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    翻砂鑄造的特點及其工藝運用

    作者:admin  来源:   更新时间:2015-05-07  阅读数:158

    翻砂鑄造的特點及其工藝運用

    用粘土粘結砂作造型資料生產鑄件,歷史悠久的工藝方法,也是應用范圍最廣的工藝方法。說起歷史悠久,可追溯到幾千年以前;論其應用范圍,則可說世界各地無一處不用。

    值得注意的各種化學粘結砂蓬勃發展的今天,粘土濕型砂仍是最重要的造型資料,其適用范圍之廣,耗用量之大,任何其他造型資料都不能與之比擬的據報道,美國鋼鐵鑄件中,用粘土濕型砂制造的占80%以上;日本鋼鐵鑄件中,用粘土濕型砂制造的占73%以上。

    適應造型條件的能力極強,也是粘土濕型砂的一大特點。1890年震壓式造型機問世,臨時用于手工造型條件的粘土濕型砂,用于機器造型極為勝利,并為此后造型作業的機械化、自動化奠定了基礎。近代的高壓造型、射壓造型、氣沖造型、靜壓造型及無震擊真空加壓造型等新工藝,也都是以使用粘土濕型砂為前提的

    各種新工藝的實施,使粘土濕型砂在鑄造生產中的地位更加重要,也使粘土濕型砂面臨許多新的問題,促使我對粘土濕型砂的研究不時加強、認識不時深化。

    現今,隨著科學技術的速發展,各產業部門對鑄件的需求不時增長,同時,對鑄件品質的要求也越來越高。現代的鑄造廠,造型設備的生產率已提高到前所未有的水平,如果不能使型砂的性能充沛適應具體生產條件,或不能有效的控制其穩定、一致,則不必多久就可能將鑄造廠埋葬于廢品之中。

    隨著科學技術的發展,目前采用粘土濕型砂的鑄造廠,一般都適合其具體條件的砂處理系統,其中包括:舊砂的處置、新砂及輔助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的監控。

    粘土濕砂系統中,有許多不時改變的因素。如某一種或幾種關鍵性能不能堅持在控制范圍之內,生產中就可能呈現問題。一個有效的砂處理系統,應能監控型砂的性能,如有問題,應能及時加以改正。

    由于各鑄造廠砂處置系統布置不同,選用的設備也不一樣,要想擬定一套通用的控制方法是做不到這里,打算提出一些目前已被廣泛認同的控制要點。各鑄造廠認真地理解了這些要點之后,可根據自己的具體條件確定可行的控制方法。而且,還要隨著技術的進步和工廠的實際能力(包括人員和資金)不時改進對型砂系統的控制。

    一.舊砂的處置

    用粘土濕型砂造型,澆注以后,除貼近鑄件的局部型砂中活性膨潤土受熱失效成為死粘土外,大部分型砂可以回收使用。這是粘土濕型砂的主要優點之一。

    配制粘土濕型砂時,舊砂用量一般都在90%以上,如果對舊砂的處置不當,無論怎樣加強混砂,無論添加什麼輔助材料,都不可得到好的型砂。所以,對舊砂進行有效的處置,保證型砂質量的前提。

    1.舊砂溫度的控制

    熱砂問題,已被公認為粘土濕型砂鑄造必需面對的最大問題。型砂溫度太高,鑄件容易發生夾砂、外表粗糙、沖砂、氣孔等缺陷。熱砂對鑄件質量的負面影響,主要由于以下幾個方面:

    由于熱砂使水分蒸發,混砂時無論怎樣注意,也難以控制型砂的性能;

    將熱型砂送往造型機的過程中,由于水份損失,型砂性能改變,造型時實際上用的型砂,其性能與混砂時控制的性能差異很大;

    造型時,熱型砂的水分容易在模樣外表上凝結,型砂粘模;

    合型后,熱砂的水分蒸發,凝結在冷的芯子上,會使芯子的強度降低,鑄件也易于發生氣孔;

    如果舊砂要貯存在砂斗中備用,則熱砂容易粘附在砂斗壁上。嚴重時,砂斗四周堵滿了型砂,只剩中間一個孔洞,使系統中的型砂只有一局部周期使用,這部分型砂周轉快、溫度又會進一步提高,使熱砂問題更加嚴重。

    多高溫度的砂算是熱砂?判斷熱砂的溫度界限,看其是否使混砂、造型及鑄件質量方面呈現問題。對此,許多研究者從個方面進行了研究;有人研究了型砂溫度對其性能穩定性的影響;有人研究了溫度對膨潤土-水系統流變性的影響;有人研究了型砂溫度與鑄件質量的關系。各方面的研究,得到一致的結論,即:為保證型砂的性能穩定,溫度應保持在50℃以下。

    使型砂冷卻,最有效的方法是加水,但是簡單的加水,效果是很差的一定要吹入大量空氣使水分蒸發,才干有效地冷卻。

    以下,給出一個簡略的計算比擬:

    型砂的比熱大致是9.22102J/kg℃,

    水的比熱是4.19103J/kg℃,

    水的蒸發熱是2.26106J/kg

    1噸砂中加20℃的水10kg加水1%使其溫度升到50℃,所能帶走的熱量為4.19103

    1030即12.57105J

    1噸砂溫度降低1℃,需散熱9.221021000J即9.22105J

    所以,舊砂中加水1%只能使溫度降低24.5℃。

    使1噸砂中的水分蒸發1%10kg能帶走的熱量為2.26107J卻可使砂溫降低24.5℃。

    以上的分析標明:簡單地向皮帶機上加水或向砂堆灑水,冷卻效果是很差的即使加水后向砂表面吹風,也不能有多大的改善。加水后,要使水在型砂中分散均勻,然后向松散的砂吹風,使水分迅速蒸發,同時將蒸汽排除。

    目前,型砂冷卻裝置的品種、規格很多,主要有冷卻滾筒、雙盤冷卻器和冷卻沸騰床等,都是利用水分蒸發冷卻型沙。其中,冷卻沸騰床效果較好。

    2.舊砂的水分控制

    幾乎所有的鑄造廠都檢查和控制混成砂的水分,但是對于嚴格控制舊砂水分的重要性,很多鑄造廠的領導和技術人員還缺乏足夠的認識。

    進入混砂的舊砂水分太低,對混砂質量的影響可能并不亞于砂溫過高。

    試驗研究和經驗都已證明,加水潤濕干膨潤土比潤滑濕膨潤土難得多。型砂中的膨潤土和水,并非簡單的混在一起就行,要對其加搓揉,使之成為可塑狀態。這就像用陶土和水制陶器一樣,將水和土和一和,松散的沒有粘接能力;經過搓揉和摔打,使每粒土都充分吸收了水分,就成為塑性狀態,才可以成形,制成陶器毛坯。

    鑄型澆注以后,由于熱金屬的影響,很多砂粒表面上的土-水粘結膜都脫水干燥了加水使其吸水恢復塑性是很不容易的舊砂的水分較低,混砂機中加水混碾使之達到要求性能所需要的時間就越長。由于生產中混砂的時間是有限的舊砂的水分越低,混成砂的綜合質量就越差。目前,各國鑄造工作者已有了這樣一種共識:進入混砂機的舊砂,水分只能比混成砂略低一點。

    較好的做法是舊砂冷卻過程中充沛加水冷卻后所含的水分略低于混成砂。這樣,從砂冷卻到進入混砂機還有一段相當長的時間,水可以充沛潤濕舊砂砂粒表面上的膨潤土。

    更好的做法是系統中設混砂機對舊砂進行預混,冷卻后的舊砂在預混混砂機中加水進行預混,以改善舊砂中膨潤土和水的混合狀態。國外,有的鑄造廠預混時,將需補加的新砂、膨潤土、煤粉等附加料全部加入。天津的新偉祥鑄造公司,用德國制造的EiRich混砂機預混。經過預混的舊砂,進入混砂機后加水量很少,只是略微調整。型砂中的膨潤土和水在混砂機進一步得到調制,型砂的性能就更為穩定一致。

    3.舊砂的粒度

    對于用粘土濕型砂制造的鑄鐵件,型砂的粒度以細一些為好。由于混砂時舊砂用量一般都在90%以上,決定型砂粒度的因素主要是舊砂。新砂加入量很少,不可能靠加入新砂來改變型砂的粒度。所以,應該經常檢測舊砂的粒度。

    檢測粒度時,取樣后先清洗除去泥分(可用測定含泥量時剩下的砂樣)烘干后篩分。

    對粒度有以下兩點要求。

    1140目篩上的砂粒應在10-15%之間。堅持較多的細砂,可以減輕鑄件外表粘砂。而且,會增加砂粒之間粘結橋的數量,從而降低型砂的脆性,防止沖砂缺陷。此外,這對提高型砂的溫強度、干強度和水分遷移后增濕層強度都有好處。

    2200目篩、270目篩和底盤上細砂的總和應盡量地少。這樣的細砂對改善鑄件外表質量的作用不大,卻會使混成砂的水分較高,而且會使型砂的透氣性降低。細砂的總和一般應少于4%

    4.吸水細粉的含量

    吸水細粉中主要是死粘土,還包括焦化了煤粉細粒和其他細粉。

    吸水細粉的含量并非越低越好,最好將其控制在2-5%之間。


    吸水細粉,混砂時會和膨潤土爭奪水分,使混成砂達到可緊實性目標值所需的水分增高。但是據目前大家的認識,吸水細粉的吸水能力比膨潤土強,而保持水分的能力卻低于膨潤土。因此,型砂中加水量略有不當時,吸水細粉對型砂性能有一定的"微調和穩定"作用。水分高時,細粉首先吸水,膨潤土所吸收水可較穩定一致;混成砂在輸送過程中水分蒸發時,吸水細粉所吸的水先蒸發,粘結砂粒的粘土膏中的水分較為穩定,型砂的性能也就較小波動。

    吸水細粉含量太高也不好,會使型砂的水分較高,易于導致鑄件上產生針孔、外表粗糙和砂孔的缺陷。

    吸水細粉含量太低,則型砂的性能(尤其是可緊實性)不易穩定。

    2計算機輔助分析 

    計算機輔助分析又稱計算機輔助工程(ComputAideEngineer簡稱CA E計算機應用的一個重要領域。一般說來,通過建立能夠準確描述研究對象某一過程的數學模型,采用合適可行的求解方法,使得在計算機上模擬仿真出研究對象的特定過程,分析有關影響因素,預測這一特定過程的可能趨勢與結果。鑄造過程數值模擬技術便屬于典型的CA E技術。經過幾十年的發展,鑄造CA E所涉及的范圍已相當廣泛。 

    上述模擬技術已從最初的普通重力砂型鑄造擴展到壓鑄、低壓鑄造、熔模鑄造、電磁鑄造、雙輥連鑄、電渣熔鑄等眾多鑄造方法。目前,鑄造數值模擬技術尤其是三維溫度場模擬、流動場模擬及彈塑性狀態應力場模擬已逐步進入實用階段,國內外一些商品化軟件系統先后推向市場,對實際鑄件生產起著越來越重要的作用。 

    因此,對計算機輔助設計與計算機輔助分析應以積極推廣。 

    ①實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程 

    當前國內鑄造生產依然是采用保守的工藝設計手段,鑄造工藝CA D應用幾近空白,應當盡快實施甩圖板、甩紅藍鉛筆、甩鑄造手冊工程,實現鑄造工藝的計算機設計。這是鑄造行業技術改造的必定要求。 

    ②大力推廣鑄造CA E技術 

    目前國內采用鑄造CA E技術的企業不到100家,僅占所有鑄造廠家的0.5%左右,與西方工業發達國家(10%左右)差異很大,推廣應用工作應大力加強。一方面國內鑄造業應解放思想,大膽采用最新科技效果;另一方面還應正確認識鑄造CA E系統的作用,偏重于分析、優化鑄造工藝,但它絕對不能完全代替鑄造工程技術人員,不能神化它功用,亦不應無視其作用,確切地說它鑄造工作者手中的有利工具。最后還需要政府的扶植,多渠道推廣。 

    ③鑄造工裝初步實現CA DCA E/CA M/RPM一體化,進一步實現遠程制造 

    整個鑄造生產中,鑄造工裝尤其是鑄造模具/模板的設計制造,比擬易于實現CA D/CA E/CA M/RPM一體化。目前國內一些鑄造工裝企業已初步采用了上述先進設計制造技術,甚至還實現了遠程制造。但范圍太小,需要進一步加大推廣應用力度。 

    ④加強人才培訓 

    鑄造CA DCA E推廣應用的另一個關鍵是人才培訓,性能先進的CA DCA E軟件系統只有配以高素質的應用人才才干達到最佳效果。因此在推廣高技術的同時應大力加強人才培訓。 

    2計算機檢測與控制 

    利用計算機實現對生產設備或生產過程進行檢測與控制是計算機在鑄造生產中應用的重要內容。近些年來,已經呈現了很多利用微機來測試各種參數、監視生產狀況、控制生產過程的設備及裝置,從而有效地提高了鑄件質量及生產效率,降低鑄造本錢。鑄造過程采用微電子及計算機技術進行檢測與控制是生產高質量鑄件的必備條件,也是現代鑄造生產的一個重要標志。微機檢測與控制系統通常由計算機硬件與軟件、I/O接口、模數轉換器(A/D數模轉換器(D/A 傳感器及執行機械等部分組成。 

    目前在鑄造生產中運用的微機檢測與控制系統主要有如下幾個方面: 

    ①型砂性能及砂處置過程微機檢測與控制。 

    主要功能有緊實率、抗壓強度、抗拉強度、有效粘土含量、透氣性測定及水分控制。 

    ②沖天爐熔煉的微機檢測與控制。 

    主要功能有配料的自動控制、風量調節、冷卻水量控制、濕度及溫度控制。 

    ③金屬液質量的爐前快速檢測及微機處理。 

    主要功能有各元素成分測定、金屬液溫度、共晶度、孕育效果、抗拉強度、硬度的測定。 

    ④鑄件成形過程的微機檢測與控制。 

    主要功能有金屬液流動性檢測、鑄型性能檢測、造型線主輔機工作狀態的監控。 

    ⑤鑄件廢品質量的微機檢測。 

    主要功能有檢測鑄件內部空洞的大小、檢測鑄件外表的粗糙度。 

    此外還有低壓及壓鑄生產過程微機控制系統、料庫監控系統及生產組織協調監控系統等。隨著科技的發展,鑄造行業計算機檢測與控制系統將越來越強調在線監控,強調集成化與智能化。 

    ①在線化 

    能夠對鑄造過程或設備進行在線檢測與控制,能夠及時準確地反映現場狀態,實時控制有關生產設備,從而使鑄造過程或設備堅持著最佳狀態。 

    ②集成化 

    各監控系統能夠相互配合、相互協調,成為一個有機的整體。 

    ③智能化 

    監控系統能夠根據現場實際情況,自動發出準確合理的指令控制相關對象。 

    ④遠程化 

    利用Internet可以實現遠程(異地)監控。 

    國內鑄造企業這一領域的計算機應用相對較多,尤其是一些大規模專業鑄造生產廠家,比擬注重該方面技術的應用。但總的來說,應用面還不夠寬,現有的檢測與控制系統也大都是散兵游勇,各自為政,相對孤立地完成某一特定的工作。因此鑄造企業一方面在抓現有鑄造監控系統現代化改造的同時,注重引進吸收先進在線化、智能化、集成化的監控技術,從而達到高效低耗生產出高質量鑄件的目的 

    3專家系統 

    專家系統(ExpertSystem近幾十年來人工智能領域研究開發的計算機系統,人類臨時以來對智能科學的探索效果和實際問題求解需要相結合的必定產物。 

    專家系統是一種基于知識的智能系統,以求解那些人類專家才干解決的高難度問題為特征。一般包括知識庫、數據庫、推理機、知識獲取機制、解釋機制及用戶接口等部分。 

    鑄造生產是一個復雜的過程,產品質量受諸多影響因素的制約。而這些因素一般是隨機的復雜的很難用數學公式描述。處置一些突發事件時,往往需要豐富的知識與經驗,而這些知識與經驗并不是所有人都能夠掌握的一個性能優越的鑄造生產專家系統就可以處置生產中錯綜復雜的情況,不確定信息基礎上得到正確的結論,及時準確地解決問題。國外鑄造專家系統的研制起始于80年代,一些不同類型的鑄造專家系統先后推向市場,如沖天爐控制專家系統,鑄件缺陷分析診斷專家系統,鑄造過程規劃、咨詢系統,熔模鑄造專家系統等,實際生產中已取得較好的應用效果。 

    國內這一領域的研究開發工作起步較晚,但在一些方面也取得了長足進步,先后推出了型砂質量管理專家系統,鑄造缺陷分析專家系統,自硬砂質量分析專家系統,壓鑄工藝參數設計及缺陷診斷鑄造生產專家系統等。盡管鑄造生產專家系統的研究工作已在很多領域展開,并取得了一定的應用效果,但總的來說目前還處于初始階段。一些技術及應用環節的障礙,如鑄造知識類型復雜、知識表達困難、決策空間大、多目標和多重約束、模糊性和不確定性等都有待于進一步解決。 

    專家系統控制是智能控制的另一個重要分支,專家系統應用研究的前沿。線專家系統控制更是倍受關注,鑄造領域這方面的研究將逐步展開。鑄造生產專家系統是一個與實際生產結合極其緊密的應用技術,需要從實際中來,實際中去。鑄造專家系統的研制及應用均需要鑄造生產企業給予大力的協助與支持,因此應用推廣工作應引起多方面高度重視。 

    4信息處置系統 

    信息社會的一個重要特征就是"信息爆炸"這樣的背景下,如何運用高效的管理手段及時準確地分析和處理要"爆炸"信息和浩瀚的數據就顯得非常重要了對于一個鑄造企業來說,企業內部各管理部門之間、各生產部門之間、管理和生產部門之間以及企業和外部之間需要傳送大量的信息;另一方面企業內部各部門技術的進步往往會發生一些阻礙信息交流的"孤島"一些處置系統如CA DCA ECA MCA PP所需要的及所生成的數據相互差別很大,需要協調管理,才干達到資源共享。根據上述要求信息處置系統(InformatProcessSystem應運而生。 

    企業信息處置系統有別于管理信息系統(ManagInformtatSystem簡稱MIS及產品數據管理(ProductDataManag簡稱PDM一個范圍更廣、內容更深,集整個企業所有行為為一體的信息處置系統。以鑄造生產為例,一個鑄造廠的信息處置系統應含蓋該廠的所有行為,包括市場營銷、物料進出、生產組織與協調、行政管理、與外界的信息交換等等。 

    當今世界信息技術即將成為第一大產業,各種各樣信息處置技術大量涌現、日新月異,特別是信息高速公路的呈現,使人類社會進入了一個嶄新時代。但是與其他領域相比,鑄造行業信息處置技術研究、開發與應用顯得過于落伍。特別是國內的鑄造生產廠家,基本是拒信息技術于門外,盡管也有個別企業嘗試采用現代先進信息處置技術,但終究鳳毛麟角,遠沒有形成氣候。總結國內鑄造行業信息處置技術的開發應用現狀,有以下特點: 

    ①研究開發沒形成規模 

    基本上處于手工、作坊式、來料加工方式,沒有形成規模、特色。所采用的技術也遠不是最先進的 

    ②應用范圍較窄 

    主要集中在鑄造企業的財務、人事、庫料管理等方面,現場生產管理很少,基本上談不上系統集成。 

    ③缺乏先進信息技術的應用 

    如PDM技術、MRP-Ⅱ技術、Internet/Intranet技術等應用還處于起步階段。 

    但是作為機械產品毛坯重要的生產方式,鑄造必需吸納各種現代先進技術,以實現自身的完善與發展。先進信息處置技術的應用將是鑄造產業現階段及將來的技術進步最重要的領域之一。其發展也必將出現集成化、國際化等趨勢。 

    鑄造企業信息處置系統是一個龐大的系統工程,需要有長遠的目標與規劃。該系統的實施與應用將完全改變鑄造企業保守的生產、管理方式。 

    5鑄造工裝的計算機應用 

    鑄造工裝尤其鑄造模具、模板的設計制造與普通鑄件生產過程相比,更方便采用現代先進制造技術。因此,目前在整個鑄造相關環節中,鑄造工裝的生產過程相對較多地應用了先進的設計與制造手段。 

    進入九十年代中期,國內外一些專業鑄造模具/模板制造企業,已比擬普遍采用以下列方面為代表的先進設計與制造手段,完全革新了保守的制模方式,帶來了鑄造工裝生產的完全性革命。 

    ①CA D/CA M一體化 

    三維特征造型系統上直接進行模具的設計,能夠實現模具各部分的虛擬裝配,自動檢查干涉情況;能夠完成走刀規劃和加工模擬;可以自動生成NC代碼,迅速快捷地生產出高質量的鑄造模具來。 

    ②快速原型制造 

    利用快速原型制造(RPM技術,能夠快速提供鑄造工裝的模樣,可以顯著縮短新產品開發周期,降低試制本錢。 

    ③并行工程(CE 

    鑄造模具/模板設計的一開始就綜合并行考慮模具的設計、加工、裝配、使用直到報廢處置的所有環境,可以將設計錯誤降低到最低。 

    ④遠程設計與制造 

    隨著Internet不時發展,鑄造工裝的異地設計、異地制造已成為現實,遠程設計與制造技術能夠充沛發揮不同國家、不同地區的各種資源優勢,達到最佳配置。 

    展望先進鑄造工裝生產技術的發展趨勢,將出現如下特點: 

    ①并行環境下CA D/CA E/CA M/RPM集成 

    將CA E技術引入鑄造工裝的設計制造過程,分析預測產品制造及使用過程各物理特性的變化,從而優化設計與制造工藝。進一步將實現并行環境下CA D/CA E/CA M/RPM集成。 

    ②分散網絡化制造(DNM 

    作為遠程設計與制造技術的發展,分散網絡化制造能快速、并行地將不同的成員組合成鑄造工裝虛擬企業,以最大限度地滿足市場需求,充沛利用現有資源,保證可持續發展。 

    盡管國內鑄造工裝制造的計算機應用已倍受關注,也取得了巨大的進步,但與西方工業發達國家相比,國內的技術研究開發水平還很落后,推廣應用范圍還很小,亟需迅速提高。 

    6Internet與鑄造產業 

    因特網,即Internet一個國際性的計算機互連網絡,由千百萬計相互聯接的計算機組成,范圍已普及五大洲幾乎所有的國家,現代社會傳送信息的重要工具,對人類活動發生著日益深刻的影響。與其他領域一樣,因特網對制造業的影響是巨大的目前國外的先進制造企業50%左右的生產信息是通過因特網傳送的一些企業的商務活動已過渡到網上商務時代。因特網正改變著傳統企業的運作模式,使大部分企業行為方式發生了實質革命,主要體現在如下一些方面: 

    ①新的商務模式 

    包括網上企業主頁信息發布;網上產品與服務廣告;網上訂貨與銷售等,Internet能夠在企業與用戶間、企業與協作企業間建立快速信息流傳遞,為制造業抓住商機、快速報價、簽定合同、組織協作、建立供應鏈、敏捷響應用戶需求提供了保證。 

    ②新的研究、開發、設計與制造方式 

    利用Internet可以實現異地協同研究、開發,異地協同設計及遠程制造,充沛合理利用、配置資源。 

    ③新的售前、售后服務方式 

    包括遠程演示、遠程培訓、遠程診斷服務、遠程實時檢測等嶄新手段。 

    ④新的企業管理方式 

    Internet和Intranet應用可以使企業管理集約化。對供應鏈實行動態優化,減少庫存,實時了解生產狀態,能夠提高管理水平,降低管理費用。 

    ⑤新的企業組織方式 

    利用Internet可以組織不同區域的相關企業,形成虛擬企業,實現分散網絡化制造(DNM能夠發揮各自的優勢,最大限度合理利用各種資源。西方工業發達國家的鑄造組織及鑄造企業非常重視Internet使用,紛紛建立自己的主頁、站點,這些國家鑄造產業的網上電子商務、遠程設計與制造、虛擬鑄造工廠等領域都在飛速發展。 

    國內鑄造業Internet發展也非常快,一些組織、企業都已擁有自己的主頁、站點,局部鑄造企業的網上電子商務活動相當活躍,尤其是一些鑄造模具生產廠家已實現了異地設計及遠程制造。但總的來說應用面還不夠廣,尚需進一步拓寬,應用的層次還比較低,亟待進一步提高。 

    國內鑄造企業應盡快駛上"信息高速公路"首先建立自己的主頁,逐步開展網上電子商務。根據各自企業的實際情況,有計劃、有方法地采用網絡化高新技術,來改進企業的生產手段,中國鑄造業必將煥然一新。

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