FR2526814A1 - Steel strip with cured insulating aluminium phosphate coating - formed using nitric acid-contg. phosphate soln. - Google Patents
Steel strip with cured insulating aluminium phosphate coating - formed using nitric acid-contg. phosphate soln. Download PDFInfo
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Abstract
Description
"Eléments cn feuilles d'acier revêtus d'un phosphate
isolant"
Ltinvention concerne des éléments en feuilles d'acier revêtus d'un phosphate isolant."Elements of steel sheets coated with a phosphate
insulating"
The invention relates to sheet steel elements coated with an insulating phosphate.
Les noyaux magnétiques utilises dans des générateurs, des transformateurs, des moteurs électriques, etc, sont faits de préférence de pieces de coupées en acier laminé avec un revêtement de matière isolante sur chaque feuille-. The magnetic cores used in generators, transformers, electric motors, etc., are preferably made of rolled steel cut pieces with a coating of insulating material on each sheet.
Comme il est bien connu dans la technique ces noyaux sont formés de feuilles au lieu d'acier massif de façon que les courants parasites soient réduits au minimum pendant l'utilisation des noyaux.As is well known in the art these cores are formed of sheets instead of solid steel so that stray currents are minimized during use of the cores.
Ltorthophosphate d'aluminium, désigné aussi comme monophosphate d'aluminium, est.une solution minérale de revêtement qui est utilisée sous forme diluée pour produire une couche isolante entre les feuille sur les bandes et piéces découpées en tôles d'acier . On l'utilise pour réaliser une résistance entre les feuilles du noyau des moteurs générateurs et transformateurs et en plus pour réduire au minimum les pertes par courants parasites dans les machines.La solution de revêtement, à la concentration non diluée, est constituée d'un mélange d'acide phosphorique et d'alunine hydratée et contient environ 33 % en poids de P205, 8% en poids d'AI203 et 59 ffi en poids d'H20. On peut trouver ce type de solution de revêtement dans le commerce, par exemple sous la désignation commerciale d'Alkophos, et on l'utilise largement dans l'industrie de l'appareillage électrique. On l'applique sur l'acier pour usages électriques chez le fabricant dappareils ou chez le fournisseur de l'acier. Aluminum orthophosphate, also referred to as aluminum monophosphate, is a mineral coating solution which is used in dilute form to produce an insulating layer between the sheets on the strips and pieces cut from steel sheets. It is used to achieve resistance between the core sheets of the generator and transformer motors and additionally to minimize stray current losses in the machines. The coating solution, at the undiluted concentration, consists of a mixture of phosphoric acid and hydrated alumina and contains about 33% by weight of P 2 O 5, 8% by weight of Al 2 O 3 and 59% by weight of H 2 O. This type of coating solution can be found commercially, for example under the commercial designation Alkophos, and is widely used in the electrical equipment industry. It is applied to steel for electrical purposes at the appliance manufacturer or the steel supplier.
La solution de mono-phosphate d'aluminium décrite ci-dessus est généralement diluée encore avec de l'eau avant usage. Les concentrations que l'on utilise habituellement sont d'environ 0,5 à 4 volumes d'H20 pour I volume de solution de monophosphate d'aluminium suivant la résistance et l'épaisseur voulue, et suivant l'app reil de revêtement qde l'on utilise pour son application. The aluminum mono-phosphate solution described above is generally further diluted with water before use. The concentrations usually used are about 0.5 to 4 volumes of H 2 O per volume of aluminum monophosphate solution depending on the strength and thickness required, and depending on the coating application of the coating. we use for its application.
Cette solution est appliquée avec des applicateurs à un rouleau en feutre ou en caoutchouc sur l'acier puis cuite dans un four monté en tandem. Ces types de revEtements avec un phosphate sont bien connus dans la technique, et sont utilisés comme reveXtements principalement pour l'acier laminé à chaud, comme il est décrit dans la spécification du brevet
U.S. NO 2 743 203 (Steinherz), ou l'on propose une cuisson des feuilles d'acier à 135 à 5000C, et l'élimination de l'eau par la chaleur, ce qui laisse une mince couche de phosphate qui a réagi avec la surface métallique la feuille. Le rev8tement obtenu a de bonnes propriétés isolantes et un bon facteur d'espace.Ce revêtement a aussi fait preuve de son aptitude à résister aux différents risques mécaniques, thermiques et chimiques que l'on rencontre dans les machines électriques ou dans les étapes des opérations au cours de leur production.This solution is applied with applicators to a roll of felt or rubber on the steel and then baked in a tandem-mounted oven. These types of phosphate coatings are well known in the art, and are used as revexts primarily for hot rolled steel as described in the patent specification.
US Pat. No. 2,743,203 (Steinherz), where steel sheets are baked at 135 ° to 5000 ° C., and the water is removed by heat, leaving a thin layer of phosphate which has reacted with the metal surface the sheet. The coating obtained has good insulating properties and a good space factor. This coating has also demonstrated its ability to withstand the various mechanical, thermal and chemical risks that are encountered in electrical machines or in the stages of operations. during their production.
Dans la pratique actuelle toutefois, où l'on utilise généralement de l'acier laminé à froid, dont la surface est facilement réactive, la température des feuilles d'acier du commerce, nécessaire pour cuire ce revêtement au phosphate non modifié, est d'environ 34O0C. Afin d'atteindre cette température des feuilles d'acier qui sera aussi la température du revêtement au phosphate, la température du four doit etre réglée à un niveau beaucoup plus élevé, de l'ordre généralement de 425 à 65O0C, suivant le modèle de four, la vitesse du transporteur et l'épaisseur de laminage. In the present practice, however, where cold-rolled steel, the surface of which is readily reactive, is generally used, the temperature of the commercial steel sheets required to bake the unmodified phosphate coating is about 34O0C. In order to achieve this temperature of the steel sheets which will also be the temperature of the phosphate coating, the temperature of the furnace must be set at a much higher level, generally of the order of 425 to 65O0C, depending on the furnace model , the speed of the conveyor and the rolling thickness.
Une cuisson d'une température aussi élevée représente une opération onéreuse, en raison du prix élevé du gaz naturel ou de l'électricité pour le four2 au coût important du travail dû aux faibles vitesses de revêtement utilisant un matériel non modifié, aux frais importants de ltentretien de l'appareillage, plus des problèmes supplémentaires, tels que l'importante rétro-action de la chaleur sur les rouleaux d'enduction, et un risque accru d'insuffisance de cuisson.Cooking at such a high temperature is an expensive operation because of the high price of natural gas or electricity for the furnace2 at a high cost of labor due to low coating speeds using unmodified material, at the expense of maintenance of the equipment, plus additional problems, such as significant heat back-pressure on the coating rollers, and an increased risk of insufficient cooking.
On s'est efforcé depuis longtemps de trouver un nouveau revêtement ou une amélioration du procédé qui soient simples et peu coûteux, tout eh assurant un revêtement entre feuilles : une isolation et un facteur d'espace dont les caractéristiques soient équivalentes à celles du revêtement ou procédé actuel. It has long been sought to find a new coating or a process improvement that is simple and inexpensive, while providing a coating between sheets: an insulation and a space factor whose characteristics are equivalent to those of the coating or current process.
En conséquence l'invention consiste en un élément
en tales d'acier portant un revêtement en phosphate isolant cuit, dérivé d'une solution aqueuse comprenant 100 volumes de phosphate d'aluminium aqueux et-de I à 15 volumes d'acide nitrique.Accordingly, the invention consists of an element
of steel having a baked insulating phosphate coating derived from an aqueous solution comprising 100 volumes of aqueous aluminum phosphate and from 1 to 15 volumes of nitric acid.
Ce revêtement phosphaté est un mélange d'une solution de phosphate d'aluminium diluée, composée de préférence d'un volume solution de monophosphate d'aluminium/ plus 0,5 à 4 volumes supplémentaires d'eau de dilution, et de 3 à 12 46 en volume, calculé sur la solution de monophosphate d'aluminium, d'acide nitrique. This phosphate coating is a mixture of a dilute aluminum phosphate solution, preferably composed of an aluminum monophosphate solution volume / plus 0.5 to 4 additional volumes of dilution water, and 3 to 12 46 by volume, calculated on the solution of aluminum monophosphate, nitric acid.
Dtune façon inattendue, cette addition d'acide nitrique peut abaisser la température à laquelle on porte les tôles d'acier du commerce pour cuire le phosphate qui les revêt jusqu'à environ 900C, tout en maintenant les caractéristiques de revêtement, isolation et facteur d'espace du revêtement obtenu sans modification. L'abaissement de la température de cuisson a aussi l'avantage supplémentaire de diminuer sensiblement les problèmes de manipulation et de réduire la consommation d'énergie. Unexpectedly, this addition of nitric acid can lower the temperature at which the commercial steel plate is carried to cook the phosphate coating them to about 900C, while maintaining the coating, insulation and space of the coating obtained without modification. Lowering the cooking temperature also has the additional advantage of significantly reducing handling problems and reducing energy consumption.
On peut traiter suivant l'invention des feuilles ou tôles à base de différentes cualités de métal ferreux. According to the invention, sheets or sheets of different ferrous metal contents may be treated.
On peut ainsi revêtir des toles de ferro-silicium contenan: jusqu'à 7% de silicium. On peut traiter des toles magnétiqu s en nickel-ler contenant jusqu'à 85% de nickel. D'autres feuilles magnétiques contenant une proportion d fer élevée allié à un ou plusieurs métaux peuvent être aussi traitées ainsi. Généralement toutes ces tôles sont laminées à froid en continu. Le terme "tôles d'acier en feuilles1, sera employé ici en comprenant toutes les autres.It is thus possible to coat ferrosilicon sheets containing up to 7% silicon. Magnetic nickel-1 metal sheets containing up to 85% nickel can be processed. Other magnetic sheets containing a high proportion of iron alloyed with one or more metals can be treated as well. Generally all these sheets are cold rolled continuously. The term "sheet steel sheets" will be used herein including all the others.
Le revêtement phosphaté cuit de l'invention est dérivé d'un mélange de phosphate d'alumnium aqueux dilué, et de 1 à 15 volumes %, de préférence de 3 à 12 volumes S ou mieux encore de 3 à 8 volumes %, basés sur le volume de phosphate d'alumnium dilué, d'HN03. En dessous de 1% en volume d'HNO3, la cuisson n'est pas améliorée. Plus de 15 % en volume dtHN 3 se montreraient trop corrosifs. The cooked phosphate coating of the invention is derived from a mixture of dilute aqueous alumina phosphate, and from 1 to 15 volumes%, preferably from 3 to 12 volumes S or better still from 3 to 8 volumes%, based on the volume of dilute alumina phosphate, HN03. Below 1% by volume of HNO3, cooking is not improved. More than 15% by volume dtHN 3 would be too corrosive.
La composition aqueuse diluée d'orthophosphate d'alumniuù est constituée par 100 volumes d'une solution aqueuse de phosphate d'alumnium. Cette composition de phosphate d'alumnium est généralement un mélange d'acide phosphorique et d'alumine hydratée que l'on peut décrire en termes de teneur en ingrédients actifs, P205 et A1203. La composition de phosphate d'aluminium contient de 28 à 38 % en poids, de préférence 30 à 35 ,% -en poids de P205, de 5 à 12 % en poids, de préférence 7 à 10 % en poids, d'Al2O3 et de 50 à 70 % en poids d'eau ; et de préférence de 50 à 400 volumes, et mieux de 100 à ?50 volumes d'eau de dilution additionnelle. Ltutilisation de moins de 50 volumes d'eau de dilution additionnelle donnerait des revêtements qui pourraient être difficiles à appliquer mme sur l'acier électrique. Plus de 400 volumes d'eau de dilution additionnelle donnerait des revAtements qui seraient trop minces, ce qui causerait une perte de l'effet isolant. The dilute aqueous orthophosphate composition of alumniuù consists of 100 volumes of an aqueous solution of alumina phosphate. This alumina phosphate composition is generally a mixture of phosphoric acid and hydrated alumina that can be described in terms of active ingredient content, P205 and Al2O3. The aluminum phosphate composition contains 28 to 38% by weight, preferably 30 to 35% by weight of P 2 O 5, 5 to 12% by weight, preferably 7 to 10% by weight, of Al 2 O 3 and from 50 to 70% by weight of water; and preferably from 50 to 400 volumes, and more preferably from 100 to 50 volumes of additional dilution water. Using less than 50 volumes of additional dilution water would result in coatings that may be difficult to apply even on electrical steel. More than 400 volumes of additional dilution water would yield too thin coatings, which would result in a loss of the insulating effect.
Par suite, la composition de mono-phosphate d'aluminium aqueux est constituée de 33 à 50 % en poids de matières solides P205 plus A1203 où les autres matières telles que le zinc, le phosphate de zinc et le nickel sont spécialement exclues. Toutefois, on peut utiliser une proportion efficace d'un agent mouillant non-ionique pour l'acier, habituellement jusqu'à 1,5 volume % et de 0,5 à 1,2 volume ffi de matières telles que celles qui contiennent un groupe alcoyle à chatne de longueur moyenne fixé à un groupe
oll R est un groupe assurant la solubilisation à l'eau. As a result, the aqueous mono-phosphate aluminum composition is comprised of 33 to 50% by weight of P205 solids plus Al 2 O 3 where other materials such as zinc, zinc phosphate and nickel are especially excluded. However, an effective proportion of a nonionic wetting agent for steel, usually up to 1.5 volume%, and 0.5 to 1.2% by volume of materials such as those containing a group can be used. medium-length cat-eye attached to a group
oll R is a group that solubilizes with water.
comme il est bien connu dans cette technique. Avec moins de 0,5 volume % d'agent mouillant l'acier ne serait pas mouillé ni n'adhérerait au revêtement phosphate.as he is well known in this technique. With less than 0.5 volume% wetting agent the steel would not be wet or adhere to the phosphate coating.
Une formule type pour un revêtement phosphate modifié à l'acide nitrique pour utilisation à basse température est constitué de : 10 litres d'une solution de phosphate d'aluminium faite de 33 % en poids de P205, 8,6 en poids d'A1203 et 58,4 % en poids d'H2O, 20 litres d'eau de dilution additionnelle, environ 0,3 litres d'un agent mouillant non-ionique et 1,5 litre d'HNO3, c'est-à-dire environ 5 % volume HN03 basés sur la combinaison des ingredients précédents. Le terme "acide nitrique" tel qu'il est défini ici est TON03 à une concentration supérieure à 65 % ctest-à-dire, en degré réactif, habituellement une concentra- tion en HN03 de 69 à 71 %. A typical formula for a phosphate coating modified with nitric acid for use at low temperature consists of: 10 liters of an aluminum phosphate solution made of 33% by weight of P 2 O 5, 8.6 by weight of Al 2 O 3 and 58.4% by weight of H 2 O, 20 liters of additional dilution water, about 0.3 liters of a nonionic wetting agent and 1.5 liters of HNO 3, i.e. 5% HN03 volume based on the combination of the previous ingredients. The term "nitric acid" as defined herein is TONO3 at a concentration greater than 65%, that is, in a reactive degree, usually an HNO3 concentration of 69 to 71%.
Cette composition de revdtement phosphate modifiée à l'acide nitrique est appliquée sur l'acier électrique, généralement du type laminé â froid, par des techniques d'application au rouleau, utilisant des rouleaux applicateurs cannelés en caoutchouc ou en feutre. Quand cette composition est appliquée sur la surface d'une feuille d'acier sousjacente, et quand ensuite cette feuille d'acier et par suite le revêtement phosphate sont chauffés en portant la t81e d'acier à une température d'environ 90 à 1300C pendant une durée suffisante pour éliminer la plus grande partie de lteau, le revêtement appliqué durcit en une masse homogène adhérant sur le substrat.Cette couche de revêtement adhérente communique au substat une bonne résistance entre feuilles qui diminue fortement les pertes de courants parasites quand les feuilles séparées sont empilées pour être utilisées dans un appareil électromagnétique. Ce revsstenent au phosphate amélioré par l'acide nitrique peut être utilisé en couches multiples et peut être appliqué sur d'autres revêtements phosphatés de base. te terme tttemperature de la feuille dtacier" signifie la température de l'acier et du revêtement mesurée avec un thermo-couple ou autres et non la température généralement beaucoup plus élevée du four. This nitric acid-modified phosphate coating composition is applied to electrical steel, generally of the cold-rolled type, by roller application techniques, using rubber or felt grooved applicator rolls. When this composition is applied to the surface of an underlying steel sheet, and then thereafter this steel sheet and hence the phosphate coating is heated by carrying the steel sheet at a temperature of about 90 to 1300C for sufficient time to remove most of the water, the applied coating cures to a homogeneous mass adhering to the substrate.This layer of adherent coating communicates to the substate a good resistance between sheets which greatly reduces parasitic current losses when separated sheets are stacked for use in an electromagnetic device. This phosphate-enhanced nitric acid phosphate can be used in multiple layers and can be applied to other basic phosphate coatings. The term "temperature of the steel sheet" means the temperature of the steel and the coating measured with a thermo-couple or the like and not the generally much higher temperature of the oven.
Ce revêtement phosphaté modifié à l'acide nitrique donne une densité après cuisson qui se situe entre I et 1,5 g par centimere cube environ.-Quand il est cuit, on a 2 constaté que ce revêtement donne au moins 2 ohms par cm de 2 feuille et une valeur aussi élevée que 640 ohms par cm de feuille dans le test ASTM A-717 suivant Franklin. Le terme "cuit" tel qu'il est utilisé ici signifie que le revêtement phosphaté est un solide non-collant.On pense que, pendant la cuisson, le HNO3 augmente ltactivité de surface du fer, permettant une réaction beaucoup plus rapide du revttement avec l'acier de la tssle ferreuse, pour former par exemple du phosphate de fer, et provoquer ainsi une précipitation de phosphate d'aluminium. This nitric acid modified phosphate coating gives a post-cure density of between about 1 and about 1.5 grams per cubic centimeter. When it is cooked, it has been found that this coating gives at least 2 ohms per cm of 2 sheet and a value as high as 640 ohms per cm of sheet in the following ASTM A-717 Franklin test. The term "cooked" as used herein means that the phosphate coating is a non-sticky solid. It is believed that, during cooking, HNO3 increases the surface activity of the iron, allowing a much faster reaction of the coating with ferrous steel, for example to form iron phosphate, and thereby cause precipitation of aluminum phosphate.
L'invension sera mieux comprise d'après la description ci-après d'un exemple
Exemple
On prépare une composition de revêtement au phosphate modifiée par 11 acide nitrique, constituée dtun mélange de 10 volumes d'une solution de monophosphate d'aluminium, donnant à l'analyse 33,1 % en poids de 8,6 46 en poids d'A12O3 et 58,4 % en poids d'H2O, ayant une viscosité d'environ 40 centipoises à 250C, un poids spécifique de 1,47 et un poids moléculaire d'environ 318 (vendu dans le commerce par Monsanto Chemical Co, sous le non commercial d'Alkophos C), 20 volumes d'H2O de dilution additionnel et 5 volumes % de HN03 concentré à 71 %, c'està-dire 0,05 x 30 volumes = 1,5 volumes d'HNO3. On a mélangé à 250C, en ajoutant lentement l'acide comme dernier composant.The invension will be better understood from the following description of an example
Example
A nitric acid-modified phosphate coating composition consisting of a mixture of 10 volumes of a solution of aluminum monophosphate was prepared giving to the analysis 33.1% by weight of 8.6% by weight of A12O3 and 58.4% by weight of H2O, having a viscosity of about 40 centipoise at 250C, a specific gravity of 1.47 and a molecular weight of about 318 (commercially available from Monsanto Chemical Co, under the noncommercial Alkophos C), 20 volumes of additional dilution H2O and 5 volumes of 71% concentrated HNO3, ie 0.05 x 30 volumes = 1.5 volumes of HNO3. It was mixed at 250C, slowly adding the acid as the last component.
On a ajouté environ I % en volume d'un agent mouillant nonionique à groupe alcoyle à channe de longueur moyenne contenant du phosphore (vendu dans le commerce par Victor
Chemical Comp. sous le nom commercial de Victawet 8 12).About 1% by volume of a phosphorus-containing average length ring alkyl nonionic wetting agent (commercially available from Victor) was added.
Chemical Comp. under the trade name of Victawet 8 12).
On a préparé aussi une solution de revêtement comparative au phosphate non-modifiée où lton a inclus les mêmes proportions des mêmes ingrédients, si ce n'est que l'on a exclus l'acide nitrique. On a alors appliqué les deux revêtements au rouleau sur de 11 acier électrique laminé à froid et on a chauffé pour les cuire, puis on a mesuré les caractéristiques isolantes. On a ensuite revêtu les pièces estampées de l'armature et on a examiné la résistance interfeuille s . Les résultats sont donnés dans les tableaux cidessous. An unmodified phosphate-based coating solution was also prepared in which the same proportions of the same ingredients were included except that nitric acid was excluded. The two roll coatings were then applied to cold rolled electric steel and heated to cook them, and the insulating characteristics were measured. The stamped parts of the reinforcement were then coated and inter-wall strength was examined. The results are given in the tables below.
TABLEAU 1
Isolation interfeuilles caractéristiques sur de l'acier
électrique M22 0,055 m/m
TABLE 1
Characteristic interleaf insulation on steel
electric M22 0.055 m / m
<tb> <SEP> r <SEP> Franklin <SEP> . <SEP>
<tb><tb><SEP> r <SEP> Franklin <SEP>. <September>
<Tb>
<SEP> Temp. <SEP> épaisseur <SEP> Franklin <SEP> ohmcm2/ <SEP> Facteur
<tb> <SEP> e <SEP> cuisson <SEP> mil/côté <SEP> A. <SEP> (en <SEP> feuille <SEP> d'espace
<tb> <SEP> moyenne) <SEP> (en
<tb> moyenne) <SEP>
<tb> revêtement <SEP>
<tb> phosphaté <SEP> 930C <SEP> 1,8 <SEP> <SEP> 0.048 <SEP> 128 <SEP> 98 <SEP> %
<tb> modifié <SEP> avec
<tb> 3 <SEP>
<tb> revêtement
<tb> phosphaté <SEP> 3400C <SEP> 2,2yU <SEP> 0.042 <SEP> 147 <SEP> 97,9 <SEP> %
<tb> non <SEP> modifié
<tb> éprouvette
TABLEAU 2
Résistance interfeuilles sur des pièces estampées d'armature
de 0,062 mm d'épaisseur et 1,5 de diamère
<SEP> Temp. <SEP> Thickness <SEP> Franklin <SEP> ohmcm2 / <SEP> Factor
<tb><SEP> e <SEP> cooking <SEP> millet / side <SEP> A. <SEP> (in <SEP> sheet <SEP> of space
<tb><SEP> average) <SEP> (in
<tb> average) <SEP>
<tb> coating <SEP>
<tb> phosphated <SEP> 930C <SEP> 1.8 <SEP><SEP> 0.048 <SEP> 128 <SEP> 98 <SEP>%
<tb> modified <SEP> with
<tb> 3 <SEP>
<tb> coating
<tb> phosphated <SEP> 3400C <SEP> 2.2yU <SEP> 0.042 <SEP> 147 <SEP> 97.9 <SEP>%
<tb> no <SEP> changed
<tb> test tube
TABLE 2
Interfacing Resistance on Stamped Armature Parts
0.062 mm thick and 1.5 in diameter
<tb> <SEP> HNO3 <SEP> modifié <SEP> par <SEP> revêtement <SEP> 9.4 <SEP> ohm <SEP> cm/feuille
<tb> phosphaté <SEP> (en <SEP> moyenne)
<tb> * <SEP> non <SEP> modifié <SEP> par <SEP> 9.4 <SEP> ohm <SEP> cm <SEP> /feuille
<tb> revêtement <SEP> phosphaté <SEP> (en <SEP> moyenne)
<tb> éprouvette
Comme on peut le voir, les caractéristiques d'isolo- tion et de facteur d'espace du revêtement phosphaté modifié par HiN03 suivant l'invention restent évidents, bien que la température de cuisson ait été abaissée d'environ 2500C par rapport à celle du revêtement phosphaté.standard nonmodifié. <tb><SEP> HNO3 <SEP> modified <SEP> with <SEP> coating <SEP> 9.4 <SEP> ohm <SEP> cm / sheet
<tb> phosphated <SEP> (in <SEP> average)
<tb> * <SEP> no <SEP> changed <SEP> with <SEP> 9.4 <SEP> ohm <SEP> cm <SEP> / sheet
<tb><SEP> phosphate <SEP> coating (in <SEP> average)
<tb> test tube
As can be seen, the isolation and space factor characteristics of the HiNO 3 modified phosphate coating according to the invention remain evident, although the cooking temperature has been lowered by about 2500 ° C compared with phosphated coating.standard unmodified.
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