專利名稱:金屬絲制品和帶制品在分層流化床中連續(xù)加熱和清潔的方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明一般涉及一種制造金屬絲、線材、板和帶的方法。具體而言,本發(fā)明涉及在分層流化床中用分股加熱金屬絲、線材、板或帶的生產(chǎn)工藝的一個(gè)中間步驟以生產(chǎn)具有清潔、無氧化物和無脫碳表面的制品。
金屬絲、線材、板或帶(以后統(tǒng)稱“金屬絲和帶”)的分股加熱是一種在諸如氧化物涂復(fù)、鍍鋅、淬火或進(jìn)一步拉伸或輥壓等其它處理之前通常進(jìn)行的中間操作步驟。這些后續(xù)操作通常與分股加熱配合進(jìn)行。諸如氧化物涂復(fù)、鍍鋅、后續(xù)的拉伸或輥壓等過程要求線材的表面清潔,可使諸如氧化物、鋅和潤滑劑附著在鋼絲或鋼帶上。
金屬絲或線材的處理對(duì)于高碳金屬絲,同樣重要的是分股加熱不使金屬絲脫碳。在大多數(shù)現(xiàn)行的分股加熱方法中,出來的金屬絲不潔,并有氧化表面,這就要求在進(jìn)一步處理之前進(jìn)行在線酸洗。由于對(duì)環(huán)境的考慮大大增加了酸洗方法的費(fèi)用,因此希望有一種經(jīng)濟(jì)的分股退火方法,能得到清潔的、無氧化物和無脫碳的表面。
目前有多種退火的金屬絲的方法,但現(xiàn)行的所有退火金屬絲的方法都有一些的缺點(diǎn)。
總的說來,金屬絲或線材的分股退火的現(xiàn)在技術(shù)都有帶或不帶后續(xù)的在線酸洗要求的問題。
有在線鉛浴的分股退火是一種傳統(tǒng)的分股退火方法,這種方法目前仍在廣泛應(yīng)用。在生產(chǎn)率高的同時(shí),加熱速度快,溫度均勻性好。結(jié)果使該方法成為一種經(jīng)濟(jì)的方法。但是,這種方法的缺點(diǎn)是需要防止過量的鉛被帶出鉛浴。金屬絲的表面不應(yīng)被熔融鉛浸潤,因而金屬絲的表面必須保持不潔狀態(tài)(含氧化物的潤滑劑殘余物)。應(yīng)用這種方法的缺點(diǎn)是,在進(jìn)行后續(xù)處理之前一般需用在線酸洗方法清潔金屬絲。由于與鉛污染有關(guān)的問題,這種方法提出了一個(gè)必須的但又不利于環(huán)境的措施以防止鉛污染,而這種措施將增加分股退火的費(fèi)用。
要求在線酸洗的分股退火的另一種方法是在流化床中分股退火。在這種方法中,開發(fā)了連續(xù)流化床生產(chǎn)線用于退火分股金屬絲。通常利用天然氣和空氣的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行床流化和加熱。其加熱速率遠(yuǎn)比鉛浴低,因而床長(zhǎng)較大,生產(chǎn)率較低。通過感應(yīng)加熱將金屬絲預(yù)熱到約1300°F,有可能達(dá)到較高生產(chǎn)率的目的。由于流化床中的氣氛含有燃燒產(chǎn)物(即氮、二氧化碳和水)絲將被氧化,表面會(huì)脫碳。這種方法在進(jìn)行后續(xù)處理之前需先進(jìn)行在線酸洗。
同時(shí),在現(xiàn)有技術(shù)中已知多種生產(chǎn)清潔金屬絲而不要求在線酸洗的方法。其中的一種方法是在多管爐中進(jìn)行分股退火。在這種方法中,金屬絲通常在氫氣氛的各個(gè)管中加熱。管數(shù)可達(dá)16根,每根管包容一根金屬絲,這些管組裝在一個(gè)大爐內(nèi)。甚至在純氫氣氛中,生產(chǎn)速度仍低,因?yàn)闅怏w與金屬之間的傳熱不好。管子的長(zhǎng)度不能作成大于40英尺,因?yàn)榻饘俳z會(huì)有過度的拖拉。這種方法可生產(chǎn)亮的金屬絲(不合氧化物),并且該金屬絲在后續(xù)處理之前勿需在線酸洗。但是,用這種方法進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)是不經(jīng)濟(jì)的。
生產(chǎn)清潔金屬絲又勿需在線酸洗的另一種方法是在床內(nèi)插入一組燃燒管間接加熱流化床的方法。床用氮一類惰性氣體進(jìn)行流化。這種方法能制備不脫碳的亮金屬絲。這種方法是有缺點(diǎn)的,因?yàn)樗蟠罅康?,從而使這種方法不經(jīng)濟(jì),甚至在氮循環(huán)的條件下,也是如此。
因此,本發(fā)明的目的在于提出一種在后續(xù)處理之前不要求酸洗的使金屬絲分股退火的方法。此外,本發(fā)明的目的還在于提出一種金屬絲的分股退火方法,該法不需要大量的氮或氫,以其成為經(jīng)濟(jì)的方法。
板或帶的處理鋼板和鋼帶通常是在連續(xù)的帶鋼熱軋機(jī)上由扁鋼坯熱輥壓而成。帶材和板材通常采用低碳鋼,最后輥壓臺(tái)的終壓溫度通常為1550°F。由于輥壓機(jī)在空氣中操作,鋼板或鋼帶會(huì)受到氧化。如果該板或帶要進(jìn)行后續(xù)處理,則帶或板上存在的氧化物軋屑存在是不容許的。例如,如果板材用于拉伸,去除氧化物是很重要的,因?yàn)檠趸锏拇嬖跁?huì)使模壽命變短,成品的表面光潔度變壞。如果后續(xù)處理包括任何類型的涂復(fù),諸如金屬涂復(fù)(例如鋅)或非金屬涂復(fù)(例如油漆),去除氧化物亦是重要的。
清潔熱輥壓后的板或帶的一般方法是使其通過連續(xù)的酸洗流水線。在這種酸洗流水線中,鋼板或帶通過一系列的硫酸或鹽酸浴。酸洗流水線的環(huán)境缺陷是眾所周知的,處理廢酸洗液和防止設(shè)備和建筑物的腐蝕會(huì)帶來巨大的投資?,F(xiàn)有技術(shù)已知的從板或帶上去屑的另一種方法是用磨砂或鋼丸對(duì)板或帶連續(xù)噴砂,即用機(jī)械方法去屑。雖然噴砂方法避免了廢酸洗液的處置問題,但這種方法本身是很緩慢的,因而是不經(jīng)濟(jì)的。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種從鋼板或鋼帶制品上去屑的方法,該法與環(huán)境相宜并在1200°F左右的溫度下操作。
本發(fā)明一方面是致力于在流化床反應(yīng)器中分股加熱金屬絲和帶的方法,該反應(yīng)器具有氫氣含量高的環(huán)境的氣氛,該氣體穿過流化顆粒流動(dòng),包括a)借助原氣體通過流化床中的流化顆粒而使氣氛層化;b)使金屬絲或帶在流化床底部附近的流化顆粒間通過;和c)在該流化床反應(yīng)器的頂部注入一定量的含氧化體。
本發(fā)明另一方面是致力于在流化床反應(yīng)器中使金屬絲、板或帶退火的方法,該反應(yīng)器的流化氣氣氛含氫量高,流化氣穿過流化顆粒流動(dòng),包括a)通入有效量的還原氣體流過流化床中的流化顆粒,使流化顆粒的被淘析細(xì)粒與流化床分離;b)使部分金屬絲、板或帶垂直通過流化床;c)從流化床反應(yīng)器頂部注入一定量的含氧氣體;和d)使流化顆粒的被淘析細(xì)粒與還原氣體分離并將流化顆粒的被淘析細(xì)粒返回到床底。
從下面的優(yōu)選實(shí)施方案的敘述和附圖將使本專業(yè)技術(shù)人員了解本發(fā)明的其它目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn),其中
圖1表示流化床反應(yīng)器的總布置圖,其中制品水平通過反應(yīng)器,這是處理金屬絲的優(yōu)選實(shí)施方案;圖2表示圖1帶空氣分布器的流化床的頂視圖;和圖3表示流化床反應(yīng)器的總布置圖,其中制品垂直通過反應(yīng)器,這是處理板或帶的優(yōu)選實(shí)施方案。
本發(fā)明的目的是將金屬絲和帶分股加熱,使所得的制品清潔和不含氧化物。本發(fā)明實(shí)質(zhì)上是將幾個(gè)關(guān)鍵概念進(jìn)行組合。對(duì)于示于圖1的水平布置的反應(yīng)器而言,分股的金屬絲應(yīng)從約高于流化空間一英尺的地方通過反應(yīng)器。床流化所用之流化氣體優(yōu)選由四種反應(yīng)生成的氣體1)天然氣部分氧化(以下稱“DI”氣體);可采用另外一些碳?xì)浠衔?,氧化劑的范圍亦可從空?約19%的氧)到100%的氧。采用天然氣時(shí),DI流化氣的氫含量因此可達(dá)40%(空氣)到66%(100%的氧);2)天然氣或其它碳?xì)浠锏恼羝亟M;采用天然氣時(shí),流化氣約含75%的氫,其余為一氧化碳;3)與變換反應(yīng)相組合的蒸汽重組;采用天然氣時(shí),流化氣約含80%的氫,其余為二氧化碳(重組氣體);或4)a)氫或b)氮加氫的合成混合物,混合物的氫含量至少約為50%。
所有這些氣體對(duì)鋼都具還原性,并且制成的金屬絲表面清潔并不脫碳。流化氣的Btu含量至少約為100Btu/MCF,流化氣的流量為最小流化流量的2-5倍。包括空氣的含氧氣體經(jīng)置于床頂部的空氣分布器注入使流化氣燃燒。金屬絲和空氣分布器之間的距離至少約為1英尺,優(yōu)選2英尺。一般說來,希望的金屬絲和分布器之間的這一距離能防止燃燒產(chǎn)物(二氧化碳和蒸汽)擴(kuò)散到金屬絲的周圍,否則可能引起氧化??諝夥植计鹘氪驳纳疃燃s為1-2英尺,以便使上升的流化氣的燃燒加熱床顆粒。流化空間上面的總床高約3-5英尺。
圖1表示了金屬絲退火的優(yōu)選實(shí)施方案的總布置圖。含氧氣體112(例如空氣)和燃燒110(如天然氣)的比例應(yīng)使氧化劑中的氧和碳?xì)浠衔镏械奶嫉哪柋缺3?∶2。在以空氣作氧化劑,天然氣作碳?xì)浠衔锏那闆r下,這個(gè)比例約為2.4∶1。采用空氣/天然氣混合物的實(shí)地應(yīng)用中,這個(gè)比值在1.8∶1-3∶1的范圍內(nèi)變化?;旌衔镌趽Q熱器中預(yù)熱到750°F以上,但不應(yīng)高于1100°F,該換熱器是生成DI氣體130的部分氧化(POX)反應(yīng)器120的一個(gè)組成部分。在POX反應(yīng)器中經(jīng)預(yù)熱的含氧化體-燃燒混合物通過貴金屬催化劑,優(yōu)選為氧化鋁上的鉑,在催化劑上反應(yīng)生成DI氣130或流化氣,正如本發(fā)明所述,本方法不需外熱源。
提供適合本發(fā)明的流化氣的其它方法,諸如蒸汽重組或合成氫/氮混合物在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
流化氣可通過擴(kuò)散器進(jìn)氣管156引入反應(yīng)器160的流化床底。進(jìn)氣管由多孔金屬板、多孔的管道系統(tǒng)或多孔陶瓷瓦組成。
流化顆粒162是現(xiàn)有技術(shù)已知的,可從一系列現(xiàn)有技術(shù)已知的惰性氧化物顆粒中選擇。流化顆粒優(yōu)選為氧化鋁。
流化顆粒162的大小可界于74-463微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)約為200-37)。對(duì)于較高溫度的操作,例如典型的用于鋼絲退火的溫度約在1500°F-1800°F時(shí),則優(yōu)選的流化顆粒的大小約介于175-295微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)為80-48)。
一般說來,平行通過分股退火流水線的金屬絲170的數(shù)量約在12-20之間。本發(fā)明的一個(gè)特別突出的特點(diǎn)在于,含金屬絲的分股退火流水線是在靠近流水床的底部運(yùn)行。含金屬絲的退火線優(yōu)選的置在流化床底或擴(kuò)散區(qū)172上面一英尺處。
含氧氣體180從流化床的上部注入并穿過反應(yīng)器160中的流化顆粒。超高區(qū)185位于反應(yīng)器160的頂部。
用于使反應(yīng)器中流化顆粒流化的DI氣體的溫度(例如600°F-800°F)可低于床的操作溫度(例如1700°F-1900°F)。通常,流化氣體將在擴(kuò)散區(qū)172(或反應(yīng)器底)上面1英尺處達(dá)到床溫。這樣,分股的金屬絲應(yīng)置于至少擴(kuò)散區(qū)172上1英尺處。
分股的金屬絲在反應(yīng)器下部通過。金屬絲通過床的優(yōu)選方法是通過床的側(cè)面開孔。在出口端,移動(dòng)的金屬絲將拖帶流化顆粒(氧化鋁),后者組成一道失流態(tài)化堰。被絲拖帶的流化顆粒可返回流化床。流化顆粒在反應(yīng)器160中將連續(xù)地按流動(dòng)方式166循環(huán)。
進(jìn)入的金屬絲在進(jìn)入流化床之前不要求處于室溫。為了提高產(chǎn)率,可通過感應(yīng)加熱使金屬絲預(yù)熱。感應(yīng)加熱通??蛇_(dá)1350°F,并只發(fā)生在表面。然后流化床將金屬絲加熱到退火溫度(即1800°F),而且使金屬絲的整個(gè)截面上的溫度相等。在這種情況下生產(chǎn)率可達(dá)到鉛浴退火的生產(chǎn)率。
圖2表示帶空氣分布器的流化床的頂視圖。含氧氣體210進(jìn)入具有一些水平縫220的分布器。一種優(yōu)選尺寸為0.125″寬×2″長(zhǎng),中心距為3″。
對(duì)于生產(chǎn)清潔的不含氧化物的板和帶,圖1所示的水平布置的流化床反應(yīng)器是不方便的,因?yàn)槿绻寤驇ё魉揭苿?dòng)經(jīng)過床,則流化顆粒會(huì)在帶上失流態(tài)化而使流化變壞。圖3所示的垂直流化床反應(yīng)器是用于板和帶的優(yōu)選實(shí)施方案,因?yàn)樵谶@個(gè)方案中,制品垂直通過流化床,氣氛不會(huì)像水平流化床反應(yīng)器那樣層化。
對(duì)于垂直流化床反應(yīng)器,流化氣流增加,以致淘析的顆粒連續(xù)載出床外(噴涌床);被載出的顆子粒子用一般噴入的含氧氣體加熱,進(jìn)入輸送導(dǎo)管,并使流化氣燃燒。被加熱的顆粒然后返回到流化床的底部。參看圖3,用前面所述的任一種方法制備的含氫量高的氣氛,例如DI或氫含量高的氣體310經(jīng)導(dǎo)管320,通過擴(kuò)散器進(jìn)氣管324送入床底。跟前面一樣,該進(jìn)氣管可由多孔的金屬板、多孔的管道系統(tǒng)或多孔的陶瓷瓦組成。流化顆粒330優(yōu)選是大小介于70-465微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)為200-37)的氧化鋁。流化顆粒向上運(yùn)動(dòng)并在其頂部附近被帶出床外。板或帶340從床的頂部送入,并與流化氣體和顆粒呈注流連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)。流化氣中含量高的氫氣有效地還原板或帶表面上的氧化物,清潔帶344從床的底部移出。為了有效地還原氧化物,流化床反應(yīng)器的最低溫度約為1200°F,但優(yōu)選為1500°F-1700°F。在床頂部的出口導(dǎo)管處,空氣或其它含氣氧氣體從入口管350送入,以便使流化氣體燃燒并將流化顆粒加熱到預(yù)期的溫度。燃燒氣體和顆粒從出口孔354排出。被加熱的顆粒370從分離器360,例如旋風(fēng)分離器返回到床分布器328上面的床底位置。
曾經(jīng)發(fā)現(xiàn),高氫氣氛和流化床顆粒的組合作用能很快加熱帶、還原氧化物和清潔表面。
為了減少投資和/或增加生產(chǎn)能力,重要的是使金屬絲或帶與流化床之間的傳熱速度最大化。流化床中能使傳熱速率最大化的參數(shù)如下。
至于流化氣體的熱導(dǎo),一般說來,較高的氣體熱導(dǎo)給出較高的傳熱速率。氫的熱導(dǎo)最高,因此通常優(yōu)選氫含量高的氣氛。
流化顆粒的尺寸決定傳熱速率。因此,流化顆粒的尺寸應(yīng)大于氣泡相流化的臨界尺寸。在高溫下,小的顆粒尺寸會(huì)使流化床產(chǎn)生過份的粉塵。對(duì)本發(fā)明之目的,高溫操作下流化顆的尺寸宜界于70-465微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)為200-37),優(yōu)選175-295微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)為80-48)。
氣體流量是分股金屬絲和帶退火速率的重要參數(shù)。這里存在一個(gè)使流化顆粒床流化的最低流量。較大流量時(shí)傳熱速率會(huì)明顯增加。一般說來,流量為最低流化流量(″MFF″)的3-5倍之間時(shí),傳熱系數(shù)增加并達(dá)最大值。對(duì)于本發(fā)明的高氫氣氛,曾發(fā)現(xiàn)最大傳熱在10-15倍于MFF的范圍內(nèi)。在峰值之后傳熱速率逐漸降低,因?yàn)榇仓锌障扼w積的份額增加。本發(fā)明中,所用流化氣體的流量亦取決于流化床的加熱要求,因?yàn)榱骰瘹怏w一方面用作金屬絲的還原氣氛,另一方面用作加熱床的燃燒。詳細(xì)計(jì)算表明,流化氣流的優(yōu)選范圍對(duì)水平流化床反應(yīng)器為2-5倍MFF,而對(duì)垂直流化床反應(yīng)器則為10-15倍MFF。表I列出了操作溫度為1800°F的流化床的幾種不同的有代表性的流化氣混合物的MFF(SCFH/單位床面積)以及傳熱速率。
實(shí)例表1泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào) 37 486080Dp(微米) 參數(shù) 463295 246 175N2 MFF(NCFH/ft2) 355146 102 522*MFF(NCFH/ft2)711291 203 105h(Btu/hr.ft2.°F) 75 8894106100%H2氣 MFF(NCFH/ft2) 1836442192*MFF(NCFH/ft2)365127 8338h(Btu/hr.ft2.°F) 228269 287 324重組氣 MFF(NCFH/ft2) 493202 141 73(80%H2,20%CO2) 2*MFF(NCFH/ft2)987404 283 147h(Btu/hr.ft2.°F) 187220 235 266DI MFF(NCFH/ft2) 365149 105 54(40%H2,40%N22*MFF(NCFH/ft2)730299 209 10820%CO) h(Btu/hr.ft2.°F) 131154 164 186對(duì)比實(shí)例在間接燃燒的用氮?dú)饬骰牧骰仓袑?shí)施制備清潔光亮金屬絲的方法。顆粒為48泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào),在兩倍于MFF(2×MFF)的條件F,傳熱系數(shù)為88 Btu/hr.ft2.°F。利用DI氣體,傳熱系數(shù)為154(Btu/hr.ft2.°F)。
經(jīng)濟(jì)對(duì)比實(shí)例用本發(fā)明制備油回火的彈簧金屬絲。利用12股0.375″的金屬絲,通過速度為18ft/min,金屬絲用感應(yīng)加熱預(yù)熱到1350°F,然后金屬絲在流化床中加熱到退火溫度為1600°F。流化顆粒為48泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)的氧化鋁,氣體流量為最低流化流量的2倍。
立足于三種氣體混合物的可消耗價(jià)格,取DI氣體的價(jià)格為$0.12/CCF、氮?dú)獾膬r(jià)格為$0.25/CCF、氫氣價(jià)格為$0.60/CCF、天然氣的價(jià)格為$0.30/CCF進(jìn)行了計(jì)算。
表II列出本發(fā)明所用之各種流化氣體的操作費(fèi)用的比較。
表2重組氣體100%N2100%H2(80%H2)DI(40%H2)h(Btu/hr.ft2.°F) 88 269 220 154要求的流量(NCFH) 17,299 11,781 8,251 10,171操作費(fèi)用 ($/hr)49.34 70.69 -- 12.21
可以看出,DI氣體的現(xiàn)有技術(shù)所用的100%N2相比,操作費(fèi)用的減少是明顯的。DI流化床的基建投資同樣明顯低,因?yàn)榇驳某叽巛^小,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,這是由于不需要燃燒管或電加熱器的原因。
為了方便起見,本發(fā)明的具體特點(diǎn)只示于一張或幾張圖中,因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明每一特點(diǎn)可與其它特點(diǎn)組合。本專業(yè)技術(shù)人員會(huì)認(rèn)可其它實(shí)施方案,本發(fā)明力圖將這些實(shí)施方案包括在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種在流化床反應(yīng)器中退火的分股金屬絲的方法,該反應(yīng)器以高氫含量的流化氣體為氣氛,該流化氣流經(jīng)流化顆粒,該方法包括a.借助一種還原氣體通過流化床中的流化顆粒,使流化氣的氣氛層化;b.在靠近流化床底部處使金屬絲通過流化的顆粒之間;和c.在該流化床反應(yīng)器的頂部注入一定量的含氧氣體。
2.權(quán)利要求1的方法,其中還原氣體是部分氧化的產(chǎn)物,該產(chǎn)物至少含有氫和一氧化碳中的一種。
3.權(quán)利要求1的方法,其中還原氣體是由空氣和天然氣混合物燃燒產(chǎn)生的部分氧化的產(chǎn)物。
4.權(quán)利要求3的方法,其中空氣和天然氣的混合比例約為1.8∶1--3∶1。
5.權(quán)利要求1的方法,其中流化顆粒的大小約為70-465微米(泰勒標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)為200-37)。
6.一種在流化床反應(yīng)器中使金屬絲、板或帶退火的方法,該反應(yīng)器以高氫含量的流化氣體為氣氛,該流化氣流經(jīng)流化顆粒,該方法包括a)通入有效量的還原氣體流過流化床中的流化顆粒,使流化顆粒子的淘洗細(xì)粒與流化床分離;b)使金屬絲、板或帶垂直通過流化床;c)從流化床反應(yīng)器頂部注入一定量含氧氣體;d)使流化氣體的淘洗細(xì)粒與還原氣體分離,并將流化顆粒的淘洗細(xì)粒返回床底。
7.權(quán)利要求6的方法,其中還原氣體是部分氧化的產(chǎn)物,該產(chǎn)物至少包括氫和一氧化碳中的一種。
8.權(quán)利要求6的方法,其中還原氣體是空氣和天然氣混合物燃燒產(chǎn)生的部分氧化的產(chǎn)物。
9.權(quán)利要求8的方法,其中空氣和天然氣的混合比約為1.8∶1--3∶1。
10.權(quán)利要求6的方法,該流化顆粒包括氧化鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在流化床反應(yīng)器中使分股金屬絲或帶退火的方法,該反應(yīng)器有一流化氣氣氛流過流化顆粒。本方法借助還原氣體通過流化床的流化顆粒使流化氣體氣氛層化。金屬絲在靠近流化床底部處通過流化顆粒。最后一定量的含氧氣體在該流化床反應(yīng)器頂部注入。
文檔編號(hào)C21D9/567GK1257130SQ99126729
公開日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1999年12月14日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月16日
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