～690MPa，延伸率A为40～43％，实现了-196℃工作温度时的高锰奥氏体低温钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
本发明用于横焊位置焊接，具有能全自动焊接、焊接效率高、无焊接烟尘、焊缝金属成型好和力学性能优良的特点；所形成的焊缝金属低温韧性优良以及强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能；本发明满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步描述，并非对本其保护范围的限制。
为避免重复，先将本具体实施方式有关工艺统一描述如下，实施例中不再赘述：
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的制备方法是：按照所述的埋弧横焊的实芯焊丝的化学组分冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理和层绕，制得高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝。
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的配套焊剂为BaO-MgO-CaF2-Al2O3-REO型的高碱性烧结焊剂。
实施例1
一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺。
本实施例所述用埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.28wt％；Si为0.02～0.03wt％；Mn为20～24wt％；Ni为1.3～2wt％；Cr为1.2～1.8wt％；Cu为0.55～0.75wt％；W为1.2～1.6wt％；Mo为1.3～1.9wt％；Al为1.5～2.0wt％；Nb+V+Ti+B+RE为0.25～0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高锰奥氏体钢用的埋弧横焊焊丝直径为2.0mm。
本实施例所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊：
所述打底焊的焊接工艺：焊接电流为310～330A，电弧电压为22～24V，焊接速度为30～32cm/min。
所述填充焊的焊接工艺：焊接电流为320～350A，电弧电压为24～26V，焊接速度为35～37cm/min。
所述盖面焊的焊接工艺：焊接电流为300～310A，电弧电压为24～26V，焊接速度为35～37cm/min。
所述高锰奥氏体低温钢钢板的厚度为10mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.45wt％，Si为0.10wt％，Mn为28wt％，N为0.05wt％，P为0.004wt％，S为0.003wt％。所述25Mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为475MPa，抗拉强度为810MPa，延伸率A为41％；-196℃时冲击功Akv为75J。
本实施例采用的坡口型式为K型对称坡口：上坡口角度为30～40°，下坡口角度为0°，钝边为0mm，间隙为2～2.5mm；组对间隙为0mm，错边量为0mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，焊缝金属成型良好；焊缝金属的屈服强度为421～440MPa，抗拉强度为673～690MPa，伸长率A＝40～42％，-196℃时冲击功平均值Akv＝69～73J。
实施例2
一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺。
本具体实施方式所述埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.41～0.60wt％；Si为0.03～0.05wt％；Mn为29～32wt％；Ni为0.1～0.8wt％；Cr为0.1～0.7wt％；Cu为0.75～0.80wt％；W为1.6～1.9wt％；Mo为1.9～2.4wt％；Al为1.0～1.5wt％；Nb+V+Ti+B+RE为≤0.1wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高锰奥氏体钢埋弧横焊焊丝直径为2.5mm。
本实施例所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊：
所述打底焊的焊接工艺：焊接电流为410～420A，电弧电压为28～29V，焊接速度为41～43cm/min；
所述填充焊的焊接工艺：焊接电流为450～470A，电弧电压为30～32V，焊接速度为50～52cm/min；
所述盖面焊的焊接工艺如下：焊接电流为440～460A，电弧电压为30～32V，焊接速度为50～52cm/min。
所述高锰奥氏体低温钢钢板的规格为20mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.45wt％，Si为0.10wt％，Mn为28wt％，N为0.05wt％，P为0.004wt％，S为0.003wt％。所述25Mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为475MPa，抗拉强度为810MPa，延伸率A为41％；-196℃时冲击功Akv为75J。
本实施例采用的坡口型式为K型对称坡口：上坡口角度为40～45°，下坡口角度为0°，钝边为0.5～2mm，间隙为2.5～3mm；组对间隙为1～10mm，错边量为1～7mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，焊缝金属成型良好；焊缝金属的屈服强度为410～425MPa，抗拉强度为682～688MPa，伸长率A＝40～41％，-196℃时冲击功平均值Akv＝69～72J。
实施例3
一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝及其焊接工艺。
本具体实施方式埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％；Si为≤0.05wt％；Mn为20～32wt％；Ni为0.1～2wt％；Cr为0.1～1.8wt％；Cu为0.55～1.00wt％；W为0.5～1.9wt％；Mo为1.3～3.0wt％；Al为0.5～2wt％；Nb+V+Ti+B+RE为≤0.5wt％；P≤0.002wt％；S≤0.001wt％；余量为Fe和不可避免的杂质。
所述高锰奥氏体钢埋弧横焊焊丝直径为3.2mm。
本实施例所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊：
所述打底焊的焊接工艺：焊接电流为460～470A，电弧电压为32～34V，焊接速度为50～55cm/min；
所述填充焊的焊接工艺：焊接电流为520～550A，电弧电压为33～35V，焊接速度为62～65cm/min；
所述盖面焊的焊接工艺：焊接电流为520～550A，电弧电压为34～35V，焊接速度为73～75cm/min。
所述高锰奥氏体低温钢钢板的厚度为30mm。
所述高锰奥氏体低温钢的化学组分是：C为0.45wt％，Si为0.10wt％，Mn为28wt％，N为0.05wt％，P为0.004wt％，S为0.003wt％。所述25Mn超低温钢的力学性能是：屈服强度为475MPa，抗拉强度为810MPa，延伸率A为41％；-196℃时冲击功Akv为75J。
本实施例采用的坡口型式为X型对称坡口，上坡口角度为30～45°，下坡口角度为0或5～15°，钝边为0或1～2mm，间隙为2～3mm；组对间隙为0或2～10mm，错边量为0或1～7mm。
对本实施例焊后的焊缝金属显微组织及力学性能进行检测分析：焊缝金属为全奥氏体组织，焊缝金属成型良好；焊缝金属的屈服强度为412～420MPa，抗拉强度为670～685MPa，伸长率A＝40～41％，-196℃时冲击功平均值Akv＝70～75J。
本具体实施方式与现有技术相比具有如下积极效果：
本具体实施方式制备的高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝(以下简称埋弧横焊用实芯焊丝)的化学组分中的C、Mn、Ni、Cu均为奥氏体稳定元素，通过采用C为0.20～0.60wt％、Mn为20～32wt％、Ni为0.1～2wt％、Cu为0.55～1.00wt％的设计，保证在在-196℃时所形成焊缝金属仍为全奥氏体组织，且层错能为22.5～23.8mJ/m2，在低温受到外在力的作用时以孪晶为主要形变方式，从而保证了超低温时的综合力学性能，包括超低温冲击韧性、强度及延展性。
本具体实施方式的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Cr、Mo为主要的固溶强化的元素，通过采用Cr为0.1～1.8wt％和Mo为1.3～3.0wt％，两者综合作用得到的实芯焊丝焊接所形成的焊缝金属在室温时可达到400MPa以上的屈服强度。
本具体实施方式的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的W、Al及微量元素Nb+V+Ti+B+RE等，为主要的析出强化元素和改性夹杂物元素，通过采用W为0.5～1.9wt％、Al为0.5～2wt％和Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％的设计，在固溶强化的作用上，通过析出强化和改善夹杂物形貌，进一步提高了所形成焊缝金属在室温时屈服强度和抗拉强度，且不损伤低温时的延展性。
本具体实施方式的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Si元素，一方面起固溶强化的作用，另一方面起调节熔池中液态金属粘稠度的作用。焊缝金属中Si含量过高，提高了强度但是降低了超低温韧性；焊缝金属中Si含量过低，起不到调节熔池中液态金属粘稠度的作用。与高碱性烧结焊剂相配套，在气-渣联合保护条件下，从而保证焊缝金属具有良好的成型性。因此，本具体实施方式的埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分中的Si为≤0.05wt％。
本具体实施方式中杂质元素硫与磷的存在，使焊缝金属产生液化裂纹与再热裂纹，故严格控制硫、磷元素的含量：P≤0.002wt％和S≤0.001wt％。通过净化钢水，将焊丝的P和S含量降到最低，避免因P、S偏聚而产生热裂纹倾向，保证了良好的焊缝金属质量。
本具体实施方式采用BaO-MgO-CaF2-Al2O3-REO型的高碱性烧结焊剂，在气-渣联合保护条件下，在焊接过程中不产生焊接烟尘，对焊工的健康起到保护作用，焊缝金属成型良好。采用常规的埋弧横焊焊机，以实芯焊丝作为电极，可快速熔化，既可提高焊接效率，也可实现全自动焊接。
本具体实施方式所制备的埋弧横焊用实芯焊丝，用于高锰奥氏体低温钢的焊接，焊缝金属形成全奥氏体组织，不仅保证优良的超低温韧性，-196℃时冲击功Akv为68～75J；亦保证了足够的强度：屈服强度为410～440MPa，抗拉强度为670～690MPa，延伸率A为40～43％，实现了-196℃工作温度时的高锰奥氏体低温钢的力学性能要求和超低温韧性的要求。
本具体实施方式用于横焊位置焊接，具有能全自动焊接、焊接效率高、无焊接烟尘、焊缝金属成型好和力学性能优良的特点；所形成的焊缝金属低温韧性优良、强度与高锰奥氏体低温钢相匹配，焊接接头具有强度高和优良的超低温韧性的力学性能；本具体实施方式满足用于-196℃工作温度的LNG贮罐的强度和超低温韧性的技术要求。
Claims (4)
1.一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝，其特征在于所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的化学组分是：C为0.20～0.60wt％，Si为≤
0.05wt％，Mn为20～32wt％，Ni为0.1～2wt％，Cr为0.1～1.8wt％，Cu为0.55～1.00wt％，W为0.5～1.9wt％，Mo为1.3～3.0wt％，Al为0.5～2wt％，Nb+V+Ti+B+RE为0～0.5wt％，P≤0.002wt％，S≤0.001wt％，余量为Fe和不可避免的杂质；
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的制备方法是：按照所述的埋弧横焊的实芯焊丝的化学组分冶炼，锻造，轧制，热处理，拉拔，表面处理和层绕，制得高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝；
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的直径为2.0～3.2mm；
所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的配套焊剂为BaO-MgO-CaF2-Al2O3-REO型的高碱性烧结焊剂。
2.一种高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺，其特征在于所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺依次为打底焊、填充焊和盖面焊：
打底焊的焊接工艺：焊接电流为310～470A，电弧电压为22～34V，焊接速度为30～55cm/min；
填充焊的焊接工艺：焊接电流为320～550A，电弧电压为24～35V，焊接速度为35～65cm/min；
盖面焊的焊接工艺：焊接电流为300～550A，电弧电压为24～35V，焊接速度为35～75cm/min。
3.根据权利要求2所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺，其特征在于所述高锰奥氏体低温钢的钢板坡口型式为X型对称坡口、或为K型对称坡口；
所述X型对称坡口：上坡口角度为30～45°，下坡口角度为0～15°，钝边为0～2mm，间隙为2～3mm；组对间隙为0～10mm，错边量为0～7mm；
所述K型对称坡口：上坡口角度为30～45°，下坡口角度为0°，钝边为0～2mm，间隙为2～3mm；组对间隙为0～10mm，错边量为0～7mm。
4.根据权利要求2所述高锰奥氏体低温钢埋弧横焊用实芯焊丝的焊接工艺，其特征在于所述高锰奥氏体低温钢的钢板厚度为10～30mm。
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